硅直接鍵合技術(shù)及其在壓力傳感器中的應(yīng)用研究.pdf

1、硅直接鍵合技術(shù)(Silicon Direct Bonding)是一種新型的微機(jī)械加工技術(shù)，它可將表面加工和體加工有機(jī)地結(jié)合在一起，并開始不斷應(yīng)用于MEMS傳感器和執(zhí)行器。硅直接鍵合技術(shù)有眾多的優(yōu)點(diǎn)：兩鍵合硅片的品向、電阻率、導(dǎo)電類型可自由選擇，設(shè)計(jì)自由度大；硅直接鍵合沒有中間層，與其后的高溫操作完全兼容；由于鍵合層的熱脹系數(shù)一致，鍵合界面幾乎無熱應(yīng)力；它能形成各種精密的腔、微結(jié)構(gòu)及單晶硅薄膜；且單晶硅膜的機(jī)械性能優(yōu)于多晶硅膜。因此，硅直

2、接鍵合與傳統(tǒng)的硅微機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合，以及與深反應(yīng)離子刻蝕相結(jié)合，是形成器件結(jié)構(gòu)的一種新途徑，可以研制出各種新穎的結(jié)構(gòu)，能被用來制作高性能的硅微壓力傳感器。硅微壓力傳感器廣泛應(yīng)用于在生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)、航空航天、油井儀器設(shè)備、工業(yè)過程控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，用硅直接鍵合技術(shù)制備壓力傳感器是一個(gè)非常值得研究的課題。 密封腔在MEMS器件中有多種應(yīng)用，利用硅直接鍵合形成密封腔目前已成為這方面的主流技術(shù)，器件性能強(qiáng)烈地依賴于密封腔內(nèi)壓力的大小

3、和穩(wěn)定性，以及覆蓋于密封腔上方薄單晶硅膜的形變。本文采用壓力傳感器測(cè)試結(jié)構(gòu)，在不同的氣氛(10<'4>mbar的真空、氮?dú)?、氧氣、空?中利用硅直接鍵合成功制作了各種不同圖形、不同體積、不同密度的密封腔，著重研究了鍵合和高溫退火后密封腔的壓力以及高溫退火后密封腔上方的單晶硅膜的形變，分析了密封腔的幾何尺寸、腔深、密度、鍵合氣氛對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，為各種MEMS器件中密封腔微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。還進(jìn)行了真空中硅直接鍵合形成密封腔的氣密性實(shí)

4、驗(yàn)，結(jié)果表明，硅直接鍵合形成密封腔的氣密性和長期穩(wěn)定性較好，可廣泛用于MEMS密封腔結(jié)構(gòu)的制備。 多層硅直接鍵合技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)，文中采用了用氧等離子體激活鍵合表面，以提高鍵合能，進(jìn)行兩層/三層硅片的鍵合工藝研究，進(jìn)行了一系列的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，將完成鍵合的硅片分別進(jìn)行拉力強(qiáng)度測(cè)試和鍵合界面觀察，結(jié)果說明硅直接鍵合的強(qiáng)度接近于體硅的強(qiáng)度。文中提出利用兩次鍵合技術(shù)及SOI自停止腐蝕制備均勻單晶硅膜的方法，對(duì)于BESOI(Bonded

5、and etched-backsilicon-on-insulator)片，如何進(jìn)行大面積的均勻減薄是難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)表面各點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明各點(diǎn)的起伏均在±0.15μm以內(nèi)，均勻性在工藝所能達(dá)到的范圍內(nèi)。 硅直接鍵合技術(shù)有多種應(yīng)用，其中一項(xiàng)重要應(yīng)用就是制備壓力傳感器，與之前研究較多的壓阻式相比，電容式壓力傳感器由于其相對(duì)高的靈敏度、低功耗、低噪聲、較大的動(dòng)態(tài)范圍、高穩(wěn)定性以及低的溫漂特性，日益成為研究的熱點(diǎn)。本論文結(jié)合硅直

6、接鍵合的特點(diǎn)，在前期研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的硅直接鍵合電容式絕對(duì)壓力傳感器結(jié)構(gòu)，基于硅直接鍵合提供了能過壓保護(hù)的真空密封參考腔，鍵合形成SOI片不僅能提供機(jī)械性能良好的單晶硅膜，而且精確控制了敏感膜的厚度，同時(shí)電極做在真空腔外消除了電極引出及寄生電容的問題。給出了具體的工藝流程和流水結(jié)果。測(cè)得器件的壓力范圍為1040mbar～520mbar，靈敏度為1.58x10<'-15>F/mbar，溫度系數(shù)TCO為181.5ppm/℃，是硅