CN101054158A - 一种硅微通道结构的自分离制作方法 - Google Patents

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陈晓明
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Abstract

本发明公开了一种硅微通道结构的自分离制作方法，其步骤包括：1.预处理；2.电化学过程；3.剥离，具体为：a.氧化/淀积掩膜；b.光刻；c.氢氧化钾腐蚀；d.去除掩膜；e.电化学深刻；f.微通道板剥离。利用本发明所阐述的制作方法制作出的大孔硅微通道，可具有易得高深宽比，容易分离等优点。

Description

一种硅微通道结构的自分离制作方法
技术领域
本发明涉及一种硅微通道结构的自分离制作方法，具体涉及一种制作高深宽比的硅微通道方法，属于微机电系统技术(MEMS)领域。
背景技术
在微流体、微通道以及三维集成电路等方面的器件制造中，常需要制作晶片的深孔结构。因此，如何获得陡直的深孔结构成为微机电工艺中的焦点之一。为了获得比较陡直的结构，现有技术一般有以下几种：
一、干法工艺(深反应离子刻蚀等)。这些方法在制作诸如陀螺，加速度传感器等力学量的传感器取得了成功。但是仍存在诸多缺陷，比如：1、深反应离子刻蚀设备非常昂贵，其维护和使用的费用也非常高；2、由于掩膜层等诸多因素的限制，深宽比要想突破50已经是非常困难。最近，随着感应耦合等离子体刻蚀技术的进步，极限深宽比已经可以达到60以上，但设备以及运行成本非常高，工艺控制也非常苛刻。
二、湿法深刻蚀技术(又称宏多孔硅macroporous silicon)。它的工作原理是利用多孔硅的阳极氧化主要由空穴参与这一特点，利用MEMS工艺，通过掩膜，定义阱或孔的位置，利用硅的各向异性腐蚀，形成倒金字塔形凹坑，由于尖端放电的原因，凹坑的底部是空穴密度最高的地方，因而也是腐蚀最容易发生的地方，空穴可以利用光照或电注入等手段产生。通过该方法可以达到控制孔沿衬底的定向腐蚀。与DRIE技术相比，该方法在设备投资、使用的灵活性和运行费用上都有很大的提高，并可以达到很高的深宽比。但是，当所需要的孔的尺寸较大时，太大的腐蚀电流将会破坏原来设计的结构。
以前制作硅的微通道结构，通常需要两部分工艺，一步为正面微通道的刻蚀，而另外一步必须考虑背面的腐蚀，才可以获得上下贯通的微通道。由于背面减薄时，背面极易遭到破坏，使得过程控制非常复杂。本发明通过对制作过程(腐蚀液，电化学过程等因素)进行改进，使得在完成阳极氧化过程后，微通道板结构可以自动从原来的硅片上分离下来。
发明内容
本发明提供一种硅微通道板的自分离制作方法，以解决现有技术在背面减薄工艺中，容易破坏背面的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
利用光刻的办法，先定义孔的位置，再进行预腐蚀，当孔呈倒金字塔结构时停止腐蚀；随后进行电化学深刻蚀，沿着的四个倒金字塔顶角向下刻蚀一定深度，形成小孔的微通道结构；由于微通道板和硅衬底存在应力，可以将微通道板从硅衬底上剥离下来，从而获得大孔硅微通道结构。
其具体制作步骤为：
1、预处理
即为电化学刻蚀定义起始点，包括
(1)选取于(100)晶向成斜7度的p型硅片；
(2)表面氧化或淀积掩膜；
(3)光刻定义硅片孔的位置；
(4)取出清洗，去除掩膜，使用缓冲氢氟酸(BOE)，在37℃的条件下腐蚀1～5分钟，再使用氢氧化钾(KOH，浓度温度40wt％@80℃)或四甲基氢氧化胺(TMAH浓度温度25wt％@85℃)溶液预腐蚀处理1～3分钟，形成倒金字塔结构时，停止腐蚀，用去离子水冲洗硅片并烘干。
2、电化学过程
即在需要刻蚀的结构四周形成深槽结构，它包括：
将已形成倒金字塔结构的p型硅进行阳极氧化。阳极氧化溶液：用40％的氢氟酸(HF)和水配成1mol/l～6mol/l的溶液，再和四甲基甲酰胺(DMF)按1∶1的比例混和，加入活性剂后，加入盐酸(HCl)，调节PH到1～4，其阳极氧化电流控制在0.5mA～10mA/cm2之间，腐蚀在0℃～25℃温度之间进行，腐蚀2～20小时，腐蚀的平均速率为15～40μm/h，使腐蚀沿着倒金字塔的四个顶角向下刻蚀一定深度，形成小孔的微通道结构。
3、剥离
在上述工艺过程结束时采用大电流冲击，然后使用去离子水缓慢冲洗，可以实现微通道层的直接脱离浮起。由于微通道板的特殊结构和微通道板与硅衬底之间的应力，可以将微通道板从硅衬底上剥离下来。
自剥离的另一种方式是将载有腐蚀结构的硅片放到热台(大于等于110℃)进行短暂加热，再缓慢用去离子水冲洗分离。
步骤1中所述的掩模，可选用不同的方法形成：可采用热氧化形成SiO2作为掩模，也可用LPCVD形成SiO2作为掩模。
在电化学刻蚀过程中，为了使背面具有良好的导电性，容易与背面电极形成欧姆接触，背面可先通过扩散或离子注入的办法来降低电阻率，均匀阳极氧化电流。
在电化学刻蚀过程中，电化学刻蚀中背面的接触还可以通过导电溶液与硅片的接触来达到均匀接触的目的。
在电化学刻蚀过程中，通过改变背面的光照强度来保证电流的恒定。
利用本发明所阐述的制作方法制作出的大孔硅微通道，可具有易得高深宽比，容易分离等优点。
附图说明
图1为本发明的制作工艺流程图；
图中：a氧化/淀积掩膜，b光刻，c氢氧化钾腐蚀，d去除掩膜，e电化学深刻，f微通道板剥离
图2为硅的电化学深刻蚀装置示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明做进一步说明。
实施例1，制作微光夜视图像增强器用硅微通道板：
1、选取于(100)晶向成斜7度的p型硅片，电阻率2～5欧姆/厘米；
2、采用热氧化形成二氧化硅(sio2)作为掩模；
3、光刻定义好窗口(3μm×3μm)阵列后，取出清洗；再使用四甲基氢氧化铵(TMAH 25wt％@80℃)处理1分钟；
4、使用缓冲氢氟酸(BOE)，在37℃的条件下腐蚀2分钟；
5、用去离子水冲洗烘干，再用40％的HF和水配成4mol/l的溶液，再和四甲基甲酰胺(DMF)按1∶1的比例混和，加入活性剂后，加入盐酸(HCl)，调节PH到2，所得的混合溶液作为阳极氧化溶液，对经过处理后的硅片进行阳极氧化，阳极氧化在20℃中进行，腐蚀15小时；
6、将微通道板和硅衬底分离得到250μm深4μm宽的大孔的硅微通道结构；
7、将微通道结构采用标准氧化工艺在1000 C氧化；
8、通过熔融方法(将在另外专利中叙述)利用石英环形成实体边；
9、淀积多晶硅，扩磷，形成微光夜视探测器芯片。
实施例2：制作微生物过滤器用微通道结构：
1、选取于(100)晶向的p型硅片，电阻率2～5欧姆/厘米；
2、采用LPCVD低应力二氧化硅(SiO2)作为掩模；
3、光刻定义好窗口(3μm×3μm)阵列后，取出清洗；再使用KOH(40wt％@80℃)处理3分钟；
4、使用缓冲氢氟酸(BOE)，在37℃的条件下腐蚀2分钟
5、用去离子水冲洗烘干，再用40％的HF和水配成2mol/l的溶液，再和四甲基甲酰胺(DMF)按1∶1的比例混和，加入活性剂后，加入盐酸(HCl)，调节PH到4，所得的混合溶液作为阳极氧化溶液，对经过处理后的硅片进行阳极氧化，阳极氧化在20℃中进行，其腐蚀的平均速率为28μm/h；腐蚀8小时；
6、将微通道板和硅衬底分离得到150μm深4μm宽的大孔的硅微通道结构。
7、通过粘结方法形成实体框架结构。这样具有特定功能的过滤器制作成功。

Claims (6)

1、一种硅微通道结构的自分离制作方法，其具体步骤为：
1)预处理
即为电化学刻蚀定义起始点，包括
(a)选取于(100)晶向成斜7度的p型硅片
(b)表面氧化或淀积掩膜；
(c)光刻定义硅片孔的位置；
(d)取出清洗，去除掩膜，使用缓冲氢氟酸，在37℃的条件下腐蚀1～5分钟，再使用浓度温度为40wt％@80℃的氢氧化钾或浓度温度为25wt％@80℃的四甲基氢氧化胺溶液预腐蚀处理1～3分钟，形成倒金字塔结构时，停止腐蚀，用去离子水冲洗硅片并烘干；
2)电化学过程
即在需要刻蚀的结构四周形成深槽结构，它包括：
将已形成倒金字塔结构的p型硅进行阳极氧化。阳极氧化溶液：用40％的氢氟酸和水配成1mol/l～6mol/l的溶液，再和四甲基甲酰胺按1∶1的比例混和，加入活性剂后，加入盐酸，调节PH到1～4，其阳极氧化电流控制在0.5mA～10mA/cm2之间，腐蚀在0℃～25℃温度之间进行，腐蚀2～20小时，腐蚀的平均速率为15～40μm/h，使腐蚀沿着倒金字塔的四个顶角向下刻蚀一定深度，形成小孔的微通道结构。
3)剥离
在上述工艺过程结束时采用大电流冲击，然后使用去离子水缓慢冲洗，可以实现微通道层的直接脱离浮起。
2、根据权利要求1所述的一种硅微通道结构的自分离制作方法，其特征在于：步骤1)中所述的掩模，选自两种不同的方法制得：采用热氧化形成SiO2作为掩模或用LPCVD形成SiO2作为掩模。
3、根据权利要求1所述的一种硅微通道结构的自分离制作方法，其特征在于：步骤2)中，背面通过扩散或离子注入的办法来降低电阻率，均匀阳极氧化电流。
4、根据权利要求1所述的一种硅微通道结构的自分离制作方法，其特征在于：步骤2)中，电化学刻蚀中背面的接触通过导电溶液与硅片的接触来达到均匀接触的目的。
5、根据权利要求1所述的一种硅微通道结构的自分离制作方法，其特征在于：步骤2)中，通过改变背面的光照强度来保证电流的恒定。
6、根据权利要求1所述的一种硅微通道结构的自分离制作方法，其特征在于：步骤3)中的自剥离方式还可以是将载有腐蚀结构的硅片放到大于等于110℃的热台上进行短暂加热，再缓慢用去离子水冲洗分离。
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