CN102328904A

CN102328904A - Mems器件的形成方法

Info

Publication number: CN102328904A
Application number: CN201110303975A
Authority: CN
Inventors: 毛剑宏; 唐德明
Original assignee: Lexvu Opto Microelectronics Technology Shanghai Co Ltd
Current assignee: Xi'an Yisheng Photoelectric Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN102328904B

Abstract

一种MEMS器件的形成方法，包括：提供基底，所述基底具有固定部件；在所述基底上形成图形化的非晶碳层；在所述图形化的非晶碳层上形成第一膜层，所述第一膜层的材料为锗硅、锗或者硅；图形化所述第一膜层形成可动部件；去除所述图形化的非晶碳层。非晶碳层容易去除而且不会污染腔室；另外，用非晶碳层作为牺牲层，工艺兼容性好；并且，材料为锗硅、锗或硅的第一膜层与非晶碳层的粘附性很好，不会出现第一膜层与非晶碳层之间滑动的现象。

Description

MEMS器件的形成方法

技术领域

本发明涉及MEMS领域，尤其涉及MEMS器件的形成方法。

背景技术

微机电系统(Microelectro Mechanical Systems，简称MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是一种采用半导体工艺制造微型机电器件的技术。与传统机电器件相比，MEMS器件在耐高温、小体积、低功耗方面具有十分明显的优势。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。

MEMS器件通常包括固定部件和可动部件，MEMS器件的形成方法通常为：提供基底，基底上形成有固定部件；之后，在基底上形成光刻胶层，该光刻胶层作为牺牲层；接着，在光刻胶层上形成导电层或介质层；然后，光刻、刻蚀导电层或者介质层，形成图形化的导电层或图形化的介质层，该图形化的导电层或图形化的介质层为可动部件；接着，灰化去除光刻胶层。

现有技术形成MEMS器件的方法通常利用光刻胶作为牺牲层，然而光刻胶作为牺牲层时不容易去除，容易污染腔室。为了克服光刻胶作为牺牲层时不容易去除，容易污染腔室的问题，尝试着利用非晶碳(α-carbon)作为牺牲层，发现利用非晶碳(α-carbon)作为牺牲层时，在非晶碳上形成的导电层或介质层与非晶碳之间的粘合性较差，造成导电层或介质层容易在非晶碳上滑动。

现有技术中有许多关于形成MEMS器件的方法，例如2005年2月2日公开的公开号为CN1572719A的中国专利申请(优先权日为2003年6月3日，优先权号为US 10/454423)“MEMS器件以及形成MEMS器件的方法”，然而，均没有解决以上的技术问题。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术形成MEMS器件的方法用光刻胶层做牺牲层时，光刻胶层比较难去除，而且去除光刻胶层时容易污染腔室；利用非晶碳作牺牲层时，其上形成的膜层容易滑动。

为解决上述问题，本发明提供一种MEMS器件的形成方法，包括：

提供基底，所述基底具有固定部件；

在所述基底上形成图形化的非晶碳层；

形成第一膜层，覆盖所述非晶碳层和基底，所述第一膜层的材料为锗硅、锗或者硅；

图形化所述第一膜层形成可动部件；

去除所述图形化的非晶碳层。

可选的，还包括：在所述基底上形成非晶碳层之前，在所述基底上形成第二膜层，所述第二膜层的材料为锗硅、锗或者硅，所述图形化的非晶碳层形成在所述第二膜层上。

可选的，还包括：在去除所述图形化的非晶碳层之后，氧化所述第一膜层和第二膜层。

可选的，所述第一膜层的材料为锗硅时，所述形成第一膜层的方法为低压化学气相沉积，所述低压化学气相沉积的温度为250℃～550℃，通入的气体包括：SiH₄、GeH₄、BCl₃和He的混合气体，SiH₄∶GeH₄∶BCl₃和He的混合气体等于(282±84.6)∶(118±35.4)∶(100±30)，所述BCl₃和He的混合气体中，所述BCl₃的体积占混合气体的体积为(1.5±0.5)％。

可选的，所述第一膜层的材料为硅或锗时，所述形成第一膜层的方法为低温淀积工艺，所述低温沉积工艺的温度为200～500℃。

可选的，所述第二膜层的材料为锗硅时，所述形成第二膜层的方法为低压化学气相沉积，所述低压化学气相沉积的温度为250℃～550℃，通入的气体包括：SiH₄、GeH₄、BCl₃和He的混合气体，SiH₄∶GeH₄∶BCl₃和He的混合气体等于(282±84.6)∶(118±35.4)∶(100±30)，所述BCl₃和He的混合气体中，所述BCl₃的体积占混合气体的体积为(1.5±0.5)％。

可选的，所述第二膜层的材料为硅或锗时，所述形成第二膜层的方法为低温淀积工艺，所述低温沉积工艺的温度为200～500℃。

可选的，所述形成图形化的非晶碳层的方法包括：形成非晶碳层，利用光刻、刻蚀工艺形成图形化的非晶碳层；所述形成非晶碳层的方法为等离子体增强化学气相沉积，所述等离子体增强化学气相沉积的温度为350℃～450℃，气压为1torr～20torr，RF功率为800W～1500W，反应气体包括：C₃H₆和He，反应气体流量为1000sccm～3000sccm，其中C₃H₆∶He为2∶1～5∶1。

可选的，去除所述图形化的非晶碳层的方法为：等离化氧气形成氧等离子体；在温度范围为150℃～450℃的条件下使所述氧等离子体流过非晶碳，灰化去除图形化的非晶碳层；或者，利用氢氟酸溶液或硫酸溶液去除图形化的非晶碳层。

可选的，所述MEMS器件包括微机电传感器、MEMS开关、MEMS光阀。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本技术方案的形成MEMS器件的方法，利用非晶碳层作为牺牲层，且在图形化的非晶碳层上形成材料为锗硅、锗或硅的第一膜层；图形化后的第一膜层作为MEMS器件中的可动部件。由于非晶碳层容易去除而且不会污染腔室；另外，用非晶碳层作为牺牲层，工艺兼容性好；并且，材料为锗硅、锗或硅的第一膜层与非晶碳层的粘附性很好，不会出现第一膜层与非晶碳层之间滑动的现象。

附图说明

图1是本发明具体实施例的形成MEMS器件的方法的流程示意图；

图2～图7为本发明第一具体实施例的形成MEMS器件的方法的剖面结构示意图；

图8～图12为本发明第二具体实施例的形成MEMS器件的方法的剖面结构示意图。

具体实施方式

本发明具体实施方式的MEMS器件的形成方法，利用非晶碳作为牺牲层，在图形化的非晶碳层上形成材料为锗硅、锗或硅的第一膜层，图形化后的第一膜层作为MEMS器件中的可动部件。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图1为本发明具体实施例的MEMS器件的形成方法的流程示意图，参考图1，本发明具体实施例的MEMS器件的形成方法包括：

步骤S11，提供基底，所述基底具有固定部件；

步骤S12，在所述基底上形成图形化的非晶碳层；

步骤S13，形成第一膜层，覆盖所述图形化的非晶碳层和基底，所述第一膜层的材料为锗硅、锗或者硅；

步骤S14，图形化所述第一膜层形成可动部件；

步骤S15，去除所述图形化的非晶碳层。

图2～图7为本发明第一具体实施例的形成MEMS器件的方法的剖面结构示意图，结合参考图1和图2～图7详述本发明具体实施例的形成MEMS器件的方法。

结合参考图1和图2，执行步骤S11，提供基底10，所述基底10具有固定部件11。在该第一实施例中，固定部件11位于基底10上，在其他实施例中，固定部件11也可以位于基底10内。MEMS器件通常均包括固定部件和可动部件，通过可动部件相对于固定部件的移动以达到一定的功能。由于MEMS器件种类的多样性，其固定部件和可动部件的结构也呈现多样性。本发明具体实施例中，基底10的材料以及基底10内具有的器件结构、基底10上的固定部件11的具体结构均需要根据实际的MEMS器件的种类进行确定。例如，在MEMS器件为微机电传感器时，固定部件11即为微机电传感器中的下极板；在MEMS器件为MEMS光阀时，固定部件11为MEMS光阀中的固定光栅。

结合参考图1和图4，执行步骤S12，在所述基底10上形成图形化的非晶碳层121。具体为，参考图3，形成非晶碳层12覆盖基底10和固定部件11，具体的工艺条件为：利用等离子体增强化学气相沉积形成非晶碳层12，所述等离子体增强化学气相沉积的温度为350℃～450℃，气压为1torr～20torr，RF功率为800W～1500W，反应气体包括：C₃H₆和He，反应气体流量为1000sccm～3000sccm，其中C₃H₆∶He为2∶1～5∶1。形成的非晶碳层12的厚度需要根据实际需要形成的MEMS器件的种类进行确定。

在具体实施例中，通常根据后续形成的可动部件的结构，以及可动部件与基底之间的固定连接关系，会对非晶碳层12进行图形化，以确保形成的可动部件的结构以及可动部件与基底的固定连接。参考图4，对非晶碳层12进行光刻、刻蚀形成图形化的非晶碳层121，剩余基底10上部分区域的非晶碳。当然，此处只是为了对本发明的目的起到示意作用，实际图形化的非晶碳层121的图形会根据实际的器件结构进行相应的调整。需要说明的是，在该步骤中，根据实际的MEMS器件结构，此处也可能不对非晶碳层12进行图形化，在以后的步骤中，需要对其图形化时再进行图形化。在该步骤中，由于对非晶碳层进行了图形化，去除了一部分非晶碳，去除了非晶碳的位置暴露出了基底10，图4中示意为暴露出基底，在之后形成第一膜层时，第一膜层会覆盖基底以及非晶碳层，与基底接触的第一膜层部分作为可动部件与基底的连接部件，该连接部件起到支撑可动部件的作用。

结合参考图1和图5，执行步骤S13，形成第一膜层13，覆盖所述图形化的非晶碳层121和基底10，所述第一膜层13的材料为锗硅、锗或者硅。本发明图示的具体实施例中，是在图形化非晶碳层12后，形成第一膜层13。在具体应用中，也可以根据具体结构，先形成第一膜层然后再图形化非晶碳层。其中所述第一膜层的材料为锗硅时，形成第一膜层的方法为低压化学气相沉积，所述低压化学气相沉积的温度为250℃～550℃，通入的气体包括：SiH₄、GeH₄、BCl₃和He的混合气体，在实施例中SiH₄∶GeH₄∶BCl₃和He的混合气体等于282∶118∶100，其中，每一通入气体的体积可以上下30％，因此本发明中它们的流量之比可以为SiH₄∶GeH₄∶BCl₃和He的混合气体等于(282±84.6)∶(118±35.4)∶(100±30)，在实施例中，BCl₃和He的混合气体中，BCl₃的体积占混合气体的体积为1.5％，但本发明中BCl₃的体积占混合气体的体积可以有波动范围，具体可以为BCl₃的体积占混合气体的体积为(1.5±0.5)％。第一膜层的材料为硅或锗时，所述形成第一膜层的方法为低温淀积工艺，所述低温沉积工艺的温度为200～500℃。形成材料为锗硅、锗或者硅的第一膜层13时，部分第一膜层与基底10接触，该部分第一膜层作为可动部件与基底10的连接部件，起到支撑可动部件以及将可动部件与基底固定连接的作用。

结合参考图1和图6，执行步骤S14，图形化所述第一膜层形成可动部件131。与基底10接触的部分第一膜层132作为与可动部件131的连接部件起到支撑可动部件131的作用。图形化第一膜层的方法为光刻、刻蚀。可动部件131的具体结构均需要根据实际的MEMS器件的种类进行确定。例如，在MEMS器件为微机电传感器时，可动部件131即为微机电传感器中的上极板；在MEMS器件为MEMS光阀时，可动部件131为MEMS光阀中的可动光栅。

需要说明的是，本发明的具体实施例仅是为了说明本发明的目的，并没有对MEMS器件的具体结构进行限定，在具体的应用过程中，形成可动部件的工艺可能会涉及重复执行步骤S12、步骤S13和步骤S14，以形成满足具体结构的MEMS器件。

结合参考图1和图7，执行步骤S15，去除所述图形化的非晶碳层。去除图形化的非晶碳层的方法为：等离化氧气形成氧等离子体；在温度范围为150℃～450℃的条件下使所述氧等离子体流过非晶碳，灰化去除图形化的非晶碳层；或者，利用氢氟酸溶液或硫酸溶液去除图形化的非晶碳层。通常图形化的第一膜层会有开口，等离化的氧气或者氢氟酸溶液、硫酸溶液均可以通过该开口与非晶碳层接触。

在实际情况中，根据MEMS器件种类的不同，可动部件131可能是导电部件，也可能是不导电部件，在可动部件131为不导电部件时，需要将导电的锗硅、锗或者硅变为不导电的材料，在本发明中，通过氧化图形化后的第一膜层来使可动部件变为不导电的可动部件。具体的方法可为：在去除图形化的非晶碳层之后，向MEMS器件中通入氧气，该氧气通过图形化的第一膜层中的开口流入可动部件131和固定部件11之间的空间内，这样可动部件131的上下表面与可以被氧化成为不导电的氧化物。

本发明第一实施例的形成MEMS器件的方法，利用非晶碳层作为牺牲层，且在图形化的非晶碳层上形成材料为锗硅、锗或硅的第一膜层；图形化后的第一膜层作为MEMS器件中的可动部件。由于非晶碳层容易去除而且不会污染腔室；另外，用非晶碳层作为牺牲层，工艺兼容性好；并且，材料为锗硅、锗或硅的第一膜层与非晶碳层的粘附性很好。

图8～图12为本发明第二实施例的MEMS器件的形成方法。本发明第二实施例的MEMS器件的形成方法在第一实施例的基础上增加了形成第二膜层的步骤，其中第二膜层形成在基底上，在形成非晶碳层之前。下面参考附图，对第二实施例进行详细说明。

结合参考图1和图8，执行步骤S11，提供基底10，所述基底10具有固定部件11。在该第二实施例中，固定部件11位于基底10内，在其他实施例中，固定部件11也可以位于基底10上。其他与第一实施例相同，在此不做赘述。

之后，参考图9，在执行步骤S12之前，在基底10上形成第二膜层14，覆盖基底10和固定部件11；第二膜层14的材料为锗硅、锗或者硅。具体的形成方法为：所述第二膜层14的材料为锗硅时，第二膜层的形成方法为低压化学气相沉积，所述低压化学气相沉积的温度为250℃～550℃，通入的气体包括：SiH₄、GeH₄、BCl₃和He的混合气体，在实施例中SiH₄∶GeH₄∶BCl₃和He的混合气体等于282∶118∶100，其中，每一通入气体的体积可以上下30％，因此本发明中它们的流量之比可以为SiH₄∶GeH₄∶BCl₃和He的混合气体等于(282±84.6)∶(118±35.4)∶(100±30)，在实施例中，BCl₃和He的混合气体中，BCl₃的体积占混合气体的体积为1.5％，但本发明中BCl₃的体积占混合气体的体积可以有波动范围，具体可以为BCl₃的体积占混合气体的体积为(1.5±0.5)％。第二膜层的材料为硅或锗时，所述形成第二膜层的方法为低温淀积工艺，所述低温沉积工艺的温度为200～500℃。形成第二膜层14的目的是为了防止固定部件11、基底10与其上的非晶碳层的结合性不好，因此先在固定部件11、基底10上形成材料为锗硅、锗或硅的第二膜层，然后执行步骤S12，形成图形化的非晶硅层。

结合参考图1和图10，执行步骤S12，在基底上形成图形化的非晶碳层121。具体为，参考图9，在第二膜层14上形成非晶碳层12，之后，参考图10，对非晶碳层12进行光刻、刻蚀工艺形成图形化的非晶碳层121，因此，在该第二实施例中，图形化的非晶碳层121位于第二膜层14上。在该第二实施例中，形成非晶碳层12的方法、图形化非晶碳层12的方法均与第一实施例相同，在此不做赘述。

继续结合参考图1和图10，在形成图形化的非晶碳层121之后，执行步骤S13，形成第一膜层13，覆盖图形化的非晶碳层121和基底10。在该第二实施例中，形成第一膜层13的方法均与第一实施例相同，在此不做赘述。

之后，参考图11，执行步骤S14，图形化第一膜层13形成可动部件131。接着参考图12，执行步骤S15，去除图形化的非晶碳层。步骤S14和步骤S15的实现方法与第一实施例相同，在此不做赘述。

在该第二实施例中，可动部件131和固定部件11均不导电，然而以上步骤中的可动部件131以及固定部件11上的第二膜层14均是导电的锗硅、锗或者硅材料，因此需要将导电的锗硅、锗或者硅变为不导电的材料。具体的方法可为：去除图形化的非晶碳层之后，向MEMS器件中通入氧气，该氧气通过图形化的第一膜层中的开口流入可动部件131和固定部件11之间的空间内，这样可动部件暴露的表面第二膜层14暴露的表面可以被氧化成为不导电的氧化物。

本发明MEMS器件可以为各种MEMS器件，例如可以为微机电传感器、MEMS开关、MEMS光阀等。

上述第二实施例形成的材料为锗硅、锗或硅的第一膜层和第二膜层与非晶碳层的粘附性很好，不会出现第一膜层、第二膜层与非晶碳层之间滑动的现象，从而使得形成的MEMS器件可靠性更好，精确度更高。

本发明虽然已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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案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简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种MEMS器件的形成方法，其特征在于，包括：

提供基底，所述基底具有固定部件；

在所述基底上形成图形化的非晶碳层；

形成第一膜层，覆盖所述图形化的非晶碳层和基底，所述第一膜层的材料为锗硅、锗或者硅；

图形化所述第一膜层形成可动部件；

去除所述图形化的非晶碳层。

2.如权利要求1所述的MEMS器件的形成方法，其特征在于，还包括：在所述基底上形成图形化的非晶碳层之前，在所述基底上形成第二膜层，所述第二膜层的材料为锗硅、锗或者硅，所述图形化的非晶碳层形成在所述第二膜层上。

3.如权利要求2所述的MEMS器件的形成方法，其特征在于，还包括：在去除所述图形化的非晶碳层之后，氧化所述第一膜层和第二膜层。

4.如权利要求1所述的MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述第一膜层的材料为锗硅时，所述形成第一膜层的方法为低压化学气相沉积，所述低压化学气相沉积的温度为250℃～550℃，通入的气体包括：SiH₄、GeH₄、BCl₃和He的混合气体，SiH₄∶GeH₄∶BCl₃和He的混合气体等于(282±84.6)∶(118±35.4)∶(100±30)，所述BCl₃和He的混合气体中，所述BCl₃的体积占混合气体的体积为(1.5±0.5)％。

5.如权利要求1所述的MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述第一膜层的材料为硅或锗时，所述形成第一膜层的方法为低温淀积工艺，所述低温沉积工艺的温度为200～500℃。

6.如权利要求2所述的MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述第二膜层的材料为锗硅时，所述形成第二膜层的方法为低压化学气相沉积，所述低压化学气相沉积的温度为250℃～550℃，通入的气体包括：SiH₄、GeH₄、BCl₃和He的混合气体，SiH₄∶GeH₄∶BCl₃和He的混合气体等于(282±84.6)∶(118±35.4)∶(100±30)，所述BCl₃和He的混合气体中，所述BCl₃的体积占混合气体的体积为(1.5±0.5)％。

7.如权利要求2所述的MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述第二膜层的材料为硅或锗时，所述形成第二膜层的方法为低温淀积工艺，所述低温沉积工艺的温度为200～500℃。

8.如权利要求1所述的MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述形成图形化的非晶碳层的方法包括：形成非晶碳层，利用光刻、刻蚀工艺形成图形化的非晶碳层；所述形成非晶碳层的方法为等离子体增强化学气相沉积，所述等离子体增强化学气相沉积的温度为350℃～450℃，气压为1torr～20torr，RF功率为800W～1500W，反应气体包括：C₃H₆和He，反应气体流量为1000sccm～3000sccm，其中C₃H₆∶He为2∶1～5∶1。

9.如权利要求1所述的MEMS器件的形成方法，其特征在于，去除所述图形化的非晶碳层的方法为：等离化氧气形成氧等离子体；在温度范围为150℃～450℃的条件下使所述氧等离子体流过非晶碳，灰化去除图形化的非晶碳层；或者，利用氢氟酸溶液或硫酸溶液去除图形化的非晶碳层。

10.如权利要求1所述的MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述MEMS器件包括微机电传感器、MEMS开关、MEMS光阀。