CN102375332A - 一种用于mems结构的悬架光刻胶平坦化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺，首先将自组装方法制作的光刻胶薄膜粘覆转移于存在沟槽或间隙的半导体材料表面形成平整的悬架光刻胶结构，曝光显影以选择性去除不需要部位的光刻胶膜并坚膜，之后在室温条件下在光刻胶表面沉积金属或其它半导体材料层以实现其结构的平坦化工艺，最后对沉积的材料层刻蚀形成结构和图形。该方法有别于传统的平坦化工艺，利用自组装的方法将平坦化和光刻工艺结合在了一起，方法简单、材料节约、成本低廉、对设备要求低。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电子制造工艺中的平坦化技术和光刻技术，尤其是一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺。
背景技术
在微电子机械系统(MEMS)器件中，特别是加速度传感器、压力传感器、光电器件、射频器件等中，常需要在较大的台阶和沟槽之上制作悬空结构和可动元件，如微悬臂梁端部跨越释放沟槽的电极。常用的方法是先沉积一层牺牲层材料，在牺牲层上制作结构或器件后再腐蚀牺牲材料释放结构。然而MEMS结构中往往包含高深宽比的沟槽，较高的台阶会导致牺牲层及其上薄膜的起伏，常对器件产生较大的影响。所以平坦化技术成为许多MEMS器件在制造过程中的关键。目前，用于牺牲层材料的平坦化工艺主要有化学机械抛光(CMP)、摩擦化学抛光、接触平坦化技术(CP)、等离子辅助化学刻蚀平坦化技术(CAPE)和无应力抛光技术(SFP)等，基于昂贵的设备，这些方法具有全局平台化、平坦化程度高等特点，但其成本较高、材料消耗较大。特别的，传统平坦化技术往往还需要在平坦化之前或之后对牺牲层进行选择性刻蚀以形成特殊结构，增加了工艺的复杂程度和成本。
目前，如何简化工艺流程、节约材料、降低设备和耗材成本已成为平坦化工艺待解决的问题。纳米制造科学的兴起为微电子行业开拓了新的思路，特别是纳米印刷(nanoimprinting)、纳米压模(nanoembossing)、软光刻(softlithography)、自组装(Self-assembling)等自下而上与自上而下相结合的加工方式的发展为微电子机械系统提供了更多的选择。这些方法主要都集中在图形刻蚀、结构构架等领域，而对在微电子材料平坦化的关键领域的应用却鲜有研究。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供的悬架光刻胶平坦化工艺，包括步骤：1)利用自组装方法在待平坦化的半导体材料上形成跨越间隙结构的悬架光刻胶结构；2)对所述悬架光刻胶结构进行曝光显影及坚膜以形成所需图形；3)在形成了所需图形的悬架光刻胶结构上制备材料层，再次涂覆光刻胶，光刻并刻蚀形成材料层结构；4)湿法腐蚀以去除悬架光刻胶结构。具体流程请参见图1a-1f。
其中，步骤1)形成悬架光刻胶结构的具体步骤优选为，首先将少量的光刻胶滴于去离子水表面，使之自组装形成光刻胶膜，再将该光刻胶膜转移至待平坦化的半导体材料表面，形成跨越间隙结构的悬架光刻胶结构。所述间隙结构为孔隙或沟槽，悬架光刻胶结构可以同时跨越多个孔隙和沟槽。所述光刻胶应根据工艺要求的不同进行选择。光刻胶转移至硅片等半导体材料表面的方法，可以采用从上向下将硅片缓慢推至光刻胶膜，使之粘贴后再脱离水表面的方法。也可采用从下向上的方式，将硅片沉入光刻胶膜下方的水中，缓慢排液以使光刻胶膜下降并贴覆于硅片表面，取出并倾斜放置硅片以排干硅片和光刻胶之间的大部分水分，如图1a、1b所示。其具体制作方法可参考专利“一种悬架结构光刻胶的涂胶方法”(专利申请号201010144358.3，吴紫阳等)。通过这些方法转移至硅片的光刻胶，具有能够跨过较宽沟槽的、平整的、具有一定强度的悬架结构，可实现大面积平坦化的牺牲层结构。
其次，步骤2)如图1c所示，其中的曝光强度及时间、显影时间应根据该悬架光刻胶结构的厚度进行优化。后烘坚膜应避免温度过高而引起光刻胶膜的拉伸变形。
其次，步骤3)如图1d、1e所示，其中优选在室温下，温度为18℃-35℃，制备材料层，材料层为金属层或其它半导体材料层。此时应避免采用过高的工艺温度，以防止光刻胶的碳化和剧烈形变。制备的材料层可在步骤2)中悬架光刻胶结构显影去除掉的部位与下层材料实现接触和固支，例如形成金属电极结构的锚点或介质层结构的固支点等。通常利用涂覆光刻胶的方法在制备的材料层上光刻刻蚀出所需图形。这里制备的材料层在悬架光刻胶结构(即光刻胶膜)之上形成了大面积的平坦化结构，从而为其上的涂胶、光刻、刻蚀和二次沉积等提供了便利，可以此刻蚀制作出所需的金属电极结构或其它半导体材料结构。
最后，步骤4)如图1f所示，其中在材料层结构之下的光刻胶牺牲层即悬架光刻胶结构和其上用于光刻图形的光刻胶可方便地通过丙酮、乙醇等有机溶剂去除，实现结构的释放。
综上所述，本发明所述的用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺，借助于光刻胶自组装技术，将光刻刻蚀工艺和平坦化工艺集成在了一起，大大简化了工艺流程，方法简单、材料节约、成本低廉、对设备要求低，具有产业化前景。
附图说明
图1a-1f为本发明一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺的基本工艺流程示意图。
图2a-2d为本发明一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺的实例一的工艺流程示意图。
图3为实例一中最终制作的Al双端固支梁阵列的显微照片。
图4a-4f为本发明一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺的实例二的工艺流程示意图，其中，图4b是图4a的俯视图，图4f是图4e的俯视图。
图5a-5d为本发明一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺的实例三的工艺流程示意图。
图6a-6h为本发明一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺的实例四的工艺流程示意图，其中，图6h为实例四中最终形成多晶硅-硅的梁-质量块悬挂结构的俯视图。
具体实施方式
以下通过各具体实施例对本发明的一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺进行详细说明。
实施例一
本实施例为利用悬架光刻胶平坦化工艺制作Al微梁结构的方法。
在MEMS器件中经常需要制作悬臂梁和双端固支梁结构。传统的制作方法通常是先在平整的下层表面上制作出微梁的形状，再围绕微梁的边缘在下层材料上刻蚀出释放槽，最后再利用各向同性腐蚀的方法腐蚀掏空下层材料以释放微梁的结构。这种制作工艺限制了先微梁后释放的顺序，而对于在预先存在沟槽的情况下制作微梁结构需要先进行表面平坦化等一系列复杂且昂贵的工艺。悬架光刻胶的应用实现了先沟槽后微梁结构的工艺步骤，使MEMS器件的制作工艺具有了更大的灵活性。参见图2a-2d其具体工艺步骤如下：
(1)使AZ5214光刻胶在去离子水表面自组装形成光刻胶膜后粘覆转移至预先刻蚀形成有沟槽的硅片上，使之形成跨越沟槽的悬架光刻胶结构。
(2)对该悬架光刻胶结构进行曝光显影并坚膜去除水分，用于形成沟槽两侧的双端固支梁和与硅片接触的锚点孔。对于悬臂梁需在一侧形成锚点孔。如图2a所示。
(3)室温下，如25℃，使用PVD(物理气相沉积)的方法在形成了所需图形的悬架光刻胶结构上沉积500nm厚的Al金属层，Al金属层将在锚点孔处与硅片形成接触。如图2b所示。
(4)在Al金属层之上涂覆光刻胶光刻，并对Al金属层用离子束进行刻蚀以形成双端固支梁或悬臂梁的形状。如图2c所示。
(5)湿法腐蚀以去除硅片上所有的光刻胶，包括作为牺牲层的悬架光刻胶结构和Al金属层上用于光刻图形的光刻胶，以释放Al微梁结构，如图2d所示。
图3是利用该工艺流程制作的在30μm宽20μm深沟槽上制作的不同宽度的Al双端固支梁阵列的显微照片。
实施例二
本实施例为利用该悬架光刻胶平坦化工艺制作悬臂梁端部悬空电极的方法。
在MEMS结构中常需要在悬空结构上制作新的悬空结构，如在悬臂梁端部制作金属层的电流检测结构。悬空电极必须在刻蚀悬臂梁释放沟槽后制作，而由于悬臂梁端部沟槽台阶的存在，金属悬空电极的制作必须采用平坦化工艺。参见图4a-4f，其具体工艺步骤如下：
(1)在硅片上刻蚀出悬臂梁并通过XeF2释放等工艺使其成为悬空结构，其它元件可根据要求制作。
(2)使AZ5214光刻胶在去离子水表面自组装形成约500nm厚的光刻胶膜，然后粘覆转移至硅片上，使之形成跨越悬臂梁间隙的悬架光刻胶结构。
(3)对悬架光刻胶结构进行光刻显影并坚膜去除水分，以形成金属电极和硅材料的锚点，如图4a和4b所示，其中图4b是图4a的俯视图，可见在顶层的悬架光刻胶结构中形成了用于制作金属电极接触和锚点的窗口。
(4)利用磁控溅射的方法在室温条件下，如18℃，沉积1μm的Al金属层后，在Al金属层上旋涂光刻胶并光刻出电极图形，采用离子束刻蚀的方法刻蚀出Al金属电极的结构，见图4c和4d。
(5)利用丙酮湿法腐蚀光刻胶，直至Al金属电极上的图形化光刻胶和其下的牺牲层悬架光刻胶结构全部去除，见图4e和4f，其中图4f是图4e的俯视图。
实施例三
本实施例为利用该悬架光刻胶平坦化工艺制作跨沟槽的定点连接电极的方法。
参见图5a-5d，在MEMS工艺中，有时需要跨中间结构、跨沟槽在两相隔结构之间连接金属电极，该方法的悬架光刻胶平坦化工艺为这种结构制作提供了便利。其具体实施步骤如下：
(1)使AZ5214光刻胶在去离子水表面自组装形成约500nm厚的光刻胶膜后粘覆转移至预先制作好图5a所示结构的顶层硅-氧化硅-硅衬底的三层结构(SOI衬底)上，使之形成跨越顶层硅中间隙结构的悬架光刻胶结构。
(2)对AZ5214光刻胶膜进行曝光显影坚膜，用以形成金属电极和硅材料的锚点窗口。见图5a。
(3)利用磁控溅射的方法在室温条件下，如30℃，沉积200nm的Au金属层后，在Au金属层上旋涂光刻胶并光刻出连接电极图形，采用离子束刻蚀的方法刻蚀出Au电极的结构，见图5b和5c。
(4)利用丙酮湿法腐蚀光刻胶，直至Au金属电极上的图形化光刻胶和其下的牺牲层悬架光刻胶结构全部去除，见图5d。
实施例四
本实施例为利用该悬架光刻胶平坦化工艺制作悬吊质量块结构。
在MEMS工艺中，常规工艺所制作的梁-质量块结构的质量块通常位于梁平面上方，该方法的悬架光刻胶平坦化工艺为梁下质量块的悬吊结构提供了简单工艺。参见图6a-6h，其具体实施步骤如下：
(1)在顶层硅-氧化硅-硅衬底的三层结构上，刻蚀顶层硅形成图6a所示的质量块结构，其它元件和结构可根据要求制作。使AZ5214光刻胶在去离子水表面自组装形成约500nm厚的薄膜后粘覆转移至硅片上，使之形成跨越质量块间隙结构的悬架光刻胶结构。
(2)对AZ5214光刻胶膜进行曝光显影坚膜，用于形成金属层和硅材料的锚点孔洞，见图6a。
(3)利用磁控溅射的方法在室温条件下，如35℃，沉积200nm的TiW金属层后，在TiW金属层上旋涂光刻胶并光刻，采用离子束刻蚀在TiW金属层上刻蚀出其上层材料和硅片接触锚点的孔洞，见图6b和6c。
(4)丙酮去胶直至硅片上所有的光刻胶被腐蚀完全。在TiW金属层上用PECVD的方法沉积1μm的多晶硅层。在多晶硅层上旋涂光刻胶并光刻，采用深反应离子束刻蚀和离子束刻蚀方法刻蚀出所需悬吊梁结构，刻蚀可至多晶硅层和TiW金属层被刻蚀完全为止，见图6d和6e。
(5)丙酮去除多晶硅层上的光刻胶后，用双氧水腐蚀TiW金属层直至作为牺牲层的TiW被腐蚀完全，见图6f。
(6)HF酸腐蚀SiO2，直至质量块下的SiO2被腐蚀完全，最终形成多晶硅-硅的梁-质量块悬挂结构，见图6g和图6h，其中图6h是图6g的俯视图。
综上所述，本发明所述的一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺的方法，首先将自组装形成的光刻胶膜粘覆转移于存在沟槽或间隙的半导体材料表面形成平整的悬架结构，曝光显影以选择性去除不需要部位的光刻胶膜并坚膜去除水分，之后在室温条件下在光刻胶表面沉积金属或其它半导体材料层以实现其结构的平坦化工艺，最后在沉积材料层之上再次涂胶光刻并刻蚀形成结构和图形。该方法有别于传统的平坦化工艺，自下而上的自组装的方法和自上而下的光刻刻蚀工艺集成，将平坦化和光刻工艺结合在了一起，简化了工艺流程，其方法简单、材料节约、成本低廉、对设备要求低。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (7)
1.一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用自组装方法在待平坦化的半导体材料上形成跨越间隙结构的悬架光刻胶结构；
2)对所述悬架光刻胶结构进行曝光显影及坚膜以形成所需图形；
3)在形成了所需图形的悬架光刻胶结构上制备材料层，再次涂覆光刻胶，光刻并刻蚀形成材料层结构；
4)湿法腐蚀以去除悬架光刻胶结构。
2.根据权利要求1所述一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺，其特征在于：步骤1)形成悬架光刻胶结构的具体步骤为，首先将光刻胶滴于去离子水表面，使之自组装形成光刻胶膜，再将该光刻胶膜转移至待平坦化的半导体材料表面，形成跨越间隙结构的悬架光刻胶结构。
3.根据权利要求1所述一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺，其特征在于：步骤1)中所述的间隙结构为孔隙或沟槽。
4.根据权利要求1所述一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺，其特征在于：步骤3)制备的材料层为金属层或半导体材料层。
5.根据权利要求1所述一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺，其特征在于：步骤3)中在室温下制备材料层，温度为18℃-35℃。
6.根据权利要求1所述一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺，其特征在于：步骤4)中去除悬架光刻胶结构的同时，去除步骤3)中形成的光刻胶。
7.根据权利要求1所述一种用于MEMS结构的悬架光刻胶平坦化工艺，其特征在于：步骤4)中湿法腐蚀采用丙酮或乙醇作为腐蚀剂。
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