CN101590997B - 一种湿法腐蚀制作集成压阻SiO2悬臂梁的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用湿法腐蚀在硅片单面低成本制作集成压阻二氧化硅悬臂梁的方法，属于硅微机械制造技术领域。具体特征是使用四甲基氢氧化铵水溶液通过各向异性腐蚀释放二氧化硅悬臂梁结构，并且使用钛金铬三层复合金属作为引线，与硅压阻形成良好的欧姆接触，同时兼容湿法腐蚀以及后期的化学敏感修饰。本发明的特点是制作工艺成本低廉、节约时间、成品率高、可批量生产且便于和压敏电阻集成。

Description

一种湿法腐蚀制作集成压阻SiO₂悬臂梁的方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅微悬臂梁的制作方法，更确切的说涉及一种使用四甲基氢氧化铵水溶液(TMAH)湿法腐蚀从硅片单面低成本释放悬臂梁结构以及三层金属复合引线与硅压阻形成良好的欧姆接触的方法。属于硅微机械制造技术领域。

背景技术

目前，微机械悬臂梁传感器由于其体积微小、灵敏度高、响应迅速以及适用性强等特点，在生化检测、压力敏感、惯性测量等方面得到了广泛的应用。其中利用应力敏感的二氧化硅微悬臂梁传感器，由于结构简单、灵敏度高、信噪比高、便于在线检测等特点，在化学检测、生物反应、微流控芯片等方面具有广阔的前景。

以往的国内外许多研究者利用微电子制造技术设计制作二氧化硅悬臂梁传感器，但是制作方法比较复杂、成品率比较低、代价也比较昂贵。例如：Hai-Feng Ji等人曾在“Simulation of SiO₂-based piezoresistive microcantilevers(Sensors and Actuators A，Vol 125，pp.526-533，2006)”中提到一种使用深反应离子刻蚀，从硅片背面进行深度刻蚀释放二氧化硅悬臂梁结构。Peng Li等人在“A single-sided micromachined piezoresistive SiO₂ cantilever sensorforultra-sensitive detection of gaseous chemicals(Journal of Micromechanics andMicroengineering，vol 16，pp.2536-3546，2006)”中提到了一种单面加工的工艺使用二氟化氙气体腐蚀制作的二氧化硅悬臂梁。然而由于深反应离子刻蚀工艺代价昂贵、消耗时间长，难以进行批量化的生产。二氟化氙气体刻蚀工艺的均匀性不好导致成品率低。并且，在二氟化氙气体刻蚀过程中，氟离子也会对光刻胶掩膜进行腐蚀，导致其在刻蚀结束后难以去除。此外，氟离子还会通过化学键作用占据悬臂梁表面的金薄膜层，导致在后面传感器化学表面敏感修饰过程中，无法在金薄膜层表面生长单分子自组装层，以至于传感器无法工作。

本发明拟寻找一种代价低廉、节约时间、成品率高、可批量生产而且能集成压阻的二氧化硅悬臂梁的制作工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种湿法腐蚀制作集成压阻SiO₂悬臂梁的方法，所述的制作工艺包括压阻敏感电阻的形成、金属引线的形成、敏感薄膜粘附层的形成和SiO₂悬臂梁的形成和释放等，其特征在于使用四甲基氢氧化铵湿法腐蚀从硅片单面低成本释放悬臂梁结构以及使用三层金属作为引线。

本发明采用的技术方案之一是利用TMAH溶液各向异性腐蚀的特性，以及对于硅和二氧化硅材料的高选择比的特点，实现对于二氧化硅悬臂梁的释放。在80℃时，含异丙醇体积百分比为17％，重量比为25％的TMAH水溶液对于硅<100>晶向和氧化硅的腐蚀速率分别为18μm/h和

选择比达到了5140∶1。由于悬臂梁是沿着<110>晶向的排布的，因此在TMAH溶液中能够快速削角腐蚀。对于本发明中的悬臂梁，2小时左右就可以完成释放，此过程中对于二氧化硅的影响可以忽略不计。

本发明的另一技术方案是，采用钛-金-铬三层复合金属作为引线的结构，避免了普通制造方法中使用的铝引线会被TMAH溶液腐蚀的问题。同时，使用钛可以与p型压阻形成良好的欧姆接触，而无需进行通常工艺中的合金步骤。金导电性优良，能够满足在引线末端制作压焊盘的要求。最上面的一层金属铬引线将下面的两层引线覆盖住，避免其下的金属钛在TMAH水溶液中被腐蚀，提供了良好的保护作用。此外，在利用本二氧化硅悬臂梁进行化学敏感层修饰的过程中，一般会将一根悬臂梁表面蒸发铬金薄膜，作为生长敏感层的粘附层。因此，在复合引线中，位于最上层的铬引线将下面的金引线层覆盖，避免了敏感层在金引线上的生长。

本发明的目的通过以下制作工艺实现：

(1)采用SOI硅片，顶层硅用作制作压阻敏感电阻，其厚度为1.2μm-0.3μm。埋层氧化硅作为悬臂梁的主体，厚度为0.9μm-1.5μm。对顶层硅进行多次氧化减薄，将顶层硅减薄至150～200nm，热氧化形成800～

的氧化层。

(2)光刻，用缓冲的氢氟酸溶液腐蚀氧化硅，形成压阻图形的腐蚀掩膜。去除光刻胶。

(3)在50℃的KOH(氢氧化钾)溶液中腐蚀顶层硅，直至SOI硅片的二氧化硅埋层，在120℃浓硫酸中清洗后，将压阻图形的掩膜用缓冲的氢氟酸溶液腐蚀掉。

(4)再进行干氧氧化，形成500～

致密的氧化层，将压阻图形完全包裹起来以绝缘。

(5)硼离子注入，注入能量45keV，剂量3.5e14cm^-3。然后进行硼主扩，1000℃，氮气保护，30分钟。形成压阻敏感的电阻。

(6)用光刻胶做掩模，光刻出压阻引线孔图形，用缓冲氢氟酸腐蚀掉氧化硅形成引线孔。

(7)在同一腔体中先后溅射钛、金薄膜，厚度分别在

以上。依次光刻腐蚀和去胶，形成钛、金引线。

(8)在步骤7形成的钛-金引线上溅射铬金属薄膜，厚度在

以上，光刻、腐蚀、去胶，形成保护钛金引线的铬引线保护层，铬引线的宽度比下层金属的宽从而进行保护。同时，在铬引线末端腐蚀出打线孔，暴露出铬引线下层的一部分金薄膜，用以后续步骤进行压焊。

(9)光刻并腐蚀氧化硅直至衬底硅，形成氧化硅悬臂梁的形状。

(10)光刻敏感悬臂梁上敏感薄膜粘附层的图形。电子束蒸发300～

铬层和500～

的金层，然后利用lift-off(剥离)工艺形成敏感薄膜粘附层。

(11)在80℃、重量比为25％，不含异丙醇的TMAH水溶液对衬底硅进行各向异性腐蚀，将悬臂梁全部释放。

(12)分片，压焊。

综上所述，利用本发明的方法制作的集成压阻的二氧化硅悬臂梁具有以下优点：

(1)采用TMAH水溶液湿法腐蚀硅进行释放氧化硅悬臂梁，可以进行批量制作悬臂梁，获得均一性良好的悬臂梁，成品率高。

(2)TMAH水溶液湿法腐蚀方法价格低廉、效率高，避免了代价昂贵、耗费时间的化学气体刻蚀以及反应离子刻蚀。由于腐蚀过程中不需要掩膜，避免了以往刻蚀方法结束后带来的去胶困难的问题。同时也简化了制作工艺。

(3)采用了独特的引线制作方法，与本发明提供的TMAH腐蚀技术能够完全兼容，同时能够良好进行压阻信号的传导，也便于与后续PCB电路版焊接。

附图说明

图1为实施例1中集成了压阻敏感电阻的二氧化硅悬臂梁示意图；

图2为实施例1中制作集成压阻二氧化硅悬臂梁的工艺示意图，其中(a)SOI衬底上形成氧化层；(b)压阻敏感电阻的形成；(c)三层金属引线的形成；(d)敏感薄膜粘附层的形成；(e)悬臂梁的释放；

图3为TMAH削角腐蚀以及形成完成释放悬臂梁的SEM照片；

图4是三层金属引线与压阻敏感电阻相连接的伏安特性曲线。

图中：

1——二氧化硅悬臂梁上的压阻；2——氧化硅；3——SOI硅片的二氧化硅埋层；4——顶层硅；5——衬底硅；6——金；7——铬；8——钛9——敏感薄膜粘附层(铬金复合金属层)。

具体实施方式

下面通过具体实施进一步阐述本发明提供的使用四甲基氢氧化铵湿法腐蚀的、使用三层金属作为引线的集成压阻二氧化硅微悬臂梁的制作方法的实质性特点和显著进步。但本发明绝非仅限于实施例。

实施例1

1.在p型(100)晶面SOI(绝缘体上的硅)硅片，将顶层硅减薄至150～200nm，热氧化形成

的氧化层如图2-(a)所示。

2.光刻，用缓冲的氢氟酸溶液腐蚀氧化硅，形成压阻图形的腐蚀掩膜。去除光刻胶。

3.在50℃的KOH(氢氧化钾)溶液中腐蚀顶层硅，直至SOI硅片的二氧化硅埋层。并在120℃浓硫酸中清洗后，将压阻图形的掩膜用缓冲的氢氟酸溶液腐蚀掉。

4.再进行干氧氧化，形成

致密的氧化层，将压阻图形完全包裹起来。

5.硼离子注入，注入能量45keV，剂量3.5e14cm^-3。

6.硼主扩，1000℃，氮气保护，30分钟。如图2-(b)所示。

7.用光刻胶做掩模，光刻出压阻引线孔图形，用缓冲氢氟酸腐蚀掉氧化硅形成引线孔。

8.在同一腔体里面先后溅射钛、金厚度分别为光刻，腐蚀金，形成引线图形，去胶。

9.以金作为掩膜，使用50℃的双氧水腐蚀金属钛，形成引线。

10.溅射金属铬，厚度为

光刻，腐蚀铬，使铬线条覆盖住下面的金和钛引线并留出金压焊盘，去胶。如图2-(c)

11.光刻并腐蚀氧化硅直至衬底硅，形成悬臂梁图形。

12.光刻敏感悬臂梁上敏感薄膜粘附层的图形。

13.电子束蒸发铬

铬层和

金层，利用lift-off(剥离)工艺形成敏感薄膜粘附层。如图2-(d)。

14.在80℃、重量比为25％、不含异丙醇的TMAH水溶液中腐蚀硅，直至悬臂梁完全释放。如图2-(e)。

15.分片，压焊。

通过以上方法制作的二氧化硅微悬臂梁的压阻伏安特性曲线如图4所示，钛金引线与压阻形成了良好的欧姆接触。悬臂梁结构的SEM照片如图3所示。可以看出，悬臂梁释放结构完整，释放均匀性良好，复合引线完好。图中悬臂梁的尺寸为100μm长，25μm宽。

实施例2

在N型(100)晶面SOI硅片上制作，其工艺过程与实施例1雷同。

Claims (8)

1.一种湿法腐蚀制作集成压阻SiO₂悬臂梁的方法，包括压阻敏感电阻的形成，金属引线的形成、敏感薄膜粘附层的形成和悬臂梁的形成和释放，其特征在于使用四甲基氢氧化铵水溶液湿法腐蚀从硅片单面释放悬臂梁和使用钛金铬三层复合金属作为引线，位于最内层的钛与硅压阻形成欧姆接触，金作为中间层，铬位于最外层；

制备步骤为：

(1)采用SOI硅片，顶层硅用于制作压阻敏感电阻，二氧化硅埋层作为悬臂梁的主体，对顶层硅进行多次氧化减薄，然后热氧化形成氧化硅层；

(2)光刻，用缓冲的氢氟酸溶液腐蚀氧化硅，形成压阻图形的腐蚀掩膜并去除光刻胶；

(3)在KOH溶液中腐蚀顶层硅，直至SOI硅片的二氧化硅埋层，在120℃浓硫酸中清洗后，将压阻图形的腐蚀掩膜用缓冲的氢氟酸溶液腐蚀掉；

(4)再进行干氧氧化，形成致密的氧化硅层，将压阻图形完全包裹起来以绝缘；

(5)硼离子注入，然后进行硼主扩，以形成压阻敏感的电阻；

(6)用光刻胶做掩膜，光刻出压阻引线孔图形，用缓冲的氢氟酸溶液腐蚀掉氧化硅形成引线孔；

(7)在同一腔体中先后溅射钛、金薄膜，依次光刻腐蚀和去胶，形成钛-金引线；

(8)在步骤(7)形成的钛-金引线上溅射铬金属薄膜，光刻、腐蚀、去胶，形成保护钛-金引线的铬金属保护层，同时，腐蚀铬金属，使铬金属覆盖住下面的钛-金引线，暴露出铬金属下层的一部分金薄膜，用以后续步骤进行压焊；

(9)光刻并腐蚀二氧化硅埋层直至衬底硅，形成二氧化硅埋层悬臂梁的形状；

(10)光刻敏感悬臂梁上敏感薄膜粘附层的图形，电子束蒸发铬层和金层，再利用剥离工艺形成敏感薄膜粘附层；

(11)在80℃，利用质量比为25％，不含异丙醇的TMAH水溶液对衬底硅进行各向异性腐蚀，将悬臂梁全部释放。

2.按权利要求1所述的湿法腐蚀制作集成压阻SiO₂悬臂梁的方法，其特征在于采用SOI硅片的顶层硅的厚度为0.3～1.2μm，二氧化硅埋层厚度为0.9～1.5μm。

3.按权利要求1或2所述的湿法腐蚀制作集成压阻SiO₂悬臂梁的方法，其特征在于顶层硅减薄至

然后热氧化形成的氧化硅层厚度为

4.按权利要求1所述的湿法腐蚀制作集成压阻SiO₂悬臂梁的方法，其特征在于所述的步骤(4)干氧氧化形成的致密氧化硅层的厚度为

5.按权利要求1所述的湿法腐蚀制作集成压阻SiO₂悬臂梁的方法，其特征在于所述的步骤(5)硼离子注入的能量为4.5kev，剂量为3.5E14cm^-3；硼主扩的工艺条件是氮气保护下，于1000℃温度下持续30分钟。

6.按权利要求1所述的湿法腐蚀制作集成压阻SiO₂悬臂梁的方法，其特征在于步骤(7)先后溅射的钛薄膜厚度和金薄膜厚度分别在

和

以上。

7.按权利要求6所述的湿法腐蚀制作集成压阻SiO₂悬臂梁的方法，其特征在于在步骤(7)形成的钛-金引线上溅射铬金属薄膜，铬金属薄膜的宽度比下层钛-金引线宽，铬金属厚度在

以上。

8.按权利要求1所述的湿法腐蚀制作集成压阻SiO₂悬臂梁的方法，其特征在于形成的敏感薄膜粘附层由铬层和金层组成，其中铬层厚度为

金层厚度为

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