CN102530847A

CN102530847A - 热绝缘微结构及其制备方法

Info

Publication number: CN102530847A
Application number: CN2012100412591A
Authority: CN
Inventors: 徐德辉; 熊斌; 孙晓; 吴国强; 王跃林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明提供一种热绝缘微结构及制备方法，属于微机电系统领域。该热绝缘微结构的制备方法是通过在一SOI衬底顶层硅上光刻并刻蚀出与SOI衬底中绝缘埋层相接的环形沟槽，并在所述环形沟槽中填充一种不易被衬底腐蚀气体或等离子体所腐蚀的腐蚀终止材料，利用干法各向同性腐蚀技术将所述填充腐蚀终止材料的环形沟槽与SOI衬底绝缘埋层组成的腐蚀终止层所包围的区域去除，从而实现微结构体的释放和热绝缘。本发明在不增加工艺复杂度的条件下实现了对热绝缘结构下方的衬底腐蚀形貌的精确控制，从而也达到了对微结构的热绝缘性能的精确控制。同时，既利用了干法各向同性腐蚀技术的释放微结构成品率高的优点，又克服了其不易控制的缺点，具有较好的利用价值。

Description

热绝缘微结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其是涉及一种热绝缘微结构及其制备方法。

背景技术

在微机电系统技术领域，为了制作出敏感微结构，一般需要将敏感微结构下方的衬底材料去除，以避免衬底对传感器的影响，并同时提高微结构的灵敏度。对于热式微机电传感器，需要将敏感微结构的硅衬底去除，以实现敏感微结构的热绝缘。目前将敏感微结构下方衬底去除的方法主要有湿法腐蚀和干法腐蚀两大类，Gregory T.A.Kovacs等在《Proceedings of theIEEE》杂志上发表的文章《Bulk Micromachining of Silicon》中介绍了该两种腐蚀技术。

湿法腐蚀技术是通过腐蚀溶液将衬底材料去除。对于硅衬底而言，湿法腐蚀一般是各向异性腐蚀，腐蚀结果和衬底材料本身的晶向相关，腐蚀的形貌可以得到较好的控制。

干法腐蚀技术是通过气体或等离子体将衬底材料去除，其腐蚀一般呈现各向异性或各向同性。对于各向异性干法腐蚀技术，在电磁场的偏置下，刻蚀气体或等离子体一般是在垂直方向与衬底发生化学反应或在垂直方向上轰击衬底，从而在垂直方向上将衬底材料去除；对于各向同性干法腐蚀技术，刻蚀气体或等离子体一般通过自由扩散的方式和衬底接触，从而在横向方向和垂直方向上都可以将衬底材料刻蚀。

由于湿法腐蚀技术具有晶向选择性，腐蚀方向可以得到较好的控制，并且腐蚀的终点也可以得到很好的控制。因此采用湿法腐蚀可以精确控制热绝缘微结构下方衬底腐蚀形貌，从而可以对微结构的热绝缘性能进行精确控制。此外，由于湿法腐蚀技术在溶液中进行，具有较好的一致性，因此采用湿法腐蚀技术制作热绝缘微结构也具有较好的重复性。然而，由于微结构的尺寸一般都在微米级别，液体溶液中表面张力对悬浮微结构会有较大的影响，表面张力会使悬浮微结构粘附在衬底上，甚至还会导致悬浮微结构的破裂，降低了微结构制作的成品率。

干法腐蚀技术中没有液体溶液，因而避免了湿法腐蚀中的表面张力对悬浮微结构的影响，提高了微结构释放的成品率。由于干法各向异性腐蚀只是在垂直方向上将衬底材料去除，无法在水平方向上腐蚀衬底材料。而为了将微结构下方纵向和横向的衬底去除，就必然要求采用干法各向同性腐蚀技术。对于干法各向同性腐蚀，腐蚀气体或等离子体一般是通过横向方向上的扩散和衬底材料接触，从而将衬底材料腐蚀。由于无法采用电磁场偏置对横向方向上的扩散进行精确控制，干法各向同性干法腐蚀技术的可控性一般较差。此外，由于干法各向同性腐蚀技术并没有晶向选择性，其腐蚀终点一般无法进行精确控制。这就导致采用干法各向同性腐蚀制作热绝缘结构下方的衬底腐蚀形貌无法得到精确控制，从而使微结构的热绝缘性能也无法得到精确控制。因此，采用干法各向同性腐蚀制作的热绝缘微结构的重复性和一致性也都较差。

鉴于此，怎样在不增加工艺复杂度的条件下，提出一种新的热绝缘微结构及其制备的方法，使其既利用干法腐蚀的优点，又能实现对热绝缘结构下方的衬底腐蚀形貌的精确控制，实已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热绝缘微结构及其制备的方法，用以解决现有技术中热绝缘微结构下方衬底腐蚀形貌不易控制以及释放热绝缘微结构成品率低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种热绝缘微结构的制备方法，其制备方法至少包括以下步骤：

a)提供一SOI衬底，刻蚀所述SOI衬底的顶层硅，制作出沿所述SOI衬底周缘内侧的且暴露出绝缘埋层的环形沟槽；

b)将至少一种腐蚀终止材料填充至所述环形沟槽中；

c)于所述SOI衬底的顶层硅以及腐蚀终止材料上沉积第一支撑膜材料层；

d)于所述第一支撑膜材料层上沉积一层敏感薄膜材料层，并于所述敏感薄膜材料层上刻蚀出欲制备释放孔的区域；

e)于所述经图形化的敏感薄膜材料层上沉积支撑膜材料叠层；

f)依据所述敏感薄膜材料层上的欲制备释放孔的区域，对所述支撑膜材料叠层以及第一支撑膜材料层进行光刻并刻蚀直至暴露出所述顶层硅的释放孔；

g)采用干法各向同性腐蚀技术从所述释放孔注入腐蚀气体或等离子体将所述第一支膜材料层、填充至所述环形沟槽中的腐蚀终止材料、以及所述SOI衬底的绝缘埋层之间的顶层硅去除，以形成腔体结构。

可选地，所述步骤a)中，所述环形沟槽的深度等于所述SOI衬底的顶层硅的厚度，为1-500μm。进一步可选地，所述步骤a)中，所述SOI衬底的绝缘埋层材料选自SiO₂或聚合物BCB中的一种。

可选地，于所述步骤b)中，在所述环形沟槽中填充腐蚀终止材料的方法选自薄膜沉积、LPCVD沉积以及热氧化生长工艺中的一种。进一步可选地，于所述步骤b)中所述填充至环形沟槽中的腐蚀终止材料选自SiO₂、聚合物PDMS以及聚合物SU-8中的一种。

可选地，于所述步骤e)中，所述的支撑膜材料叠层包括所述的第一支撑膜材料层、形成于所述第一支撑膜材料层之上的第二支撑膜材料层以及形成于所述第二支撑膜材料层之上的第一支撑膜材料层。进一步可选地，所述第一支撑膜材料和第二支撑膜材料分别选自SiO₂、Si₂N₄及聚合物SU-8中的一种。

可选地，所述步骤g)的干法各向同性腐蚀工艺中，腐蚀气体或等离子体对所述环形沟槽中的腐蚀终止材料和绝缘埋层材料的腐蚀速率小于对微结构下方SOI衬底顶层硅的腐蚀速率。

本发明的另一个目的是提供一种热绝缘微结构，该结构包括：SOI衬底，具有一凹槽，且所述凹槽的底部为绝缘埋层，其侧壁上形成有腐蚀终止材料；微结构体，覆盖于所述凹槽上并与其形成腔体结构，且具有连通该腔体的释放孔，包括敏感薄膜材料层以及包覆所述敏感薄膜材料层的支撑膜材料层。

可选地，所述凹槽的深度等于所述SOI衬底的顶层硅的厚度，为1-500μm。

可选地，所述腐蚀终止材料选自SiO₂、聚合物PDMS及聚合物SU-8中的一种。

可选地，所述支撑膜材料层由第一支撑膜材料层以及由第一支撑膜材料层和第二支撑膜材料层组成的叠层。进一步可选地，所述的叠层包括所述的第一支撑膜材料层、形成于所述第一支撑膜材料层之上的第二支撑膜材料层以及形成于所述第二支撑膜材料层之上的第一支撑膜材料层。

可选地，所述第一支撑膜材料层和第二支撑膜材料层的材料分别选自SiO₂、Si₂N₄及聚合物SU-8中的一种。

可选地，所述SOI衬底的绝缘埋层材料选自SiO₂或聚合物BCB中的一种。

如上所述，本发明的热绝缘微结构及其制备的方法，具有以下有益效果：

通过在所述SOI衬底顶层硅环形沟槽中填充一种不易被衬底腐蚀气体或等离子体所腐蚀的腐蚀终止材料实现对SOI衬底顶层硅横向腐蚀终点的精确控制；而利用SOI衬底绝缘埋层作为另外一种腐蚀终止材料实现了对SOI衬底顶层硅纵向腐蚀终点的精确控制，同时，采用SOI衬底作为基底材料，所述微结构体和衬底的间距可以通过顶层硅厚度进行灵活控制，从而热绝缘微结构的绝热性能也可以得到精确控制。此外，由于支撑膜下方的衬底腐蚀形貌可以精确控制，热绝缘微结构制作的重复性和一致性也可以得到提高。而采用干法各向同性腐蚀方法制备热绝缘微结构则提高了其制作的成品率。

附图说明

图1a-1g显示为本发明热绝缘微结构制备方法中各步骤呈现的热绝缘微结构示意图。

图2为显示为本发明的热绝缘微结构示意图。

图3显示为本发明热绝缘微结构制备方法中环形沟槽中填充腐蚀终止材料后SOI衬底平面图。

元件标号说明

11 SOI衬底

110 背衬底

111 绝缘埋层

112 顶层硅

12 环形沟槽

13 腐蚀终止材料

14 第一支撑膜材料层

15 敏感薄膜材料层

16 第二支撑膜材料层

17 释放孔

18 腔体结构

19 微结构体

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以应用，本发明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行的各种修饰或改变。

下面结合说明书附图进一步说明本发明提供的一种热绝缘微结构及其制备方法，为了示出的方便附图并未按照比例绘制，特此述明。

实施例一

对照说明书附图1a-1g对本发明提供的一种热绝缘微结构制备的方法做进一步的解释和说明，具体制备工艺至少包括以下步骤：

步骤一，如图1a所示，提供一SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)衬底11，所述SOI衬底11包括背衬底110，形成于所述背衬底110上的绝缘埋层111，以及形成于所述绝缘埋层111上的顶层硅112，刻蚀所述SOI衬底11的顶层硅112，制作出沿所述SOI衬底11周缘内侧的且暴露出绝缘埋层111的环形沟槽12，所述SOI衬底11的绝缘埋层111材料选自SiO₂材料或聚合物BCB(苯并环丁烯)材料中的一种。在本实施例中，所述绝缘埋层111为SiO₂材料。可采用本领域常规设备及工艺方法，在所述SOI衬底11的顶层硅112上光刻出沿其周缘内侧的环形沟槽形状，接着采用RIE(Reactive Ion etching，反应离子刻蚀)技术，对光刻过的顶层硅12进行图形化刻蚀，制作出暴露出绝缘埋层111的环形沟槽12，且该环形沟槽12的深度与所述顶层硅112的厚度相同，深度范围为1-500μm，并与作为一种腐蚀终止材料的SOI衬底11上的绝缘埋层111相接。通过调节SOI衬底11的顶层硅112的厚度，可以制备出具有不同性能的热绝缘微结构。

步骤二中，如图1b所示，将至少一种腐蚀终止材料13填充至所述环形沟槽12中，该腐蚀终止材料13可选自SiO₂、聚合物PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)及聚合物SU-8(环氧基紫外负型光刻胶)中的一种，在具体的实施方式中，对应每一种所选的材料，可选自薄膜沉积、LPCVD沉积(Low-pressure chemical vapor deposition，低压化学气相沉积)或者热氧化生长工艺，也就是说，利用热氧化生长SiO₂，或薄膜沉积工艺沉积PDMS聚合物，或LPCVD沉积SiO₂中的一种工艺及相应的材料，在本实施例中，暂以利用热氧化生长的SiO₂材料作为腐蚀终止材料13为例进行说明。由于步骤一中所述的环形沟槽12填满至与所述SOI衬底11顶层硅112的厚度一样，从而所填充的环形沟槽12与所述SOI衬底11中的为SiO₂材料的绝缘埋层111所组成的边界层就是腐蚀终止层，所包围的区域就是本实施例中所要腐蚀去除的部分。通过该腐蚀终止层实现了对所述SOI衬底11顶层硅112的横向和纵向腐蚀终点的精确控制。呈如图3所示，显示为环形沟槽12中填充腐蚀终止材料13后SOI衬底11平面图。

步骤三中，如图1c所示，于所述SOI衬底11的顶层硅112以及腐蚀终止材料13上沉积第一支撑膜材料层14，且第一支撑膜材料选自SiO₂、Si₂N₄及聚合物SU-8中的一种。在本实施例中，暂以SiO₂材料作为第一支撑膜材料层14的材料进行说明。

步骤四中，于所述第一支撑膜材料层14上沉积一层敏感薄膜材料层15，并于所述敏感薄膜材料层15上刻蚀出欲制备释放孔17的区域，得到呈如图1d所示的形状。

步骤五中，如图1e所示，于所述经图形化的敏感薄膜材料层15上沉积支撑膜材料叠层，在本实施例中，所述的支撑膜材料叠层包括所述的第一支撑膜材料层14、形成于所述第一支撑膜材料层14之上的第二支撑膜材料层16、以及形成于所述第二支撑膜材料层16之上的第一支撑膜材料层14。但并不局限于此，在另一种实施例中，所述的支撑膜材料叠层的层叠顺序还可以是第二支撑膜材料层16、形成于第二支撑膜材料层16之上的第一支撑膜材料层14、以及形成于所述第一支撑膜材料层14之上的再一层第一支撑膜材料层14(未予以图示)。

具体地，所述第一支撑膜材料层14和第二支撑膜材料层16的材料分别选自SiO₂、Si₂N₄及聚合物SU-8中的一种，在本实施例中，暂以Si₃N₄材料作为第二支撑膜材料层16的材料进行说明。

步骤六中，如图1f所示，依据所述敏感薄膜材料层15上的欲制备释放孔17的区域，对所述支撑膜材料叠层以及第一支撑膜材料层14进行光刻并刻蚀直至暴露出所述顶层硅112的释放孔17；所述的支撑膜材料叠层包括所述的第一支撑膜材料层14、形成于所述第一支撑膜材料层14之上的第二支撑膜材料层16以及形成于所述第二支撑膜材料层16之上的第一支撑膜材料层14；采用的刻蚀方法为RIE刻蚀。

步骤七中，如图1g所示，采用干法各向同性腐蚀技术从所述释放孔17注入腐蚀气体或等离子体将所述第一支撑膜材料层14、填充至所述环形沟槽12中的腐蚀终止材料13、以及所述SOI衬底11的绝缘埋层111之间的顶层硅112去除，以形成腔体结构18。所述SOI衬底11的绝缘埋层111材料选自SiO₂或聚合物BCB中的一种；所述的干法各向同性腐蚀工艺中，对所述环形沟槽12中的腐蚀终止材料13和绝缘埋层111材料的腐蚀速率小于对微结构下方SOI衬底顶层硅112的腐蚀速率。本步骤中的干法各向同性腐蚀技术避免了湿法腐蚀中的表面张力对悬浮微结构的影响，提高了微结构释放的成品率；然而，对于干法各向同性腐蚀，腐蚀气体或等离子体一般是通过横向方向上的扩散和衬底材料接触，从而将衬底材料腐蚀。由于无法采用电磁场偏置对横向方向上的扩散进行精确控制，干法各向同性干法腐蚀技术的可控性一般较差。本发明中的干法各向同性腐蚀工艺中，热绝缘微结构释放前制作了腐蚀终止层，并对所述腐蚀终止层所包围区域进行干法各向同性腐蚀，实现了对热绝缘微结构下方的衬底腐蚀形貌的精确控制，从而也达到了对微结构的热绝缘性能的精确控制。

实施例二

本发明还提供一种热绝缘微结构，如图2所示，该微结构包括：一个SOI衬底11，以及一个微结构体19。

所述SOI衬底11具有一凹槽(未标示)，且所述凹槽的底部为绝缘埋层111，其侧壁上形成有腐蚀终止材料13。于本实施例中，所述凹槽的深度等于所述SOI衬底的顶层硅112的厚度，为1-500μm。所述腐蚀终止材料13选自SiO₂、聚合物PDMS及聚合物SU-8中的一种，在本实施例中，暂以利用热氧化生长的SiO₂材料作为腐蚀终止材料13为例进行说明。所述SOI衬底11的绝缘埋层111材料选自SiO₂或聚合物BCB中的一种，本实施例中，暂选SiO₂为SOI衬底11的绝缘埋层111。

所述微结构体19覆盖于所述凹槽上并与其形成腔体结构18，且具有连通该腔体的释放孔17，包括敏感薄膜材料层15以及包覆所述敏感薄膜材料层15的支撑膜材料层(即图示中的第一支撑膜材料层14和第二支撑膜材料层16)。

于本实施例中，所述支撑膜材料层由第一支撑膜材料层14以及由第一支撑膜材料层14和第二支撑膜材料层16组成的叠层，所述的叠层包括所述的第一支撑膜材料层14、形成于所述第一支撑膜材料层14之上的第二支撑膜材料层16以及形成于所述第二支撑膜材料层14之上的第一支撑膜材料层14。但并不局限于此，在另一种实施例中，所述的支撑膜材料叠层的层叠顺序还可以是第二支撑膜材料层16、形成于第二支撑膜材料层16之上的第一支撑膜材料层14、以及形成于所述第一支撑膜材料层14之上的再一层第一支撑膜材料层14(未予以图示)。

第一支撑膜材料层14和第二支撑膜材料层16的材料分别选自SiO₂、Si₂N₄及聚合物SU-8中的一种。

本发明在所述SOI衬底11顶层硅112环形沟槽12中填充一种不易被衬底腐蚀气体或等离子体所腐蚀的腐蚀终止材料13实现对SOI衬底11顶层硅112横向腐蚀终点的精确控制；而利用SOI衬底11绝缘埋层111作为另外一种腐蚀终止材料实现了对SOI衬底11顶层硅112纵向腐蚀终点的精确控制，同时，采用了SOI衬底11作为基底材料，所述微结构体19和衬底的间距可以通过顶层硅112厚度进行灵活控制，从而热绝缘微结构的绝热性能也可以得到精确控制。

综上所述，本发明通过在所述SOI衬底顶层硅环形沟槽中填充一种不易被衬底腐蚀气体或等离子体所腐蚀的腐蚀终止材料实现对SOI衬底顶层硅横向腐蚀终点的精确控制，而采用SOI衬底绝缘埋层作为另外一种腐蚀终止材料实现了对SOI衬底顶层硅纵向腐蚀终点的精确控制，同时，采用SOI衬底作为基底材料，所述微结构体和衬底的间距可以通过顶层硅厚度进行灵活控制，从而热绝缘微结构的绝热性能也可以得到精确控制。此外，由于支撑膜下方的衬底腐蚀形貌可以精确控制，热绝缘微结构制作的重复性和一致性也可以得到提高。而采用干法各向同性腐蚀制作热绝缘微结构则提高了其制作的成品率，既利用了干法腐蚀技术的释放微结构成品率高的优点，又克服了其不易控制的缺点，具有较好的利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种热绝缘微结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：

b)将至少一种腐蚀终止材料填充至所述环形沟槽中；

2.根据权利要求1所述的热绝缘微结构的制备方法，其特征在于，于所述步骤a)中，所述环形沟槽的深度等于所述SOI衬底的顶层硅的厚度，为1-500μm。

3.根据权利要求1所述的热绝缘微结构的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述SOI衬底的绝缘埋层材料选自SiO₂或聚合物BCB中的一种。

4.根据权利要求1所述的热绝缘微结构的制备方法，其特征在于，于所述步骤b)中，在所述环形沟槽中填充腐蚀终止材料的方法选自薄膜沉积、低压化学气相沉积以及热氧化生长工艺中的一种。

5.根据权利要求1所述的热绝缘微结构的制备方法，其特征在于，于所述步骤b)中，填充至所述环形沟槽中的腐蚀终止材料选自SiO₂、聚合物PDMS及聚合物SU-8中的一种。

6.根据权利要求1所述的热绝缘微结构的制备方法，其特征在于，于所述步骤c)中，第一支撑膜材料层的材料选自SiO₂、Si₂N₄及聚合物SU-8中的一种。

7.根据权利要求1所述的热绝缘微结构的制备方法，其特征在于，于所述步骤e)中，所述的支撑膜材料叠层包括所述的第一支撑膜材料层、形成于所述第一支撑膜材料层之上的第二支撑膜材料层以及形成于所述第二支撑膜材料层之上的第一支撑膜材料层。

8.根据权利要求7所述的热绝缘微结构的制备方法，其特征在于，所述第二支撑膜材料选自SiO₂、Si₂N₄及聚合物SU-8中的一种。

9.根据权利要求1所述的热绝缘微结构的制备方法，其特征在于，所述步骤g)的干法各向同性腐蚀工艺中，对所述环形沟槽中的腐蚀终止材料和绝缘埋层材料的腐蚀速率小于对微结构下方SOI衬底顶层硅的腐蚀速率。

10.一种热绝缘微结构，其特征在于，包括：

SOI衬底，具有一凹槽，且所述凹槽的底部为绝缘埋层，其侧壁上形成有腐蚀终止材料；

微结构体，覆盖于所述凹槽上并与其形成腔体结构，且具有连通该腔体的释放孔，包括敏感薄膜材料层以及包覆所述敏感薄膜材料层的支撑膜材料层。

11.根据权利要求10所述的热绝缘微结构，其特征在于，所述凹槽的深度等于所述SOI衬底的顶层硅的厚度，为1-500μm。

12.根据权利要求10所述的热绝缘微结构，其特征在于，所述腐蚀终止材料选自SiO₂、聚合物PDMS及聚合物SU-8中的一种。

13.根据权利要求10所述的热绝缘微结构，其特征在于，所述支撑膜材料层由第一支撑膜材料层以及由第一支撑膜材料层和第二支撑膜材料层组成的叠层。

14.根据权利要求13所述的热绝缘微结构，其特征在于，所述的叠层包括所述的第一支撑膜材料层、形成于所述第一支撑膜材料层之上的第二支撑膜材料层以及形成于所述第二支撑膜材料层之上的第一支撑膜材料层。

15.根据权利要求14所述的热绝缘微结构，其特征在于，第一支撑膜材料选自SiO₂、Si₂N₄及聚合物SU-8中的一种。

16.根据权利要求14所述的热绝缘微结构，其特征在于，第二支撑膜材料选自SiO₂、Si₂N₄及聚合物SU-8中的一种。

17.根据权利要求10所述的热绝缘微结构，其特征在于，所述SOI衬底的绝缘埋层材料选自SiO₂或聚合物BCB中的一种。