CN102001618A - 一种干法深度刻蚀多层硅结构的掩模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干法深度刻蚀多层硅结构的掩模方法，包括以下步骤：A.Az正胶图案的光刻；B.获得Az正胶图案为掩模进行硅结构的深度刻蚀；C.清洁Az掩模及硅结构，涂敷第1层Su8负胶；D.通过对准标记，进行Su8胶的光刻获得下层结构的掩模图案；E.以D所得图案为掩模深度刻蚀下层硅结构；重复上述步骤获得具有较大结构深度的多层硅微结构。有益效果是：由于选用Su8胶作为感应耦合等离子体深度反应刻蚀的掩模，对刻蚀的结构起到了保护作用，有效避免了前次刻蚀结构暴露在等离子体下受离子的直接物理轰击，该方法工艺重复性好，可在同一零件中重复运用，实现三层甚至更多层具有大高宽比的单晶硅微结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种微细加工领域的干法刻蚀硅片的方法；特别是涉及一种利用干法深度刻蚀多层硅结构的掩模方法。
背景技术
上个世纪人类最伟大的进步之一是微电子技术的发展。伴随着微电子技术的发展，一项全新的技术——MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)悄然诞生，并开始获得迅猛的发展。微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems，缩写为MEMS)是利用现代微细加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA等技术)，将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器等复杂系统。感应耦合等离子体(ICP)进行深度反应刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)是一种新的干法刻蚀技术，能够将光刻胶图形高精度的转移到硅衬底上，具有刻蚀速率高和各向异性刻蚀等优点，是近年来MEMS制作技术又一大进步。然而，多层硅微结构尤其是各层具备大高宽比结构的制作，仍然是微细加工领域面临的一个难点。传统方法一般为两大类，图1是采用多张硅片分别刻蚀完图形后进行对准键合，形成多层结构；该方法对多层结构进行分解，各层结构分别采用相应厚度的硅片制作，利用光刻及DRIE技术获得各层相应的图案，然后利用硅-硅直接键合技术获得组合的多层结构。它的缺陷在于，设备要求高，精度容易受对准误差的累计影响，并且不适用于各层有孤立结构的图形。图2是采用多材料掩模结构(如Az正胶，二氧化硅，或者金属层)，根据材料对单晶硅不同刻蚀速率的选择比，达到分层刻蚀的目的；该方法主要利用各种掩模材料对单晶硅刻蚀时不同选择比，逐层刻蚀，如牺牲第一层掩模获得第一层结构后，紧接利用第二层掩模材料刻蚀下一层结构，以此类推，逐步获得各层结构。
表1：各掩模制作方法和材料对单晶硅刻蚀的选择比
该方法的缺陷在于，如图3a至图3b是多层结构刻蚀时产生的侧壁及边缘缺陷示意图，进行多层结构刻蚀时，结构表面完全暴露在等离子体下，直接受离子轰击，因此尺寸精度差，结构侧壁及边缘变形严重。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服已有技术的缺陷，提供一种利用传统的深紫外线曝光，实现大高宽比微结构，加工厚度超过1000um的多层硅干法深度刻蚀掩模方法。
本发明所采用的技术方案是：一种干法深度刻蚀多层硅结构的掩模方法，包括以下步骤：
A.Az正胶图案的光刻；
B.获得Az正胶图案为掩模进行第一层硅结构的深度刻蚀；
C.清洁Az掩模及第一层硅结构，涂敷第1层Su8负胶；
D.通过对准标记，进行Su8胶的光刻获得第二层结构的掩模图案；
E.以D所得图案为掩模深度刻蚀第二层硅结构；
F.清洁Su8胶掩模及第二层硅结构，涂敷第2层Su8负胶；
G.通过对准标记，进行Su8胶的光刻获得第三层结构的掩模图案；
H.以G所得的图案为掩模深度刻蚀第三层硅结构。
通过重复上述F、G、H步骤1次至5次，能够获得第四层至第八层硅结构。
本发明的有益效果是：由于选用Su8胶作为感应耦合等离子体深度反应刻蚀的掩模，对刻蚀的结构起到了保护作用，有效避免了前次刻蚀结构暴露在等离子体下受离子的直接物理轰击，因此，该方法获得的微结构尺寸精度高，边缘结构完美。另外，该工艺重复性好，可在同一零件中重复运用，实现三层甚至更多层具有大高宽比的单晶硅微结构。
附图说明
图1是现有技术中对准键合技术的制作多层硅结构示意图；
图2是现有技术中多种材料的掩模技术刻蚀多层结构示意图；
图3、图3b是现有技术多层结构刻蚀产生的侧壁及边缘缺陷示意图；
图4a至图4h是Su8掩模深度刻蚀流程图；
图5是Su8中成膜材料的结构式；
图6a至图6c是掩模上的对准图案设计；
图7a至图7m是多层硅干法深度刻蚀掩模方法的工艺流程图。
图中：
10.硅衬底 20.Az光刻胶 30.Su8厚光刻胶
具体实施方式
如图4a至图4h所示，本发明干法深度刻蚀多层硅结构的掩模方法，包括以下步骤：
A.Az正胶图案的光刻；
B.获得Az正胶图案为掩模进行第一层硅结构的深度刻蚀(50um)；
C.清洁Az掩模及第一层硅结构，涂敷第1层Su8负胶2035；
D.通过对准标记，进行Su8胶的光刻获得第二层结构的掩模图案；
E.以D所得图案为掩模深度刻蚀第二层硅结构(100um)；
F.清洁Su8胶掩模及第二层硅结构，涂敷第2层Su8负胶；
G.通过对准标记，进行Su8胶的光刻获得第三层结构的掩模图案；
H.以G所得的图案为掩模深度刻蚀第三层硅结构(250um)。
通过重复所述F、G、H步骤1次至N次，能够获得第四层至第N+3层硅结构。
本发明特别适合于制作各层具有较大结构深度的多层硅微结构。
本发明使用的Su8胶是一种化学增幅型的负性光刻胶，它采用环氧酚醛树脂作为成膜材料，三芳基锍盐和六氟锑酸盐作为光致产酸剂。它的成膜材料结构式如图5所示，由于它的每个分子中含有8个环氧功能团，所以称之为Su8。
成膜材料中的多环氧功能团结构使得SU8的粘附性明显优于其它厚膜光刻胶。由于功能团较多，感光可以导致高度交联，使得已交联的SU8具有良好的抗蚀性，热稳定性大于200℃，因而可以在高温、腐蚀性工艺中使用；同时，成膜材料具有良好的物理及光塑化特性，光刻胶微结构本身就很合适作为MEMS的最终产品。
采用Su8胶作为感应耦合等离子体深度反应刻蚀的掩模是一种理想的材料：首先，Su8胶对单晶硅的刻蚀选择比高(75-120，一般Az胶30-75)；其次，它有很好流动性，并且有不同粘度的系列可供选择，可以有选择性的涂敷在不同深度的刻蚀结构的深坑之中，然后光刻形成各种复杂掩模图案；最后也是最为关键的优势在于，形成掩模图案的SU8胶对刻蚀的结构起到了保护作用，有效的避免了前次刻蚀结构暴露在等离子体下受离子的直接物理轰击，因此，这种方法获得的微结构尺寸精度高，边缘结构完美。另外，该工艺重复性好，可在同一零件中重复运用，实现三层甚至更多层具有大高宽比的单晶硅微结构。
该技术可以制作大高宽比多层结构的单晶硅微结构，该技术主要由8个工艺环节组成。
(1)Az正胶图案的光刻：首先选用适当厚度(根据结构定制厚度100-500um)，要求的晶向(如<100>，<111>)和大小(4-6英寸)的单晶硅片，将Az4620P型光刻胶倒在单晶硅片上，以3000RPM转速，25秒时间涂敷，获得光刻胶厚度为7um；然后用第一层结构掩模进行紫外光刻，如Karl SussMA4系列光刻机，紫外光波长：400nm。
(2)以(1)获得Az正胶图案为掩模进行第一层硅结构的深度刻蚀：将带有第一层光刻胶掩模结构的单晶硅片放入Oxford PlasmaLab100进行刻蚀，工艺参数如下：
表2：DRIE刻蚀第一层结构工艺参数
(3)清洁Az掩模及第一层硅结构，涂敷第1层Su8负胶：首先要彻底清除残余的第一层Az光刻胶掩模，可用丙酮去除并用氧气等离子体清洁活化表面，这样有利于彻底清除前次刻蚀残留的CF元素，为接下来的Su8胶涂敷提高成功率，其参数如下：
表3：氧气等离子体清洁表面
清洁完毕后，根据第一层结构的刻蚀深度选用不同系列的Su8胶，并结合不同的甩胶转速和时间获得不同的光刻胶厚度，其工艺参数推荐如下：
表4：根据结构深度采用相应Su8涂敷工艺参数
(4)通过对准标记，进行Su8胶的光刻获得第二层结构的掩模图案：运用第2块掩模图案，根据设计的对准标记进行图案对准，紫外光刻工艺可采用Karl Suss MA 4系列，紫外光波长建议I线(365nm)。对准标记的设计可采用普通的十字方框对准标记，如十字线宽宽为5um，则可获得约2.5um的对准精度，图6a是第1块掩模上的标，图6b是第2块掩模上的标记，图6c是两块掩模对准后的图示。
(5)以(4)所得图案为掩模深度刻蚀第二层硅结构：将带有第二层光刻胶掩模结构的单晶硅片放入Oxford PlasmaLab100进行刻蚀，工艺参数如下：
表5：DRIE刻蚀第二层结构工艺参数(利于深度刻蚀)
(6)清洁Su8胶掩模及第二层硅结构，涂敷第2层Su8负胶：高度交联的Su8很难用溶剂去除，专用的去胶溶剂是利用对Su8的溶胀来剥离光刻胶层的。标准去胶工艺是：将基片浸入80℃去胶剂中，保持30～90分钟，辅以适当的拭擦来加快去胶的速率。但是，溶剂去胶工艺只适用于低度交联、高宽比较小的光刻胶微结构；对于高度交联、大高宽比的微结构，溶剂去胶效果很差。为了提高去胶能力，一些新工艺得到了发展，像强氧化性酸溶液、等离子灰化、反应离子刻蚀、激光剥离以及热裂解等工艺，都能不同程度的提高去胶的能力。本发明采用的是热裂解方法。将含Su8胶的模具放入炉子，在1个大气压条件下650℃煅烧1小时，随炉冷却。取出后采用辅超声波清洗去除部分残留的胶体，能获得最佳的去胶效果。
清除完毕后，即可采用步骤(3)中的氧气等离子体清洁工艺(表3)及Su8胶涂敷工艺(表4)进行第三层Su8光刻胶的制作。
(7)通过对准标记，进行Su8胶的光刻获得第三层结构的掩模图案：运用第3块掩模图案，根据设计的对准标记进行图案对准，第3块掩模上的对准标记可仿第1块掩模的对准标记进行设计，紫外光刻工艺可采用Karl Suss MA4系列，紫外光波长建议I线(365nm)。
(8)以(7)所得的图案为掩模深度刻蚀第三层硅结构：将带有第二层光刻胶掩模结构的单晶硅片放入Oxford PlasmaLab100进行刻蚀，工艺参数如步骤(5)中表5。
重复(6)-(8)步骤可获得更多层的硅结构。
这种新型多层硅干法深度刻蚀掩模技术，工艺简单，设备要求低廉，并且获得的硅微结构，尺寸精度高(可获得±1um精度)，侧壁垂直性好，表面边缘不受等离子体侵蚀破坏，结构高宽比大(各层结构深度可达数百微米)，并且工艺重复性好，能够轻易实现多层结构。
实施例：
图7为一种新型多层硅干法深度刻蚀掩模的具体的步骤1至步骤13的工艺流程图。
图中：7a至7m分别代表步骤1至步骤13。
步骤1：选用合适的单晶硅晶圆片(4英寸，400um厚，<111>)
a)RCA2清洗-DI∶H2O2∶HCL＝10∶2∶1；50℃，15-20mins.
b)晶圆片容器：Teflon cassette
c)设备：通风柜
步骤2：涂敷Az4620P光刻胶
a)15s，600rpm；25s，3000rpm.(7.3um thickness)
b)设备：Spin coater KW-4A匀胶机
步骤3：紫外光刻获得第一层掩模
a)1.7mw/cm2x 60s＝102mJ/cm2
b)设备：Karl Suss MA4，400nm
步骤4：DRIE刻蚀第一层结构
a)工艺条件：表2，40循环
b)设备：Oxford PlasmaLab 100etcher
c)刻蚀结构深度：50um
步骤5：清洁第一层残余的Az光刻胶掩模
a)丙酮清洗
b)氧气等离子体清洁，参数如表3
c)设备：Oxford PlasmaLab 80RIE
步骤6：涂敷Su8 2035光刻胶
a)15s，600rpm；25s，1000rpm.(50um thickness)
b)设备：Spin coater KW-4A匀胶机
步骤7：紫外光刻获得第二层掩模
a)1.7mw/cm2x90s＝153mJ/cm2
b)设备：Karl Suss MA4，I线365nm
步骤8：DRIE刻蚀第二层结构
a)工艺条件：表2，90循环
b)设备：Oxford PlasmaLab 100etcher
c)刻蚀结构深度：100um
步骤9：清洁Su8光刻胶掩模
a)丙酮清洗并热裂解(650度1小时，1atm)
b)氧气等离子体清洁，参数如表3
c)设备：Oxford PlasmaLab 80RIE
步骤10：涂敷Su82100光刻胶
a)15s，600rpm；25s，2000rpm.(150um thickness)
b)设备：Spin coater KW-4A匀胶机
步骤11紫外光刻获得第三层掩模
a)1.7mw/cm2x 120s＝204mJ/cm2
b)设备：Karl Suss MA4，I线365nm
步骤12DRIE刻蚀第三层结构
a)工艺条件：表2，200循环
b)设备：Oxford PlasmaLab 100etcher
c)刻蚀结构深度：250um
步骤13清洁Su8光刻胶掩模
a)丙酮清洗并热裂解(650度1小时，1atm)
b)氧气等离子体清洁，参数如表3
c)设备：Oxford PlasmaLab 80RIE
通过该工艺流程最终可获得三层单晶硅微结构，自上而下深度分别为50，100和250um，槽的宽度分别为50，40和20um，高宽比相应为1，2.5和12.5。其横向线宽精度可达到±1um，深度精度为±5um，侧壁垂直度约为89±1度。
Claims (2)
1.一种干法深度刻蚀多层硅结构的掩模方法，其特征在于包括以下步骤：
A.Az正胶图案的光刻；
B.获得Az正胶图案为掩模进行第一层硅结构的深度刻蚀；
C.清洁Az掩模及第一层硅结构，涂敷第1层Su8负胶；
D.通过对准标记，进行Su8胶的光刻获得第二层结构的掩模图案；
E.以D所得图案为掩模深度刻蚀第二层硅结构；
F.清洁Su8胶掩模及第二层硅结构，涂敷第2层Su8负胶；
G.通过对准标记，进行Su8胶的光刻获得第三层结构的掩模图案；
H.以G所得的图案为掩模深度刻蚀第三层硅结构。
2.根据权利要求1所述的干法深度刻蚀多层硅结构的掩模方法，其特征在于：通过重复所述F、G、H步骤1次至5次，能够获得第四层至第八层硅结构。
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