CN101559915A

CN101559915A - 一种制备mems器件的牺牲层工艺方法

Info

Publication number: CN101559915A
Application number: CNA2008100460828A
Authority: CN
Inventors: 蒋亚东; 王涛; 陈超; 吴志明
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2009-10-21

Abstract

一种制备MEMS器件的牺牲层工艺方法，属于微机械加工技术领域，涉及MEMS器件和集成电路工艺，尤其涉及制备MEMS器件的牺牲层工艺。本发明首先采用相同的牺牲层沉积工艺条件，在衬底(1)的正反两面沉积相同厚度和材质的第一牺牲层(2)和第二牺牲层(3)；然后待牺牲层固化后在第一牺牲层(2)的表面制备MEMS器件的结构层(4)；最后在完成MEMS器件的结构层(4)的制备后，在相同的腐蚀工艺下去除第一牺牲层(2)和第二牺牲层(3)。本发明通过在衬底的正反两面双向生长牺牲层材料和同时腐蚀去除牺牲层，能最大限度的抵消牺牲层自身生长、固化过程中引起的应力和形变，因而能够保证MEMS器件的衬底平整和结构层平整，从而有利于提高MEMS器件的性能和稳定性。

Description

一种制备MEMS器件的牺牲层工艺方法

技术领域

一种制备MEMS器件的牺牲层工艺方法，属于微机械加工技术领域，涉及MEMS器件和集成电路工艺，尤其涉及制备MEMS器件的牺牲层工艺。

背景技术

微机电系统(MEMS)全称为Micro Electro Mechanical System，是一个以探索微小世界为目标，以微小为特征，多学科、多领域交叉的新兴学科，主要研究微型机电装置，包括微传感器、微致动器等。MEMS工艺由集成电路工艺发展而来，然而却突破了集成电路的表面加工工艺，实现了体加工工艺，可实现各种各样的微结构。MEMS制造工艺主要包括清洗、氧化、扩散、光刻、腐蚀、气相沉积、封装等。最早开始从事MEMS研究的国家是美国，其次是日本和德国。目前，MEMS的研究已从基础研究领域进入开发使用阶段，MEMS的应用研究对象主要包括微构件、微传感器、微执行器、专用MEMS器件及系统等。这些研究成果的应用领域很广，涉及到信息通讯、汽车工业、生物医学和航空航天等。因此MEMS技术有着广泛的应用前景。

MEMS制造工艺是MEMS的核心技术，也是MEMS研究领域中最为活跃的部分，其加工手段包括电子束、离子束、光子束、原子束、分子束、等离子、超声波、微波、化学和电化学等。

在以美国为代表的硅基MEMS技术中，它是利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。这种方法可与传统的IC工艺兼容，并适合廉价批量生产，已成为目前的硅基MEMS技术主流。其中最为主要的工艺是：各向异性腐蚀技术、固相键合技术和表面牺牲层技术。

表面牺牲层技术是在20世纪80年代由美国加州大学Berkeley分校开发出来的，它以硅片为基体，利用微电子加工技术中的氧化、淀积、光刻、腐蚀等工艺，在硅片表面上形成多层薄膜图形，然后把下面的牺牲层腐蚀掉，以保留上面的微结构图形。表面牺牲层技术与集成电路技术最为相似，最大的优点是容易将机械结构与处理电路批量集成制造。薄膜层材料常用多晶硅、氧化硅、氮化硅、玻璃和金属等，为微结构器件提供敏感元件、电接触线、结构层、掩模。牺牲层常用SiO₂，做在淀积和光刻形成图形的结构层下面，可用湿法腐蚀除去，使结构层与基底隔开。

表面牺牲层技术是在硅片上用连续淀积结构层、牺牲层和光刻的工艺来制作微机械结构的，硅片本身并不被刻蚀，因而是一种平面加工或准三维加工工艺，适用于制作厚度几至十几微米和深宽比为几至十几的微机械结构。使用该技术可以制作可活动构件如转子、齿轮等，还可以制造多种谐振式、电容式、应变式传感器和静电式、电磁式执行器。

最初MEMS器件制备中的牺牲层工艺方法，常用的牺牲层材料是SiO₂。近年来，随着牺牲层工艺方法的发展，人们发现有些有机高分子材料(如：聚酰亚胺)因其耐高温、绝缘性好、化学性质稳定等优点而被作为牺牲层材料得到广泛应用。采用有机高分子材料为牺牲层材料的制备MEMS器件的牺牲层工艺方法，其技术方案要点包括以下步骤：步骤1、在衬底正面淀积有机高分子材料牺牲层；步骤2、待步骤1所沉积的有机高分子材料牺牲层固化后在牺牲层表面制备MEMS器件的结构层；3、利用光刻腐蚀工艺去除牺牲层。因为有机高分子材料牺牲层的厚度相较于结构层的厚度而言要大得多，其沉积和固化过程会产生较大的收缩而产生应力。以聚酰亚胺为例，它在固化后其纵向会产生40％左右的收缩，而横向可认为几乎没有变化。因为牺牲层材料在固化过程中将产生较大的张应力，从而发生形变，使得表面不再平整，并可能会引起衬底也产生相应的形变，如图-1所示，最终使得在其基础上生长的结构层也有因此而产生较大的应力和形变，影响器件性能。这种因牺牲层自身固有变化而产生的应力和形变是我们所不希望的，因此在工艺过程中应想办法去除。

发明内容

本发明提供一种制备MEMS器件的牺牲层工艺方法，通过在衬底的正反两面双向生长牺牲层材料和同时腐蚀去除牺牲层，能最大限度的抵消牺牲层自身生长、固化过程中引起的应力和形变，因而能够保证衬底平整和结构层平整。

本发明的详细技术方案为：

一种制备MEMS器件的牺牲层工艺方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、采用相同的牺牲层沉积工艺条件，在衬底1的正反两面沉积相同厚度和材质的第一牺牲层2和第二牺牲层3；

步骤2、待步骤1所沉积的牺牲层固化后在第一牺牲层2的表面制备MEMS器件的结构层4；

步骤3、完成MEMS器件的结构层4的制备后，在相同的腐蚀工艺下去除第一牺牲层2和第二牺牲层3。

上述方案中，步骤1中所述牺牲层2和3的材料是耐高温性能、绝缘性能和化学性质稳定性能满足制备相应MEMS器件的有机高分子材料，如聚酰亚胺等有机高分子材料。

本发明的有益效果在于：

1、在衬底的正反两面均生长牺牲层材料，最大程度抵消了牺牲层固化过程中因收缩而引起的应力，保证了衬底和结构层的平整；

2、由于衬底和牺牲层均保证平整，使得后续结构层的制作不受外部过大应力的影响，有利于提高器件性能；

3、当牺牲层存在时，它没有对衬底和结构层引起额外应力和形变作用，因此在牺牲层去除后，衬底和结构层不会出现明显的应力和形变，保证了器件性能的稳定。

附图说明

图1是常用的制备MEMS器件的牺牲层工艺方法示意图。

其中1是衬底，2是牺牲层，4是结构层。

图2是本发明所述的制备MEMS器件的牺牲层工艺方法的流程示意图。

其中1是衬底，2是第一牺牲层，3是第二牺牲层，4是结构层。

具体实施方式

本发明技术方案的核心思想是在衬底两面采用相同的牺牲层沉积工艺条件沉积相同厚度和材质的第一牺牲层2和第二牺牲层3；在牺牲层的腐蚀过程中采用相同的腐蚀工艺条件去除第一牺牲层2和第二牺牲层3。本发明申请保护的技术方案应该是所有包含了上述核心思想的制备MEMS器件的牺牲层工艺方法。本发明在具体实施过程中，结合同领域技术人员的现有知识，具体的实施方式还有很多，比如：1、在沉积第一牺牲层2和第二牺牲层3之前，可以对衬底进行绝缘化和平坦化处理；2、采取各种适合沉积牺牲层材料的薄膜沉积工艺，如：涂覆、蒸发、溅射等等；3、采取各种适合去除牺牲层材料的腐蚀工艺，如：化学腐蚀、等离子去胶等等。甚至，本发明也不排斥在第二牺牲层表面同时制作另外的MEMS器件所需的结构层。上述可能的各种具体实施方式均应当在本发明申请保护的范围之内。

Claims

1.、一种制备MEMS器件的牺牲层工艺方法，包括以下步骤：

步骤1、采用相同的牺牲层沉积工艺条件，在衬底(1)的正反两面沉积相同厚度和材质的第一牺牲层(2)和第二牺牲层(3)；

步骤2、待步骤1所沉积的牺牲层固化后在第一牺牲层(2)的表面制备MEMS器件的结构层(4)；

步骤3、完成MEMS器件的结构层(4)的制备后，在相同的腐蚀工艺下去除第一牺牲层(2)和第二牺牲层(3)。

2、根据权利要求1所述的制备MEMS器件的牺牲层工艺方法，其特征在于，步骤1中所述牺牲层(2、3)的材料是耐高温性能、绝缘性能和化学性质稳定性能满足制备相应MEMS器件的有机高分子材料。

3、根据权利要求2所述的制备MEMS器件的牺牲层工艺方法，其特征在于，所述有机高分子材料是聚酰亚胺。