一种腐蚀MEMS芯片分片槽时的凸角保护技术

本发明涉及一种腐蚀mems芯片分片槽时的凸角保护技术，特别是通过各向异性湿法腐蚀工艺腐蚀mems芯片分片槽时芯片四角的凸角保护技术，属于微电子机械系统(mems)领域。

背景技术：

1、微机械加工技术是在微电子制造工艺基础之上逐渐发展起来用于实现各种微结构的手段。各向异性湿法腐蚀是微机械加工技术的核心技术之一，是制造梁、膜片、喷嘴、台面和其它三维微结构的重要技术。mems芯片上常常制作有腔体、薄膜、悬臂梁等微细结构，这些微结构容易因机械接触而损坏、因暴露而沾污，能承受的机械强度远远小于ic芯片。

2、制作有mems器件的硅片在工艺完成后需要通过划片机切割成一个一个的分立器件。传统的划片机都是通过砂轮的高速旋转研磨硅片来完成对硅片的切断，这种切割方法伴随着较高压力的冷却水流、划片刀和硅片接触产生的压力和扭力、以及切割下来的硅屑对硅片本身造成的污染，这些因素均会对mems器件上的活动部件或者薄膜结构造成致命的威胁。为了消除划片中由于污染和元件脆弱性对器件可靠性的影响，通常会采用以下几种方法：(1)存mems器件上加永久的保护层，从而在mems器件和恶劣的划片环境之间形成一个物理屏障，防止mems器件被硅屑污染，保护mems器件上的活动部件或者薄膜结构在切割和随后的清洗过程中不受水流和气流的冲击。这种构建永久保护层的方法有一个致命缺点，就是对一些需要接收敏感信号的mems器件，这种方法会造成敏感度的降低。(2)构建一个具有保护作用的临时保护层，在划片和清洗时将mems器件覆盖，之后用化学的方法去除或冲洗掉临时保护层。但是，为了放置永久保护层或者构建可去除临时防护层都需要额外的制造步骤和工艺，这就需要额外的设备和耗材，浪费大量的人力和物力。为了减少切割过程中对mems器件的损伤，工程技术人员想出了很多办法，例如采用气浮导轨和磁力马达或加装震动传感器来控制划片过程中的振动；改造切割和清洗的喷嘴装置，由“水流”喷嘴装置改为“雾化”喷嘴装置，减少了水流对mems器件的损伤，同时提高清洗的效果；增加二氧化碳发泡机来降低去离子水的阻抗值，使静电荷远离进行划片的硅片，并且增加离子发生器来清除机械移动所产生的静电。但所有这些方法都不能很好地解决划片时对mems器件的损伤，从而限制了成品率的提高。

3、由于mems器件加工过程中常伴随有深硅腐蚀，在深腐蚀硅形成薄膜、微梁结构的同时腐蚀各个芯片之间的分片槽是一种避免使用划片机而又能实现分离各个芯片的可行途径。采用深硅腐蚀工艺腐蚀分片槽分离芯片存在的问题是：随着腐蚀的进行，芯片的四个凸角处会发生底切。

4、在微机械加工中，为了获得完美的凸角结构，人们设计了各种凸角补偿图案，如三角形、<110>晶向正方形、<110>晶向叠加正方形、<100>晶向补偿条、<110>晶向简单补偿条、<110>晶向折叠条等。这些补偿图案包围着凸角。在湿法腐蚀过程中腐蚀液按照特定的晶向底切上述凸角补偿图案。当达到设定的腐蚀深度时，腐蚀前沿刚好完成对凸角补偿图案的底切，得到保护完好的凸角结构。然而上述凸角补偿图案需要占用很大面积，如果采用这些补偿图案来实现芯片四角的凸角保护需要设计很宽的分片线，降低了单个硅片上的器件数量，因此不适合腐蚀分片线过程中芯片四角的凸角保护。

技术实现思路

1、本发明的目的在于发明一种腐蚀mems芯片分片槽时芯片四角的凸角保护技术，以减小分片槽宽度，从而增加单个硅片上的器件数量。

2、为了在腐蚀mems芯片分片槽时保护芯片四角的凸角不被腐蚀，可以在四个凸角各叠加一个<110>晶向正方形掩膜，如附图1所示。正方形掩膜的中心在芯片的顶角处，正方形掩膜的补偿深度(即掩膜被完全底切时的纵向腐蚀深度)等于正方形边长的一半。要进行分片而不破坏其上的微结构，硅片的分片槽纵向腐蚀深度一般应大于硅片厚度-50微米。对于常规的4英寸硅片来说，如果其厚度等于400微米，则分片槽深度应大于350微米，分片槽宽度至少大于700微米。为了解决这一问题，可以采用复合掩膜解决这一问题，亦即在正方形掩膜上叠加其他补偿图形，先底切其他补偿图形，然后再底切正方形掩膜。显然，在正方形掩膜上叠加<110>晶向补偿条是可行的技术方案。但是，如附图1所示，正方形补偿图形的凸角a、d、f、g、i、j、l、c处可以设置<110>晶向补偿条进行补偿，而靠近纵向分片槽和横向分片槽中轴线交点中部的凸角b、e、h、k处无法设置足够长的<110>晶向补偿条以保护这四个凸角在长时间的腐蚀过程中不被底切。

3、为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：在芯片凸角(3)处设置<110>品向正方形掩膜(4)，采用2根平行的<110>晶向两端固支梁(5)将正方形掩膜(4)靠近纵向分片槽(1)和横向分片槽(2)中轴线交点的凸角b和e、h和k连接起来，或者将b和h、e和k连接起来，进行凸角补偿。正方形掩膜(4)的其余凸角a、d、f、g、i、j、l、c采用<110>晶向两端固支梁(5)或者<110>晶向补偿条(6)进行凸角补偿，如附图2所示。其中，<110>晶向两端固支梁(5)的两端固支于正方形掩膜(4)的凸角上，<110>晶向补偿条(6)的一端固支于正方形掩膜(4)的凸角上，另一端位于纵向分片槽(1)或横向分片槽(2)中，底切后变成悬臂梁，悬置于正方形掩膜(4)的凸角上。

4、本发明提供的腐蚀分片槽时芯片四角的凸角保护技术，包括以下两个连续的步骤：

5、(1)在腐蚀的第一阶段，腐蚀液底切<110>晶向两端固支梁(5)和<110>晶向补偿条(6)。当纵向腐蚀深度等于b/2λ时<110>晶向两端固支梁(5)被释放。其中b为<110>晶向两端固支梁(5)的宽度，λ为腐蚀液对<110>晶向两端固支梁(5)的横向底切速率与对硅(100)面的纵向腐蚀速率之比。<110>晶向补偿条(6)的长度和宽度取决于<110>晶向两端固支梁(5)被释放时的纵向腐蚀深度，腐蚀液的种类和腐蚀温度。如果设置了<110>晶向补偿条(6)，则当<110>晶向两端固支梁(5)被释放时，<110>晶向补偿条(6)应刚好被释放。

6、(2)在腐蚀的第二阶段，各向异性腐蚀液底切<110>晶向正方形掩膜(4)，与此同时无掩膜腐蚀<110>晶向两端固支梁(5)下面的硅楔(7)，最后留下保护完好的芯片凸角(3)。在此阶段中纵向腐蚀深度等于正方形掩膜(4)的宽度的二分之一。如果设计的(100)面的腐蚀深度是h，则正方形掩膜(4)的宽度应设计为2h-b/λ。

7、本发明设置<110>晶向两端固支梁(5)和<110>晶向补偿条(6)的目的是保护正方形掩膜(4)的凸角在腐蚀的第一阶段不被腐蚀。

8、本发明所涉及的腐蚀mems芯片分片槽时的凸角保护技术具有以下优点：凸角保护图形占用面积小，可减小分片槽宽度，从而增加单个硅片上的器件数量。