[发明专利]一种低温等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体直接键合及MEMS封装领域，涉及模具制造技术，特别是涉及三维微型模具的制造方法，具体为一种低温等离子体活化实现硅硅直接键合的制备方法。

背景技术

近年来，通讯、计算机、汽车电子、国防科技和其他消费类产品对微电子封装提出了更高的要求，即更小、更薄、更轻、多功能、高可靠、低功耗和低成本。同时，随着科技产品微型化趋势的发展，MEMS器件中的微型处理器、微执行等零部件的需求越来越大，对于高性能的复杂三维微纳结构更是受到重视，其应用越来越广泛。

在生产实际中，对微型零部件越来越大的需求，从而推动了各种微成形技术中微模具的开发研究。由于在微成形工艺中，微模具尺寸非常小，模具的设计、制造以及材料的选择发生了变化，传统的模具设计原则不能完全应用于微型尺度；相应地，微模具的加工已很难用传统的数控加工、电火花加工等手段。目前所采用的LIGA等特殊的加工方法，成本高、效率低，并且在加工复杂三维型腔、控制表面粗糙度等方面还不能令人满意。因此，开发出适合实际生产、高效、高精度的三维微模具加工工艺方法就成为MEMS微成形领域的关键问题。

键合技术作为一种微加工工艺中较新的工艺方法，可以将表面硅加工和体硅加工有机地结合在一起。直接键合相对于其它键合方式，有着明显的优点，现已成为键合技术研究中的重点。

发明内容

本发明提供一种低温等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法，该方法能够实现在低温环境下大批量制备微米尺度的三维微型模具，具有成本低、效率高、精度高和柔性大的优点。

本发明提供的一种等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法，其工艺步骤如下：

分层设计：将待制备微模具进行分层设计，选择与分层数量相同、对应层厚度相等的硅片作为每层的基底，需要键合的硅片表面为抛光面；厚度通常为150μm～1000μm；

直接键合：对已刻蚀出图形的各硅片表面依次进行等离子体活化、预键合、低温退火四步工艺，完成多层硅片直接键合；

划片：划片批量得到带有三维形腔的微模具。

对于带图形的微模具，在分层设计与直接键合步骤之间进行深硅刻蚀：将各层硅片采用光刻及ICP深硅刻蚀的方法，刻蚀出待制备零件相应各层的结构图形，然后再进行湿法清洗。湿法清洗可以优选下述的过程进行：对各硅片表面依次进行丙酮超声清洗、去离子水冲洗、甩干表面水颗粒，然后在80℃～120℃烘烤3min～10min。

上述技术方案中，可以优选下述处理过程完成直接键合：

(1)一次等离子体活化所有硅片的一个抛光表面，二次等离子体活化双抛硅片的另一面；表面活化气氛为氧气，流量50sccm～150sccm、射频功率50～150W、活化时间5～20s；

(2)对完成等离子体活化后的各硅片用去离子水冲洗，旋转甩干加烘干，按照从上往下的顺序对准贴合所有硅片；

(3)对贴合完成的多层硅片进行退火，退火温度160～300℃，退火时间3h～72h，完成硅片的多层键合。

本发明与现有技术相比，其优点是：

(1)相对于湿法直接键合，本发明的等离子体活化多层硅硅直接键合，是干法直接键合，其工艺操作简单，可控性高，污染小，键合率高(98％以上)、键合强度大(达到体硅强度)、整体工艺流程效率高；

(2)本发明所有工艺都在低温环境下，可以减小MEMS器件封装时的局部应力、增强材料的稳定性；

(3)本发明方法能够在完整硅片上，同时加工制造出大量具有不同图形、高深宽比的不同用途的三维微型硅模具。并且，制备出的微硅模具可以承受较大的压力和较高的温度。

(4)本发明适用于高效、高精度制备MEMS(微机电系统)器件中带有阶梯、高深宽比的三维微型结构(如微齿轮轴、微阶梯轴、微泵等)的硅模具

附图说明

图1为本发明实施例一中待制备的三维微型零件的模具示意图；

图2为本发明实施例一中的工艺流程图；

图3为本发明实施例二中硅片双层直接键合效果图；

图4为本发明实施例三中三层硅片直接键合效果图。图5为本发明实施例四中带有图形的硅片直接键合效果图；

具体实施方式

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实施例一：