CN101985348B - 一种由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构，该微米尺度网格结构由外部边框(1)和网格区域(2)构成；该外部边框(1)为矩形，该网格区域(2)中包含有网孔(3)，该网孔(3)重复平铺于网格区域(2)所在的空间平面。本发明同时公开了一种制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法。利用本发明，可以解决传感器或执行器的大形变要求与牺牲层厚度限制的矛盾，也可以满足部分光学传感器对于背面透光的特殊要求。

Description

一种由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的制作方法
技术领域
本发明涉及微电子机械系统(MEMS)，尤其涉及一种由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的制作方法。
背景技术
微电子机械系统(MEMS)是在集成电路工艺的基础上发展起来多学科交叉的新型学科，涉及微电子学、机械学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。
随着科学技术的发展，人类对阵列化感知和阵列化操作的需求日渐高涨。阵列化传感器可以使一个芯片同时对多种信息进行感知或者对同一种信息的空间分布情况进行感知。阵列化执行器可以同时并行的进行微观操作，使人类对微观世界的加工效率有效的提高。
而现有的MEMS阵列化传感器与执行器都存在着受到衬底与探测单元的间距限制的问题。首先，间距限制了传感器或执行器的可动部分的动作空间；其次，对于工作在低真空下的温度传感器来说，间距的大小直接影响到器件的响应灵敏度与真空需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决所面临的这些问题，本发明提供了一种由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的制作方法，将阵列化的传感器或探测器制作在此种硅材料框架上可以有效地解决之前所提到的各种问题，并且这种结构在生物化学领域可以当作细胞筛使用。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，该方法包括：
步骤1、在单晶硅片上表面刻蚀沟槽；
步骤2、在硅片正面淀积并在沟槽内填充材料；
步骤3、对硅片正面进行平坦化工艺；
步骤4、刻蚀硅片正面薄膜层；
步骤5、从背面腐蚀单晶硅，直到露出沟槽中的填充材料后终止；
步骤6、从正面干法腐蚀剩余暴露出的单晶硅薄膜，构成网格结构；
步骤7、腐蚀掉框架上残留的薄膜层；
步骤8、在网格框架上淀积所需要的薄膜材料，得到由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构。
上述方案中，步骤1中所述单晶硅片为<100>晶向的p型或n型硅片。
上述方案中，步骤1中所述在单晶硅片上表面刻蚀沟槽是采用二氧化硅作为掩蔽层，使用反应离子刻蚀RIE设备或者感应耦合等离子刻蚀ICP设备通过各向异性干法深硅刻蚀实现的，刻蚀完成后采用HF或其缓冲溶液BOE腐蚀掉掩蔽层。
上述方案中，步骤2中所述在硅片正面淀积并在沟槽内填充材料，是通过低压化学气相淀积LPCVD方法在硅片上表面实现的，填充的材料为氧化硅、磷硅玻璃PSG或硼磷硅玻璃BPSG。
上述方案中，步骤3中所述对硅片正面进行平坦化工艺是采用化学物理表面刨光CMP工艺，或者采用高温炉进行高温回流工艺，工艺温度范围在200到700度之间。
上述方案中，步骤4中所述刻蚀硅片正面薄膜层是通过使用反应离子刻蚀RIE设备，采用RIE工艺实现的。
上述方案中，步骤5中所述从背面腐蚀单晶硅采用的是氢氧化钾溶液或者四甲基氢氧化铵TMAH溶液作为腐蚀溶液。
上述方案中，步骤6中所述从正面干法腐蚀剩余暴露出的单晶硅薄膜是采用二氟化氙作为腐蚀气体的干法化学腐蚀工艺，或者是采用感应耦合等离子刻蚀ICP设备通过干法深硅刻蚀实现的。
上述方案中，步骤7中所述腐蚀掉框架上残留的薄膜层是采用HF或其缓冲溶液BOE腐蚀进行湿法腐蚀实现的。
上述方案中，步骤8中所述在网格框架上淀积所需要的薄膜材料是采用低压化学气项淀积方法实现的，薄膜材料是钝化材料氮化硅、氧化硅或碳化硅。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，由于构成了镂空的网格结构，所以满足了部分传感器或执行器对于大形变空间的需求，解决了依靠牺牲层结构的局限性。
2、利用本发明，由于其镂空网格的特点，所以可以满足某些光学传感器对于背面透光的需求。
附图说明
图1是本发明提供的由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的俯视图；
图2是本发明提供的由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的剖面图；
图3是本发明提供的由单晶硅材料构成的附着有钝化层的微米尺度网格结构的剖面图；
图4是本发明提供的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法流程图；
图5至图13是本发明提供的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构，是以常用的微细加工手段进行制备的。该微米尺度网格结构由外部边框1和网格区域2构成，其俯视图如附图1所示。该外部边框1为矩形，该矩形的长和宽的长度范围为1毫米到100毫米，该网格区域2中包含有网孔3，网孔3图形可为三角形、矩形、正方形或任意多边形，网孔3重复平铺于网格区域2所在的空间平面(附图1中以正方形为例)，网孔的边长为0.1微米到1000微米之间，网孔的网格宽度为0.1微米到20微米之间。网格的剖面图如附图2所示，网格的剖面为矩形高度为0.1微米到40微米之间。网格梁的表面也可以根据应用要求附着氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或碳化硅(SiC)等钝化材料4，如图3所示。
图4示出了本发明提供的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法流程图，具体制作方法包括如下步骤：
步骤1、按照预设图案，在单晶硅片101上表面刻蚀沟槽102，如图5、和图6；该方法选用的晶向为<100>的硅片，p型、n型皆可。
步骤2、在硅片正面淀积并在沟槽内填充材料A 103，如图7；
步骤3、对硅片正面进行平坦化工艺，如图8；
步骤4、按照预设图案，刻蚀硅片正面薄膜层A 103，如图9；
步骤5、按照预设图案，从背面腐蚀单晶硅，到露出深槽中的材料A 103后终止，如图10；
步骤6、按预设图案，从正面干法腐蚀剩余暴露出的单晶硅薄膜，构成网格结构，如图11；
步骤7、腐蚀掉框架上残留的薄膜层A 103，如图12；
步骤8、在网格框架上淀积所需要的薄膜材料B 104，如图13；
从而得到硅材料的微米尺度网格结构。
优选的，上述步骤1中，所述的单晶硅片上表面刻蚀沟槽是采用二氧化硅(SiO2)作为掩蔽层，使用反应粒子刻蚀(RIE)设备或者感应耦合等离子刻蚀(ICP)设备通过各向异性干法深硅刻蚀实现的，刻蚀完成后采用HF或其缓冲溶液(BOE)腐蚀掉掩蔽层。
优选的，上述步骤2中，所述的表面淀积以及沟槽填充材料A为氧化硅(SiO2)、磷硅玻璃(PSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)，其通过低压化学气项淀积(LPCVD)的手段在硅片上表面实现。
优选的，上述步骤3中，所述的表面平坦化工艺可以是化学物理表面刨光(CMP)工艺也可以使用高温炉进行高温回流工艺，工艺温度范围在200到700度之间。
优选的，上述步骤4中，所述的按照预设图案刻蚀薄膜层A，该刻蚀过程是通过使用反应离子刻蚀(RIE)设备，采用RIE工艺实现的。
优选的，上述步骤5中，所述的按照预设图案，从背面腐蚀单晶硅采用的是氢氧化钾(KOH)溶液或者四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液作为腐蚀溶液。
优选的，上述步骤6中，所述的正面干法腐蚀剩余暴露出的单晶硅薄膜是采用XeF2(二氟化氙)作为腐蚀气体的干法化学腐蚀工艺或者采用感应耦合等离子刻蚀(ICP)设备通过干法深硅刻蚀实现的。
优选的，上述步骤7中，所述的腐蚀框架上残留的薄膜层A是采用HF或其缓冲溶液(BOE)腐蚀进行湿法腐蚀实现的。
优选的，上述步骤8中，所述的在网格框架上淀积所需要的薄膜材料B可为着氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或碳化硅(SiC)等钝化材料4，其淀积方式采用低压化学气项淀积(LPCVD)的手段实现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1、在单晶硅片上表面刻蚀沟槽；
步骤2、在硅片正面淀积并在沟槽内填充材料；
步骤3、对硅片正面进行平坦化工艺；
步骤4、刻蚀硅片正面薄膜层；
步骤5、从背面腐蚀单晶硅，直到露出沟槽中的填充材料后终止；
步骤6、从正面干法腐蚀剩余暴露出的单晶硅薄膜，构成网格结构；
步骤7、腐蚀掉框架上残留的薄膜层；
步骤8、在网格框架上淀积所需要的薄膜材料，得到由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构。
2.根据权利要求1所述的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，其特征在于，步骤1中所述单晶硅片为<100>晶向的p型或n型硅片。
3.根据权利要求1所述的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，其特征在于，步骤1中所述在单晶硅片上表面刻蚀沟槽是采用二氧化硅作为掩蔽层，使用反应离子刻蚀RIE设备或者感应耦合等离子刻蚀ICP设备通过各向异性干法深硅刻蚀实现的，刻蚀完成后采用HF或其缓冲溶液BOE腐蚀掉掩蔽层。
4.根据权利要求1所述的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，其特征在于，步骤2中所述在硅片正面淀积并在沟槽内填充材料，是通过低压化学气相淀积LPCVD方法在硅片上表面实现的，填充的材料为氧化硅、磷硅玻璃PSG或硼磷硅玻璃BPSG。
5.根据权利要求1所述的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，其特征在于，步骤3中所述对硅片正面进行平坦化工艺是采用化学物理表面刨光CMP工艺，或者采用高温炉进行高温回流工艺，工艺温度范围在200到700度之间。
6.根据权利要求1所述的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，其特征在于，步骤4中所述刻蚀硅片正面薄膜层是通过使用反应离子刻蚀RIE设备，采用RIE工艺实现的。
7.根据权利要求1所述的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，其特征在于，步骤5中所述从背面腐蚀单晶硅采用的是氢氧化钾溶液或者四甲基氢氧化铵TMAH溶液作为腐蚀溶液。
8.根据权利要求1所述的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，其特征在于，步骤6中所述从正面干法腐蚀剩余暴露出的单晶硅薄膜是采用二氟化氙作为腐蚀气体的干法化学腐蚀工艺，或者是采用感应耦合等离子刻蚀ICP设备通过干法深硅刻蚀实现的。
9.根据权利要求1所述的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，其特征在于，步骤7中所述腐蚀掉框架上残留的薄膜层是采用HF或其缓冲溶液BOE腐蚀进行湿法腐蚀实现的。
10.根据权利要求1所述的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，其特征在于，步骤8中所述在网格框架上淀积所需要的薄膜材料是采用低压化学气相淀积方法实现的，薄膜材料是钝化材料氮化硅、氧化硅或碳化硅。
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