CN101817497B

CN101817497B - 一种用于微结构制造的全干法刻蚀硅溶片制备方法

Info

Publication number: CN101817497B
Application number: CN 201010185118
Authority: CN
Inventors: 施志贵; 席仕伟; 张茜梅; 刘娟; 王亚军
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: CN101817497A

Abstract

本发明公开了一种用于微结构制造的全干法刻蚀硅溶片制备方法，属于微电子机械系统（MEMS）加工技术领域。本发明的制备方法采用以下加工步骤：（a）玻璃电极制备；（b）硅台阶和微结构制备；（c）玻璃-硅静电键合和硼硅玻璃划槽；（d）硅溶片处理；制得所需的产品。本发明的制备方法使用SOI硅片，利用全干法刻蚀工艺实现微结构制造。本发明具有可动硅结构层较厚、残余应力小、无“液体桥”粘连、环保无毒害等特点，可应用于微惯性器件、光学器件、微波器件、压力传感器件等多种MEMS器件制造。

Description

一种用于微结构制造的全干法刻蚀硅溶片制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）加工技术领域，尤其涉及一种用于微结构制造的全干法刻蚀硅溶片工艺，特别适用于微惯性器件、光学器件、微波器件、压力传感器件等多种MEMS器件制造。

背景技术

微电子机械系统（MEMS）技术是受集成电路工艺的启发发展起来的，它具有集成电路系统的许多优点，同时又集约了多种学科发展的尖端成果。MEMS把信息的获取、处理和执行集成在一起，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平，它将对21世纪的科学技术和生产方式产生深远影响，因而被认为是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的关键技术。

目前，MEMS制造技术分为体加工工艺、表面加工工艺和LIGA工艺三种。重掺杂自停止硅溶片工艺是一种重要的体加工工艺，它是先在浓硼扩散硅片上用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）技术刻蚀出键合台面和可动硅结构图形，然后倒扣与玻璃基片阳极键合，最后用乙二胺-邻苯二酚-水（简称EPW）等各向异性腐蚀剂腐蚀掉背面未重掺杂的硅，从而释放可动硅结构。该方法具有工艺简单、分布电容小等优点，但它存在以下缺点：

（a）由于采用浓硼扩散技术制备结构层，使得结构层厚度小于40微米，且应力较大，阻碍了器件性能的进一步提高。

（b）易于发生“液体桥”粘连，即最后使用去离子水或甲醇的毛细引力将硅可动结构拉向玻璃极板，液体蒸发后，范德瓦耳斯力会把两个表面紧贴在一起的现象，从而造成MEMS器件失效，尤其是垂直运动的器件。

（c）使用有毒的EPW化学药品，由此产生大量废液，不利于安全操作和环境保护。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于微结构制造的全干法刻蚀硅溶片制备方法。采用本发明制造的MEMS器件由硼硅玻璃和硅构成，硼硅玻璃上制备金属电极，用于实现机械结构之间的电学互连，硅作为机械结构固定在玻璃上。

本发明的用于微结构制造的全干法刻蚀硅溶片制备方法，依次包含以下加工步骤：

（1）玻璃电极制备

首先在硼硅玻璃片上用光刻工艺制备出电极形状的光刻胶掩膜；然后用腐蚀液对硼硅玻璃进行腐蚀；再用磁控溅射工艺在腐蚀过的硼硅玻璃上沉积金属薄膜层；最后用丙酮溶液浸泡并辅助超声波清洗去除硼硅玻璃片上光刻胶掩膜，从而在玻璃上制备出所需的电极图形。

（2）硅台阶和微结构制备

首先在一种具有“顶层硅/二氧化硅埋层/衬底硅”三层结构的半导体材料（简称SOI）的顶层硅表面上，用光刻工艺制备出用于键合的硅台阶形状的光刻胶掩模；再用ICP工艺刻蚀出硅台阶，然后对硅台阶表面进行磷扩散掺杂形成欧姆接触；接着用光刻工艺在SOI的顶层硅表面上再制备出微结构形状的光刻胶掩模，然后用ICP工艺刻蚀出所需的微结构，刻蚀深度直至SOI的二氧化硅埋层。

（3）玻璃-硅静电键合和硼硅玻璃划槽

将硼硅玻璃有金属电极的一面与SOI有硅台阶的一面对准并贴紧，用静电键合工艺将硼硅玻璃和SOI片键合成玻璃-硅结构；然后用砂轮划片机在硼硅玻璃划槽。

（4）硅片溶片处理

用ICP工艺除去硼硅玻璃-硅片结构背面的衬底硅；用反应离子刻蚀（RIE）工艺去除二氧化硅埋层；将已有划痕的硼硅玻璃-硅结构分割成管芯，器件成型。

本发明的制备方法通过采用SOI片的顶层硅作为可动结构，无需进行长时间高温浓硼掺杂，因此其残余应力较小，而且可动硅结构的厚度是在SOI片制备时根据设计要求精确定义的，只受ICP工艺的深宽比限制，可达100微米以上，有利于提高器件的电气性能。另外，本发明采用全干法刻蚀工艺实现MEMS可动结构制造，避免了“液体桥”粘连问题，能够显著提高MEMS器件成品率和可靠性。本发明不涉及有毒化学试剂，不存在安全和环境污染问题。

附图说明

图1为用于微结构制造的全干法刻蚀硅溶片制备方法中采用的SOI材料的纵向结构示意图。

图2为本发明的用于微结构制造的全干法刻蚀硅溶片制备方法步骤中对应加工材料的结构示意图。其中，

(a)为硼硅玻璃片表面光刻及腐蚀后的结构示意图；

(b)为磁控溅射金属薄膜层后的结构示意图；

(c)为去除了光刻胶后形成的金属电极结构示意图；

(d)为光刻和ICP刻蚀后形成的硅台阶结构示意图；

(e)为光刻和ICP刻蚀后形成的微结构示意图；

(f)为硼硅玻璃-硅静电键合后的结构示意图；

(g)为ICP刻蚀去除硅，RIE刻蚀去除二氧化硅形成微结构的示意图。

具体实施方式

（1）金属电极制备

参照图2的（a）、（b）、（c），首先在直径为100毫米、厚度500微米的硼硅玻璃4上，采用商用涂胶机、光刻机和显影机用光刻工艺制备出电极5形状的光刻胶掩膜；然后用氟化氨水溶液和氢氟酸溶液按体积比5:1配制的腐蚀液，在40摄氏度条件下对硼硅玻璃进行腐蚀，腐蚀深度约1000埃；再用商用的磁控溅射台依次在硼硅玻璃4表面由下至上依次溅射钛、铂、金层，厚度分别为400埃、900埃和300埃；最后用丙酮浸泡，并用商用的超声波清洗机去除硼硅玻璃片4上的光刻胶，获得电极5。

（2）硅台阶和微结构制备

参照图2的（d）、（e），使用直径为100毫米的SOI片，其顶层硅1的厚度100微米，二氧化硅埋层2的厚度为1微米，热生长于衬底硅3上，衬底硅3的厚度为300微米。首先在顶层硅1上采用商用涂胶机、光刻机和显影机用光刻工艺制备出用于键合的硅台阶6形状的光刻胶掩模，再用商用的ICP设备和工艺刻蚀出硅台阶6，台阶高度为3微米；然后用商用的高温扩散炉，采用五氧化二磷固态源，在1040℃温度条件下对硅台阶6表面进行60分钟的扩散掺杂以形成欧姆接触。在SOI的顶层硅1上采用商用涂胶机、光刻机和显影机用光刻工艺制备出可动硅结构7形状的光刻胶掩模，再用商用的ICP设备和工艺刻蚀出可动硅结构7，刻蚀深度直至SOI的二氧化硅埋层2。

（3）玻璃-硅静电键合和硼硅玻璃划槽

参照图2的（f），采用商用的键合机将硼硅玻璃4和SOI片键合成硼硅玻璃-硅结构，电极5与硅台阶6键合；采用商用的砂轮划片机划槽，划槽深度300微米到350微米之间。

（4）硅片溶片处理

参照图2的（g），首先采用商用ICP设备和工艺去除硼硅玻璃-硅结构的背面衬底硅3；然后用商用的RIE去除二氧化硅埋层2；最后将已有划痕的硼硅玻璃-硅结构分割成管芯，器件成型。

Claims

1.一种用于微结构制造的全干法刻蚀硅溶片制备方法，依次包含以下加工步骤：

（a）玻璃电极制备

依次为硼硅玻璃（4）表面进行光刻、硼硅玻璃腐蚀、磁控溅射、用丙酮并辅助超声波清洗去除光刻胶，获得电极（5）；所述的磁控溅射是指在硼硅玻璃（4）表面由下至上依次磁控溅射总厚度为1500埃到2500埃的钛、铂、金层；

（b）硅台阶和微结构制备

依次为在SOI片的顶层硅（1）上光刻，并用ICP刻蚀出硅台阶（6），台阶高度2微米到5微米之间；用高温扩散炉对硅台阶表面进行磷掺杂；在SOI的顶层硅（1）上光刻，并用ICP刻蚀出可动硅结构（7），直至SOI的二氧化硅埋层（2）；

（c）玻璃-硅静电键合和硼硅玻璃划槽

依次为硼硅玻璃（4）和SOI片静电键合，其中电极（5）与硅台阶（6）键合；用砂轮划片机将硼硅玻璃片（4）划槽，深度300微米到350微米之间；

（d）硅溶片处理

依次用ICP去除衬底硅（3），用RIE去除二氧化硅埋层（2），将已有划痕的硼硅玻璃-硅结构分割成管芯，器件成型。