CN101114591A - 压容式传感器基片成腔方法 - Google Patents

Abstract

精度高、费用省、操作简便、质量稳定的压容式传感器基片成腔方法，加工步骤为：①在选取的硅片一面经氧化形成二氧化硅层；②在二氧化硅层上面涂覆光刻胶层，经曝光、显影，形成微结构凹腔Ⅰ其底面物质为二氧化硅；③以光刻胶层为掩膜，用ICP等离子刻蚀技术在所述微结构凹腔Ⅰ内刻蚀二氧化硅层，形成微结构凹腔Ⅱ其底面物质为硅；④去除所述光刻胶层；⑤再次涂覆光刻胶层，经曝光、显影，形成与所述微结构凹腔Ⅱ对应的微结凹腔Ⅲ；⑥以光刻胶层为掩膜，用等离子刻蚀技术在所述微结构凹腔Ⅲ内刻蚀硅片至一深度；⑦去除光刻胶层，得到具有微结构凹腔Ⅳ的基片。本发明适合制作压器式传感器基片。

Description

压容式传感器基片成腔方法

技术领域

本发明涉及微电子机械加工方法，特别是传感器的微机械加工制造方法。

背景技术

压力传感器被广泛应用于过程控制、环境控制和气动设备中。硅微压力传感器则是在微电子技术基础上发展起来的一类新型产品。微电子机械系统(MEMS)在许多方面具有传统机电技术所不具备的优势，包括质量和尺寸普遍减小、可实现大批量生产、低的生产成本和能源消耗、易制成大规模和多模式阵列等。硅微压力传感器通常分为压阻式和压容式，目前大多数硅传感器都属于压阻式传感器，压容式传感器的生产在国内很少见，而在压容式传感器的微机械加工工艺中，一般都采用湿法腐蚀刻蚀空腔，形成硅膜基片。湿法刻蚀是通过使化学溶液与被刻蚀材料产生化学反应而去除被刻蚀物质，达到刻蚀的目的。湿法刻蚀之所以在微电子工艺过程中被广泛采用，是因为其具有低成本，优越的刻蚀选择比等优点；但是由于湿法腐蚀的化学反应是各向同性的，因而位于光刻胶边缘下面的材料就不可避免地遭到腐蚀，这使得湿法腐蚀无法满足亚微米器件工艺对加工精细线条的要求；除此之外所存在的缺陷是：1)需花费较高成本的化学试剂；2)化学药品处理时影响员工的健康与安全；3)光刻胶附着性造成的麻烦；4)化学刻蚀液引起的不均匀性；5)废气及潜在的曝炸性；6)各向同性引起的钻蚀问题。

发明内容

本发明要解决压容式传感器其基片微机械加工成腔采用湿法刻蚀产生的精密度低，成本高，工艺繁琐，成品率低的问题，为此提供本发明的压容式传感器基片成腔方法，用此法对所述基片加工成腔，加工精度高，操作简单，成本低，产品性能稳定，成品率高。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案其特例之处是：

①在选取的硅片一面经氧化形成二氧化硅层；

②在二氧化硅层上面涂覆光刻胶层，经曝光、显影，形成微结构凹腔I其底面物质为二氧化硅；

③以光刻胶层为掩膜，用ICP等离子刻蚀技术在所述微结构凹腔I内刻蚀二氧化硅层，形成微结构凹腔II其底面物质为硅；

④去除光刻胶层；

⑤再次涂覆光刻胶层，经曝光、显影，形成与所述微结构凹腔II对应的微结凹腔III；

⑥以光刻胶层为掩膜，用等离子刻蚀技术在所述微结构凹腔III内刻蚀硅片至一深度；

⑦去除光刻胶层，得到具有微结构凹腔IV的基片。

所述③中的刻蚀二氧化硅层即刻蚀除去二氧化硅层。

所述③中的微结构凹腔II与⑤中的微结构凹腔III相应且相似，其底面物质都是硅即所述硅片层表面，其沿口外围处都覆有光刻胶层；而前者即凹腔II是经等离子刻蚀得到，后者即凹腔III是经光刻得到；由于前者经等离子刻蚀，光刻胶层受到一定程度蚀损，不宜于再次作掩膜继续刻蚀硅片至一深度，故需要再次涂覆光刻胶层并经光刻得到微结构凹腔III。

本发明所述硅片厚度以450～550微米为宜，二氧化硅层厚度以2～2.5微米为宜，所述微结构凹腔I、微结构凹腔II、微结构凹腔III和微结构凹腔IV以圆形凹腔为宜，圆直径为350～450微米，也可以是面积相似的椭圆形凹腔；所述⑥中的深度以1～1.5微米为宜。

所述②、⑤中的光刻胶为正性BP212光刻胶。

所述①中的氧化是在扩散炉里通过干氧—湿氧—干氧方法实现，其中干氧15-20分钟，湿氧8-10小时；

所述③、⑦中的去除光刻胶层是用硫酸和双氧水混合煮10-15分钟去胶。

所述③中的刻蚀二氧化硅层选用CHF3、SF6、O2混合气为刻蚀反应气体，混合气流量为35ml·min^-1，刻蚀压力为0.35帕，射频功率为W1＝300W，W2＝150W；射频电压为U1＝800-900V，U2＝950-1100V；射频电流为I1＝0.4-0.5A，I2＝0.2-0.25A；自偏压为190V-250V；

所述⑥中的刻蚀硅片以SF6作为刻蚀反应气体，气体流量为35ml·min^-1；射频功率为W1＝200W，W2＝100W；射频电流为I1＝0.3-0.4A；，I2＝0.15-0.25A；射频电压为U1＝800-1000V，U2＝850-1000V；自偏压为190V-250V。

所述②、⑤中的光刻显影后，需通过光学显微镜检查凹腔尺寸是否满足要求，以保证产品性能一致性。

本发明由于未采用传统的湿法成腔方法，而采用涂覆光刻胶、光刻显影、等离子刻蚀、去胶、再次涂覆光刻胶、光刻显影、再次等离子刻蚀、去胶等步骤在表面具有二氧化硅层的硅片上形成底面深达硅片至一深度尺寸的凹腔，故凹腔剖面是各向异性而非各向同性，具有非常好的侧壁剖面控制性和宽身比，且具有最小的光刻胶脱落或黏附性.与湿法成腔相比，本发明还具有片内、片间、批次间的刻蚀均匀性，较低的化学药品使用和处理费用，低的器件损伤、高选择比、宽的工艺制造窗口等优点。

附图说明

图1是表面具有二氧化硅层的硅基片示意图；

图2是于二氧化硅层上面涂覆有光刻胶层示意图；

图3是经光刻形成底面物质为二氧化硅的凹腔示意图；

图4是图3平面示意图；

图5是经等离子刻蚀得到底面物质为硅的凹腔示意图；

图6是去胶后示意图；

图7是再次涂覆光刻胶层示意图；

图8是经光刻形成底面物质为硅的凹腔示意图；

图9是经等离子刻蚀得到底面深达硅片至一浓度的凹腔示意图；

图10是去胶后示意图；

图11是凹腔上面覆有硅膜示意图。

具体实施方式

压容式传感器基片成腔方法，采用以下步骤：

①选取厚度500微米的硅片1，经清洗除去表面有机物、过渡金属、碱性离子和颗粒等，在KL45-Φ180型4管扩散炉里通过干氧—湿氧—干氧法制备一层2微米到2.5微米厚的二氧化硅层2，其中干氧15-20分钟，湿氧8-10小时，如图1示；

②在二氧化硅层2上面涂覆正性BP212光刻胶层3a，得到图2所示物，用H94-25G型光刻机光刻，形成直径400微米的圆形微结构凹腔I4a其底面物质为二氧化硅，如图3、图4示；

③以光刻胶层3a为掩膜，用ICP-2B型等离子刻蚀机在所述微结构凹腔I内刻蚀二氧化硅层，形成微结构凹腔II4b其底面物质为硅，如图5示；刻蚀选用CHF₃、SF₆、O₂混合气为刻蚀反应气体，混合气流量为35ml·min^-1，刻蚀压力为0.35帕，射频功率为W1＝300W，W2＝150W；射频电压为U1＝800-900V，U2＝950-1100V；射频电流为：I1＝0.4-0.5A，I2＝0.2-0.25A；自偏压为190V-250V；

④用硫酸和双氧水混合煮10-15分钟去除光刻胶层，得图6所示物；

⑤再次涂覆正性BP212光刻胶层3b得图7所示物，用光刻机经曝光、显影，形成与所述微结构凹腔II对应的微结凹腔III4c，如图8示；

⑥以光刻胶层3b为掩膜，用ICP-2B型等离子刻蚀机在所述微结构凹腔III内刻蚀硅片至1～1.5微米深度，得图9所示物；刻蚀硅片以SF6作为刻蚀反应气体，气体流量为35ml·min^-1；射频功率为W1＝200W，W2＝100W；射频电流为I1＝0.3-0.4A；，I2＝0.15-0.25A；射频电压为U1＝800-1000V，U2＝850-1000V；自偏压为190V-250V；

⑦用硫酸和双氧水混合煮10-15分钟去除光刻胶层3b，得到具有微结构凹腔IV4d的基片，如图10示，完成本发明。

在上述基片上覆合硅膜5，得到具有电容性能的压容式传感器半成品。

Claims (4)

1.压容式传感器基片成腔方法，其特征是：

①在选取的硅片(1)一面经氧化形成二氧化硅层(2)；

②在二氧化硅层(2)上面涂覆光刻胶层(3a)，经曝光、显影，形成微结构凹腔I(4a)其底面物质为二氧化硅；

③以光刻胶层(3a)为掩膜，用ICP等离子刻蚀技术在所述微结构凹腔I内刻蚀二氧化硅层，形成微结构凹腔II(4b)其底面物质为硅；

④去除所述光刻胶层；

⑤再次涂覆光刻胶层(3b)，经曝光、显影，形成与所述微结构凹腔II对应的微结凹腔III(4c)；

⑥以光刻胶层(3b)为掩膜，用等离子刻蚀技术在所述微结构凹腔III内刻蚀硅片(1)至一深度；

⑦去除光刻胶层(3b)，得到具有微结构凹腔IV(4d)的基片。

2.如权利要求1所述的压容式传感器基片成腔方法，其特征是：所述硅片(1)厚度为450～550微米，二氧化硅层(2)厚度为2～2.5微米，所述微结构凹腔I、微结构凹腔II、微结构凹腔III和微结构凹腔IV为圆形凹腔，圆直径为350～450微米；所述⑥中的深度为1～1.5微米。

3.如权利要求1或2所述的压容式传感器基片成腔方法，其特征是所述②、⑤中的光刻胶为正性BP212光刻胶。

4.如权利要求3所述的压容式传感器基片成腔方法，其特征是所述①中的氧化是在扩散炉里通过干氧-湿氧-干氧方法实现，其中干氧15-20分钟，湿氧8-10小时；

所述③、⑦中的去除光刻胶层是用硫酸和双氧水混合煮10-15分钟去胶。

所述③中的刻蚀二氧化硅层选用CHF3、SF6、O2混合气为刻蚀反应气体，混合气流量为35ml·min^-1，刻蚀压力为0.35帕，射频功率为W1＝300W，W2＝150W；射频电压为U1＝800-900V，U2＝950-1100V；射频电流为I1＝0.4-0.5A，I2＝0.2-0.25A；自偏压为190V-250V；

所述⑥中的刻蚀硅片以SF6作为刻蚀反应气体，气体流量为35ml·min^-1；射频功率为W1＝200W，W2＝100W；射频电流为I1＝0.3-0.4A；，I2＝0.15-0.25A；射频电压为U1＝800-1000V，U2＝850-1000V；自偏压为190V-250V。

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