[发明专利]一种增强SOG工艺微结构键合强度的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）器件结构设计领域，具体涉及一种增强基于键合深刻蚀释放标准工艺（silicon on glass,SOG）制造的微结构键合强度的方法，特别应用在基于SOG工艺制造的MEMS器件结构设计领域。

背景技术

九十年代以来，微电子机械系统（MEMS）技术进入了高速发展阶段，不仅是因为概念新颖，而且是由于MEMS器件跟传统器件相比，具有小型化、集成化以及性能更优的前景特点。如今MEMS已经广泛用于汽车、航空航天、信息控制、医学、生物学等领域。

虽然各种MEMS器件的原理和结构都不尽相同，但通过同一种加工方法来实现是完全可能的，即标准工艺方法。键合深刻蚀释放（silicon on glass，SOG）工艺是由北京大学开发出来的一种标准工艺。这套工艺已得到广泛的应用，器件设计人员已利用这套工艺设计了几十种器件，涉及了惯性、流体、射频、自动控制等领域的传感器和驱动器等。SOG工艺的大致流程如图1所示，（a）硅浅台阶腐蚀，定义锚点；（b）溅射金属电极；（c）硅-玻璃阳极键合；（d）深刻蚀释放结构。

SOG工艺制造出来的器件，衬底材料为7740玻璃，器件结构材料为单晶硅（Si），由于利用温度通常在350℃以上的阳极键合工艺将两基片粘接在一起，热膨胀系数的不匹配，使键合界面存在着初始应力，且面积越大应力越大，而这种初始应力会严重影响微结构键合面的键合强度的大小，并且热失配还可能会引起微结构的位移偏差。一种减小这种由于热失配而导致的应力的方法是从工艺过程本身上解决问题，使单晶硅片和玻璃片在键合时温度不统一，对两基片采用两种不同温度进行阳极键合，这种方法能有效的减小热失配导致的初始应力大小，从而增强键合强度。但这种方法在进行阳极键合时，需要对上下两基片施加不同的稳定温度，对键合设备的要求很高，不容易实现。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种增强SOG工艺微结构键合强度的方法，从器件结构设计的角度出发，利用结构利于应力释放的优点来减小工艺过程中带来的问题的影响，减小由于热失配而导致的初始应力，从而增强基于SOG工艺制造的微结构的键合强度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种减小热失配应力从而增强SOG工艺微结构键合强度的方法，其特征在于，采用由多个锚点构成的组合式锚点结构进行微结构键合。

具体来说，上述方法是在进行基于SOG工艺制造的MEMS器件时，将单个锚点结构设计为组合式锚点（所占面积相等），组合式锚点由多个锚点构成，优选为m×n阵列形式，具体形式包括：2×2阵列，3×3阵列，4×4阵列，5×5阵列……等等，也可以是m≠n。每个锚点可为正方形、矩形、圆形、椭圆形等形状。如图2所示，为正方形锚点，其中（a）图为单个锚点形式，（b）图为2×2阵列形式的组合锚点，（c）图为3×3阵列形式的锚点，（d）图为4×4阵列形式的组合锚点。

进一步地，阵列数目方案的选择：理论上来说阵列中锚点的数目越多越好，但由于存在颗粒、污染等等，当键合面积小到一定程度时，会使键合质量变得很差，反而使整体键合强度变小，即整体键合强度会先随着阵列数目的增多而增大，到了某一个数目值之后，将随着阵列中锚点数目的增多而减小。这个最优数目可以通过拉伸或者剪切断裂试验获得实验数据。

进一步地，阵列锚点间隙尺寸的选择：理论上来说是间隙尺寸越小越好，当尺寸小到某一个值d时，组合式锚点的整体键合强度将会等于单个锚点（所占面积相等），而当尺寸小于d时，组合式锚点优于单个锚点。但并不能无限小下去，有两个因素限制：一是光刻所决定的最小间距；二是结构利于应力释放所决定的间距限制。不过在MEMS工艺中前者通常相比后者大，即间隙尺寸最终由光刻所决定的最小间距决定，所以间隙尺寸取这个最小间距值。

本发明还提供一种MEMS器件，采用上面所述的组合式锚点结构。

本发明提出了从MEMS器件结构设计的角度，对锚点的分布进行合理的设计，从而减小工艺过程中带来的热失配应力的思路。与现有的减小阳极键合中热失配应力的方法相比，本方法的优势在于：

（1）不需要改变工艺流程以及工艺设备，只是从器件结构设计的角度，改变锚点分布特点，所以无须增加生产成本。

（2）提高工艺成品率，减小由于颗粒等污染物造成的键合失效概率。这是由于随着键合面积的减小，对于单个锚点，颗粒等污染物可能足以使其键合不上，而组合式锚点有效地避免了这一情况。