CN102320560A - Mems器件的薄膜制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS器件的薄膜制造方法，包括步骤：提供{111}方向的硅基底，其上形成有多个凹槽，凹槽具有第一深度；在凹槽的侧壁形成侧壁保护层；刻蚀凹槽，形成多个深槽，相比凹槽加深第二深度；湿法腐蚀深槽，在硅基底内形成腔体；将凹槽填充，形成封闭的腔体和厚度等于第一深度的薄膜；其中，多个凹槽的窗口之间的最大行间距和最大列间距的计算公式为：

其中，d1为多个凹槽的窗口的最大行间距，d2为多个凹槽的窗口的最大列间距，h2为深槽对凹槽加深的第二深度，b为薄膜垂直于版图平边<110>方向的尺寸。本发明基于精确控制膜厚的钻蚀加工工艺，提出了一套相应的版图设计方法，采用最少的窗口图形来完成薄膜和腔体的制作。

Description

MEMS器件的薄膜制造方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，具体来说，本发明涉及一种MEMS器件的薄膜制造方法。

背景技术

悬空的薄膜结构是微机电系统(MEMS)器件最常用的结构之一，它已广泛地用于压力传感器、声学传感器、声学执行器和光学微镜阵列等器件。而薄膜的尺寸和厚度往往直接制约着器件的性能，比如压力传感器中压敏薄膜的尺寸和厚度就决定了器件的灵敏度等主要性能参数。

目前薄膜的制作方式灵活多样，按照加工工艺主要可以分为三类：钻蚀、背面腐蚀和硅片键合及结构转移的混合加工。为了有效地控制薄膜厚度，使用背面腐蚀加工工艺时一般采用LPCVD氮化硅或者重掺杂进行腐蚀自停止，但缺点是薄膜上不能形成有效的压敏电阻，所以不能用在压力传感器上。而硅片键合及结构转移这种混合加工工艺也存在同样的问题，键合得到的薄膜往往不是硅材料，不能形成有效的压阻，而且工艺繁琐。

为了提高薄膜的均匀性和完整性，需要在保证腔体完成释放的前提下，薄膜上钻蚀的窗口尺寸越小越好，数目越少越好。与{100}相比，{111}硅上各向异性的湿法腐蚀过程比较复杂，得到的腔体也不是十分规整简单的几何体，为最优化的版图设计增加了难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种MEMS器件的薄膜制造方法，能够采用最少的窗口图形(最大间距)来完成薄膜和腔体的制作。

为解决上述技术问题，本发明提供一种MEMS器件的薄膜制造方法，包括步骤：

提供{111}方向的硅基底，其上形成有多个凹槽，所述凹槽具有第一深度；

在多个所述凹槽的侧壁形成侧壁保护层；

进一步刻蚀多个所述凹槽，在所述硅基底中形成多个深槽，所述深槽相比所述凹槽加深第二深度；

采用湿法腐蚀法腐蚀多个所述深槽，在所述硅基底内部形成腔体；

采用填充材料将多个所述凹槽完全填充，形成封闭的腔体和厚度等于所述第一深度的薄膜；

其中，多个所述凹槽的窗口之间的最大行间距和最大列间距的计算公式如下：

$d1=h2\&times;(\sqrt{2}/4),$ $d2=b\&times;(\sqrt{3}/3)$

其中，d1为多个所述凹槽的窗口的最大行间距，d2为多个所述凹槽的窗口的最大列间距，h2为多个所述深槽对多个所述凹槽加深的第二深度，b为所述薄膜垂直于版图平边<110>方向的尺寸。

可选地，若所述窗口任何一边均不与所述平边<110>方向平行，则在计算多个所述凹槽的窗口之间的最大行间距和最大列间距之前还包括步骤：

用三对平行的<110>晶向的直线对所述窗口作最大外接图形；

以多个所述最大外接图形之间的最大行间距和最大列间距映射为所述窗口之间的最大行间距和最大列间距。

可选地，所述凹槽的窗口为正方形、三角形、多边形、圆形或者其他任何封闭图形。

可选地，所述湿法腐蚀法采用各向异性的腐蚀工艺，在所述硅基底内部形成所述腔体。

可选地，所述湿法腐蚀的溶液为KOH、TMAH、EDP、NaOH、CsOH或NH₄OH。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明在{111}晶圆上采用钻蚀加工工艺，利用湿法腐蚀液在{111}面上的各向异性刻蚀来精确控制硅薄膜的尺寸和厚度。本发明基于此，提出了一套相应的版图设计方法，采用最少的窗口图形(最大间距)来完成薄膜和腔体的制作，并提出了明确的设计规则以指导不同需求的版图设计。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明一个实施例的采用钻蚀加工工艺所制得的六边形对称结构的薄膜；

图2为本发明一个实施例的六边形薄膜上凹槽窗口排列的俯视图；

图3至图6为本发明一个实施例的MEMS器件的薄膜制造过程的剖面结构示意图；

图7示出了本发明一个实施例的多个凹槽的窗口之间的最大行间距和最大列间距；

图8至图10示出了为本发明一个实施例的用三对平行的<110>晶向的直线对窗口作最大外接图形以获取窗口之间的最大行间距和最大列间距。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

首先解释一下薄膜和腔体的形成过程。如图1所示，通常在硅基底101的{111}面上，采用钻蚀加工工艺所制得的对称结构的薄膜102形状为六边形。其中θ为30°，这是由硅基底101上的晶向所决定的。如图2所示，其示出的是六边形薄膜102上凹槽窗口103排列的俯视图。

图3至图6为本发明一个实施例的MEMS器件的薄膜制造过程的剖面结构示意图。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

首先如图3所示，其是沿图2中A-A′方向所示的剖面图。提供{111}方向的硅基底101，其上刻蚀形成有多个凹槽104。凹槽104具有第一深度h1，也就是所需要的薄膜的厚度。

其次如图4所示，在多个凹槽104的侧壁形成侧壁保护层105，用以保护凹槽104的侧壁。该形成侧壁保护层105的方法可以为本领域技术人员公知的现有技术，在此不再赘述。

接着进一步刻蚀多个凹槽104，在硅基底101中形成多个深槽106。由于凹槽104的侧壁有侧壁保护层105的保护，故不会受到损害。而深槽106则相比凹槽104加深第二深度h2，这也就是待形成的腔体107的高度。

然后如图5所示，采用湿法腐蚀法腐蚀多个深槽106，在硅基底101内部形成腔体107。其中，湿法腐蚀法采用各向异性的腐蚀工艺，腐蚀溶液可以为KOH、TMAH、EDP、NaOH、CsOH或NH₄OH。由于深槽106的侧壁和底部没有保护层予以保护，所以将硅基底101浸入腐蚀溶液后，深槽106会按照一定的晶格方向各向异性地腐蚀。在尺寸合适的情况下，这些单个的腐蚀腔体会连通起来，形成一个大的腔体107。

最后如图6所示，采用填充材料108将多个凹槽104完全填充，形成封闭的腔体107和厚度等于第一深度h1的薄膜。

在本实施例中，确定在硅基底101的{111}面上要形成的薄膜的尺寸和厚度后，需要对形成凹槽104的窗口图形进行优化设计，即版图的优化设计。本发明经过一系列理论计算，提出了窗口图形的最大行间距d1和最大列间距d2，只要版图上窗口图形间的间距在最大值以内，就可以保障腔体的释放和薄膜的形成。

如图7所示，多个凹槽104的窗口103之间的最大行间距d1和最大列间距d2的计算公式如下：

$d1=h2\&times;(\sqrt{2}/4),$ $d2=b\&times;(\sqrt{3}/3)$

其中，d1为多个凹槽104的窗口103的最大行间距，d2为多个凹槽104的窗口103的最大列间距，h2为多个深槽106对多个凹槽104加深的第二深度，b为薄膜垂直于版图平边<110>方向的尺寸。

另外，a为薄膜沿版图平边<110>方向的尺寸，w为版图上凹槽103窗口对应的图形尺寸(图中为方形，但本发明并不限于方形)。其中，该尺寸w与具体工艺能力相关，比如光刻精度高可以采用小尺寸，多晶硅填充技术好的可以采用大尺寸，但其取值的大小不影响本方明中的版图设计方法。在d1和d2的表达式中，可以看出，最大行间距d1只由腔体的厚度h2决定，所以可以在工艺条件允许的情况下，尽量增加h2就可以提高d1，从而减少版图上的图形数；而最大列间距d2只由薄膜尺寸决定。

当窗口图形任何一边都不与平边<110>平行时，其要遵守的最小间距要求可以通过最大外接图形来获得。具体来说，在计算多个凹槽104的窗口103之间的最大行间距d1’和最大列间距d2’之前还应该包括其他准备步骤。

如图8所示，窗口图形109的任何一边都不与平边<110>平行，本发明中可以用三对平行的<110>晶向(图中分别为黑色实线、长虚线和点虚线)的直线外切窗口图形109，得到最大外接图形110。然后计算用上述公式计算d1和d2的数值，但是多个最大外接图形110之间的最大间距(包括最大行间距和最大列间距)事实上与原始的窗口图形109之间的最大行间距d1’和最大列间距d2’不同，参见图9和图10所示。在借助最大外接图形110计算得到其之间的间距所需要满足的最大行间距d1和最大列间距d2之后，再将该值映射到原始窗口图形109上，以对版图设计进行指导。

事实上，本发明中涉及的图形并不限于正方形，也包括三角形、多边形、圆形或其他任何封闭的图形。

本发明在{111}晶圆上采用钻蚀加工工艺，利用湿法腐蚀液在{111}面上的各向异性刻蚀来精确控制硅薄膜的尺寸和厚度。本发明基于此，提出了一套相应的版图设计方法，采用最少的窗口图形(最大间距)来完成薄膜和腔体的制作，并提出了明确的设计规则以指导不同需求的版图设计。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种MEMS器件的薄膜制造方法，包括步骤：

提供{111}方向的硅基底(101)，其上形成有多个凹槽(104)，所述凹槽(104)具有第一深度(h1)；

在多个所述凹槽(104)的侧壁形成侧壁保护层(105)；

进一步刻蚀多个所述凹槽(104)，在所述硅基底(101)中形成多个深槽(106)，所述深槽(106)相比所述凹槽(104)加深第二深度(h2)；

采用湿法腐蚀法腐蚀多个所述深槽(106)，在所述硅基底(101)内部形成腔体(107)；

采用填充材料(108)将多个所述凹槽(104)完全填充，形成封闭的腔体(107)和厚度等于所述第一深度(h1)的薄膜；

其中，多个所述凹槽(104)的窗口(103)之间的最大行间距(d1)和最大列间距(d2)的计算公式如下：

$d1=h2\&times;(\sqrt{2}/4),d2=b\&times;(\sqrt{3}/3)$

其中，d1为多个所述凹槽(104)的窗口(103)的最大行间距，d2为多个所述凹槽(104)的窗口(103)的最大列间距，h2为多个所述深槽(106)对多个所述凹槽(104)加深的第二深度，b为所述薄膜垂直于版图平边<110>方向的尺寸。

2.根据权利要求1所述的薄膜制造方法，其特征在于，若所述窗口(103)任何一边均不与所述平边<110>方向平行，则在计算多个所述凹槽(104)的窗口(103)之间的最大行间距(d1’)和最大列间距(d2’)之前还包括步骤：

用三对平行的<110>晶向的直线对所述窗口(103)作最大外接图形(110)；

以多个所述最大外接图形(110)之间的最大行间距(d1)和最大列间距(d2)映射为所述窗口(103)之间的最大行间距(d1’)和最大列间距(d2’)。

3.根据权利要求1或2所述的薄膜制造方法，其特征在于，所述凹槽(104)的窗口(103)为正方形、三角形、多边形、圆形或者其他任何封闭图形。

4.根据权利要求1所述的薄膜制造方法，其特征在于，所述湿法腐蚀法采用各向异性的腐蚀工艺，在所述硅基底内部形成所述腔体。

5.根据权利要求4所述的薄膜制造方法，其特征在于，所述湿法腐蚀的溶液为KOH、TMAH、EDP、NaOH、CsOH或NH₄OH。

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