一种高均匀性的大质量块MEMS结构与制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高均匀性的大质量块MEMS结构与制备方法，通过衬底层和结构层晶圆键合与刻蚀技术，形成由固定锚区支撑的可动质量块结构。首先在衬底层或结构层晶圆上经光刻、刻蚀形成锚区，通过晶圆键合的方式形成键合片，减薄键合片至所需厚度，刻蚀形成可动质量块结构。为满足大质量块MEMS结构厚度高均匀性加工要求，在质量块底部设计减薄支撑锚区，晶圆键合后该锚区对质量块起到支撑作用。刻蚀时将对应位置处结构层去除，释放质量块。与传统的MEMS可动质量块结构加工方式相比，该结构在质量块底部设计有支撑锚区，避免了在减薄过程中，由于晶圆内外气压差和所施加的压力造成悬空的可动质量块处减薄厚度不均匀的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高均匀性的大质量块MEMS结构与制备方法
本专利技术属于微机电系统(MEMS)制造
，具体涉及一种大质量块MEMS结构及制备方法。
技术介绍
在微机电系统(MEMS)传感器中常采用可动质量块结构实现压力、振动、加速度、角速度等物理量的测量或转换，可动质量块的大小对传感器的检测灵敏度有着直接的影响。一种常用的工艺制备方法是通过晶圆键合的方式实现两层晶圆的键合，通过减薄及刻蚀的加工一侧的晶圆，形成质量块。该方法在大质量块结构加工过程，存在的一个难题是大质量块下方悬空，无结构支撑。在晶圆键合过程中为保证键合强度，常常需要抽真空，而为实现圆片级封装或避免键合片内部在后续清洗过程进入颗粒或液体，常使键合晶圆周边密封。这会造成键合片上质量块下方空腔气压较低，在结构层减薄或抛光过程中，质量块处结构层变薄，形变增加，导致减薄厚度不均匀。除键合过程抽真空外，减薄与抛光过程的机械压力也可能造成悬空的质量块处结构形变，导致厚度不均匀。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服大质量结构加工过程中，由于键合晶圆片内外气压差和减薄抛光过程所施加的压力造成悬空的可动质量块处结构变形导致的减薄抛光厚度不均匀的问题，本专利技术提供了一种高均匀性的大质量块MEMS结构与制备方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种高均匀性的大质量块MEMS结构，包含衬底层、结构层和锚区层；由衬底层晶圆和结构层晶圆通过晶圆键合实现；结构层包含弹性梁、质量块和解支撑孔；锚区层包含支撑锚区和固定锚区；质量块与弹性梁相连，并通过固定锚区固定于衬底层上；多个解支撑孔分布在质量块中，解支撑孔下方对应设置支撑锚区。结构层和锚区层均为硅材料，衬底层为硅、玻璃、石英、陶瓷或其他材料；当衬底层为硅材料时，锚区层由结构层硅晶圆或衬底层的硅晶圆加工形成；当衬底层为非硅材料时，锚区层由结构层的硅晶圆加工形成。衬底层的厚度范围为200～1000μm。锚区层通过干法刻蚀或湿法腐蚀加工形成，锚区层的厚度范围为2～100μm。衬底层晶圆和结构层晶圆之间的晶圆键合方式包括硅-硅直接键合、硅-氧化硅直接键合、硅-玻璃阳极键合、共晶键合、焊料键合。结构层晶圆经机械研磨减薄或湿法腐蚀减薄，厚度范围为30～200μm。弹性梁、质量块、解支撑孔以及结构层晶圆上与固定锚区相对应位置结构均通过干法刻蚀加工形成。支撑锚区在刻蚀前与结构层晶圆相连；在刻蚀后，支撑锚区的对应位置形成解支撑孔，支撑锚区与质量块分离。所述的大质量块MEMS结构的制备方法，包含以下步骤：步骤一、在衬底层晶圆或结构层晶圆表面涂覆光刻胶，光刻出支撑锚区和固定锚区图形，并采用干法刻蚀机刻蚀晶圆形成支撑锚区和固定锚区结构，之后去除光刻胶；步骤二、将衬底层晶圆与结构层晶圆键合；键合方式包括硅-硅直接键合、硅-氧化硅直接键合、硅-玻璃阳极键合、共晶键合、焊料键合；步骤三、将结构层晶圆经机械研磨减薄或KOH溶液湿法腐蚀减薄至30-200μm厚度；步骤四、采用化学机械抛光对结构层晶圆抛光，使结构层表面光滑平坦；步骤五、对结构层进行加工，形成弹性梁、质量块、解支撑孔。所述步骤五的具体步骤如下：在抛光后的结构层晶圆表面涂覆光刻胶，光刻形成弹性梁、质量块、解支撑孔以及结构层晶圆上与固定锚区相对应的图形；采用干法刻蚀机刻蚀晶圆，形成弹性梁、质量块、解支撑孔以及结构层晶圆上与固定锚区相对应结构；采用干法去胶机或化学溶液去除光刻胶。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：相比与传统的质量块结构制备方法，本专利技术在质量块刻蚀加工前，质量块位置下面有支撑锚区，在晶圆键合后支撑锚区与结构层晶圆键合，起到支撑左右，避免了在减薄抛光过程中质量块处结构变形，避免了减薄抛光厚度不均匀。附图说明图1是大质量块MEMS结构平面示意图；图2是大质量块MEMS结构横截面示意图；图3a～图3d是加工流程图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。实施例1如图1、2所示，本专利技术提供一种高均匀性的大质量块MEMS结构。该结构包含衬底层1、结构层2和锚区层3；结构层2包含弹性梁4、质量块5和解支撑孔7；锚区层3包含支撑锚区6和固定锚区8；质量块5与弹性梁4相连，并通过固定锚区8固定于衬底层1上。质量块5中设计有多个解支撑孔7，解支撑孔7位置下方有支撑锚区6。结构加工过程中，支撑锚区6与质量块5相连，提供支撑，避免质量块加工过程中弯曲形变造成厚度不均匀。结构加工完成后，支撑锚区6与质量块5分离。结构层2和锚区层3均为硅材料，衬底层1为硅、玻璃、石英、陶瓷或其他材料；当衬底层1为硅材料时，锚区层3由结构层2硅晶圆或衬底层1的硅晶圆加工形成；当衬底层1为非硅材料时，锚区层3由结构层2的硅晶圆加工形成。衬底层1的厚度范围为200～1000μm。固定锚区8与支撑锚区6可设计在衬底层1或结构层2晶圆上。锚区结构可通过干法刻蚀或湿法腐蚀加工形成，锚区高度2～100μm。衬底层1晶圆和结构层2晶圆通过晶圆键合实现。可采用的键合方式有硅-硅直接键合、硅-氧化硅直接键合、硅-玻璃阳极键合、共晶键合、焊料键合。结构层2晶圆经机械研磨减薄或湿法腐蚀减薄至厚度30～200μm。弹性梁4、质量块5、解支撑孔7以及结构层2晶圆上与固定锚区8相对应位置结构，均通过干法刻蚀实现。支撑锚区6位置，在刻蚀前与结构层2晶圆相连。刻蚀后对应位置形成解支撑孔7，支撑锚区6与质量块5分离。优选的，在完成结构层2减薄后，采用化学机械抛光(CMP)对结构层2晶圆进行抛光，使质量块5表面光滑平坦。一种高均匀性的大质量块MEMS结构的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在衬底层1晶圆或结构层2晶圆表面涂覆光刻胶，光刻出支撑锚区6和固定锚区8图形，并采用干法刻蚀机刻蚀晶圆形成撑锚区6和固定锚区8结构，之后去除光刻胶，如图3a所示；步骤二、将衬底层1晶圆与结构层2晶圆键合，如图3b所示；键合方式包括硅-硅直接键合、硅-氧化硅直接键合、硅-玻璃阳极键合、共晶键合、焊料键合；步骤三、将结构层2晶圆经机械研磨减薄或KOH溶液湿法腐蚀减薄至30-200μm厚度，如图3c所示；步骤四、采用化学机械抛光对结构层2晶圆抛光，使结构层2表面光滑平坦；步骤五、如图3d所示，对结构层2进行加工，形成弹性梁4、质量块5、解支撑孔7。步骤五的具体步骤以下：在抛光后的结构层2晶圆表面涂覆光刻胶，光刻形成弹性梁4、质量块5、解支撑孔7以及结构层2晶圆上与固定锚区8相对应的图形；采用干法刻蚀机刻蚀晶圆，形成弹性梁4、质量块5、解支撑孔7以及结构层2晶圆上与固定锚区8相对应结构；采用干法去胶机或化学溶液去除光刻胶。以上所述，仅为本专利技术最佳的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
的技术人员在本专利技术揭露的技术范围内，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高均匀性的大质量块MEMS结构，其特征在于，包含衬底层(1)、结构层(2)和锚区层(3)；由衬底层(1)晶圆和结构层(2)晶圆通过晶圆键合实现；结构层(2)包含弹性梁(4)、质量块(5)和解支撑孔(7)；锚区层(3)包含支撑锚区(6)和固定锚区(8)；质量块(5)与弹性梁(4)相连，并通过固定锚区(8)固定于衬底层(1)上；多个解支撑孔(7)分布在质量块(5)中，解支撑孔(7)下方对应设置支撑锚区(6)。/n

【技术特征摘要】
1.一种高均匀性的大质量块MEMS结构，其特征在于，包含衬底层(1)、结构层(2)和锚区层(3)；由衬底层(1)晶圆和结构层(2)晶圆通过晶圆键合实现；结构层(2)包含弹性梁(4)、质量块(5)和解支撑孔(7)；锚区层(3)包含支撑锚区(6)和固定锚区(8)；质量块(5)与弹性梁(4)相连，并通过固定锚区(8)固定于衬底层(1)上；多个解支撑孔(7)分布在质量块(5)中，解支撑孔(7)下方对应设置支撑锚区(6)。


2.如权利要求1所述的高均匀性的大质量MEMS结构，其特征在于，结构层(2)和锚区层(3)均为硅材料，衬底层(1)为硅、玻璃、石英、陶瓷或其他材料；当衬底层(1)为硅材料时，锚区层(3)由结构层(2)硅晶圆或衬底层(1)的硅晶圆加工形成；当衬底层(1)为非硅材料时，锚区层(3)由结构层(2)的硅晶圆加工形成。


3.如权利要求2所述的一种高均匀性的大质量MEMS结构，其特征在于，衬底层(1)的厚度范围为200～1000μm。


4.如权利要求3所述的一种高均匀性的大质量MEMS结构，其特征在于，锚区层(3)通过干法刻蚀或湿法腐蚀加工形成，锚区层(3)的厚度范围为2～100μm。


5.如权利要求4所述的一种高均匀性的大质量MEMS结构，其特征在于，衬底层(1)晶圆和结构层(2)晶圆之间的晶圆键合方式包括硅-硅直接键合、硅-氧化硅直接键合、硅-玻璃阳极键合、共晶键合、焊料键合。


6.如权利要求5所述的一种高均匀性的大质量MEMS结构，其特征在于，结构层(2)晶圆经机械研磨减薄或湿法腐蚀减薄，厚度范围为30～200μm。


7.如权利要求6所述的一种高均匀性的大质量MEMS结构，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张乐民，刘福民，杨静，张树伟，刘宇，梁德春，崔尉，吴浩越，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11