CN103303858A

CN103303858A - 采用koh溶液的硅基mems器件湿法释放方法

Info

Publication number: CN103303858A
Application number: CN2012100623624A
Authority: CN
Inventors: 尚海平; 焦斌斌; 卢迪克; 李志刚; 刘瑞文; 陈大鹏
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Ruili Flat Core Microelectronics Guangzhou Co Ltd
Priority date: 2012-03-10
Filing date: 2012-03-10
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2032-03-10
Also published as: CN103303858B

Abstract

一种采用KOH溶液的硅基MEMS器件湿法释放方法，硅基MEMS器件具有硅衬底，硅衬底的上表面有已经制备完成的电路结构层，该方法包括以下步骤：对硅衬底的下表面进行机械抛光，在硅衬底的下表面形成有机械损伤层；先采用光刻胶覆盖于电路结构层上，接着使用硅腐蚀液去除机械损伤层，然后去除光刻胶；在去除了所述机械损伤层后的硅衬底的下表面生长抗KOH溶液腐蚀膜并将其图形化；最后采用水浴加热的KOH溶液完成湿法释放工艺。本发明利用现有设备、工艺流程简单、节约工艺时间、生产成本低廉，并与传统微细加工工艺兼容的采用KOH溶液的硅基MEMS器件湿法释放工艺，从而进一步提高生产效率。

Description

采用KOH溶液的硅基MEMS器件湿法释放方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域的微机械系统(MEMS)加工技术，尤其涉及一种采用KOH溶液的硅基MEMS器件湿法释放方法。

背景技术

微机械系统(MEMS)技术起源于20世纪80年代末，建立在微电子技术基础上，已成为当今国际高技术竞争的热点。由于硅材料自身的卓越性质和与超大规模集成电路(VLSI)的兼容性，体硅的微加工技术已经成为MEMS工艺中的关键部分。硅腐蚀技术是微机械加工中最基础、最关键的技术，而采用氢氧化钾溶液(KOH溶液)对硅进行的湿法腐蚀则是硅基体加工中的一项关键技术，已被广泛应用于硅基元器件的空腔结构中，如半导体激光器的谐振腔、MEMS共面波导腔结构带阻滤波器件、非制冷红外FPA等硅微机械结构。

在采用KOH溶液的硅基MEMS器件湿法释放工艺中，虽然采用抗KOH溶液腐蚀的PE SiNx膜可以实现选择性的硅湿法释放，但是由于硅衬底较厚(一般为600μm～800μm)，而在70℃水浴加热的质量比为33％的KOH溶液中硅腐蚀速率仅为1μm/m，故完成释放工艺至少需要10小时以上。为了缩短释放时间，提高生产效率，通常采用机械抛光减薄硅衬底后再采用湿法释放工艺。例如，将硅衬底厚度由600μm减薄至300μm后，其释放时间将缩短5小时。然而，当采用机械抛光工艺后，将在硅片经减薄表面产生一层大约10μm～20μm的机械损伤层，机械损伤层引入的机械应力将影响淀积SiNx膜的附着力，机械损伤层的形貌将影响淀积SiNx膜的台阶覆盖率，它们将直接影响SiNx膜的抗KOH溶液腐蚀特性，即抗KOH溶液腐蚀SiNx膜将失去其抗腐蚀特性。从而影响半导体器件的成品率。如图6所示即为现有技术的不去除机械损伤层的硅基MEMS器件硅释放工艺失败示意图。

虽然在现有技术中，也可在机械抛光工艺后采用机械化学抛光(CMP)工艺去除机械损伤层，然后再采用湿法释放工艺。但是那样将增加CMP设备，使得成本增加、工艺流程复杂，拉长了工艺时间。

因此，现有技术在节省时间和保证质量这二者之间很难兼顾，生产效率不能得到提高。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种采用KOH溶液的硅基MEMS器件湿法释放方法。

实现本发明目的的技术方案是：

一种采用KOH溶液的硅基MEMS器件湿法释放方法，所述硅基MEMS器件具有硅衬底，硅衬底的上表面有已经制备完成的电路结构层，该方法包括以下步骤：对所述硅衬底的下表面进行机械抛光，在所述硅衬底的下表面形成有机械损伤层；先采用光刻胶覆盖于所述电路结构层上，接着使用硅腐蚀液去除所述机械损伤层，然后去除所述光刻胶；在去除了所述机械损伤层后的硅衬底的下表面生长抗KOH溶液腐蚀膜并将其图形化；最后采用水浴加热的KOH溶液完成湿法释放工艺。

在一个实施例中，机械损伤层厚度为10μm～20μm。光刻胶的厚度为2μm～7μm。硅腐蚀液为硝酸(HNO3)、氢氟酸(HF)和冰醋酸(CH3COOH)混合液，其中HNO3∶HF∶CH3COOH＝30～160∶10∶10～100。光刻胶是采用丙酮去除。

其中抗KOH溶液腐蚀膜为PE SiNx膜，通过淀积方法生成。抗KOH溶液腐蚀膜的图形化采用曝光工艺和干法刻蚀工艺，选择性去除PE SiNx膜。KOH溶液浓度为质量比为33％～50％，所述水浴加热的温度为70℃～80℃，加热时间为4～6小时、优选加热时间为5小时。

本发明的采用KOH溶液的硅基MEMS器件湿法释放方法，利用现有设备、工艺流程简单、节约工艺时间、生产成本低廉，并与传统微细加工工艺兼容的采用KOH溶液的硅基MEMS器件湿法释放工艺，从而进一步提高生产效率。

附图说明

图1～图5为本发明一个实施例中，采用KOH溶液进行湿法释放的各工艺流程中硅基MEMS器件的剖面图。

图6为现有技术的不去除机械损伤层的硅基MEMS器件硅释放工艺失败示意图。

具体实施方式

以下结合附图并以具体实施方式为例，对本发明进行详细说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。

首先准备硅基MEMS器件，如图1所示，硅基MEMS器件具有硅衬底100，硅衬底100的上表面有已经制备完成的电路结构层200，硅衬底100厚度为600μm。

步骤100：对硅衬底100的下表面进行机械抛光，如图2的实施例所示，将硅衬底100减薄至300μm～450μm；但是同时在硅衬底100的下表面形成了机械损伤层90，一般的，机械损伤层90厚度大约为10μm～20μm。

与现有技术不同的是，针对机械损伤层，本发明的方法则还要进行以下步骤：

步骤200：如图3所示，采用光刻胶300覆盖于电路结构层200上，光刻胶300的厚度为2μm～7μm，以保护硅片正面；

步骤300：然后使用硅腐蚀液去除10μm～20μm机械损伤层90，其中硅腐蚀液为硝酸(HNO₃)、氢氟酸(HF)和冰醋酸(CH₃COOH)混合液，其中HNO₃∶HF∶CH₃COOH＝30～160∶10∶10～100，然后采用丙酮去除光刻胶300。

由此可见，本发明在机械抛光后通过步骤200和步骤300采用化学抛光方法去除了机械损伤层90，从而使得硅衬底100的下表面平整光滑。

步骤400：如图4所示，在去除了机械损伤层90后的硅衬底100的下表面生长抗KOH溶液腐蚀膜80并将其图形化；在一个具体实施例中，抗KOH溶液腐蚀膜80为PE SiNx膜，通过淀积方法生成。其中的图形化工艺则采用曝光工艺和干法刻蚀工艺，选择性去除PE SiNx膜80。

由于硅衬底100的下表面的机械损伤层90已经完全被去除，所以SiNx膜80的附着力不受影响，其抗腐蚀特性也就不受影响，从而保证了半导体器件的成品率。

步骤500：如图5所示，最后采用70℃～80℃水浴加热的质量比为33％～50％的KOH溶液，腐蚀4～6小时、优选为5小时完成湿法释放工艺。

此处如果没有步骤200和步骤300的话，那么机械损伤层90就会附着在硅衬底100和抗KOH溶液腐蚀膜80之间。由于机械损伤层是高度变形和碎裂的层，也是机械应力最集中的地方，硅衬底的晶格失配和机械应力将影响淀积SiNx膜的附着力，甚至导致SiNx膜开裂、脱落等现象，此外高度变形的机械损伤层还将影响淀积SiNx膜的台阶覆盖率，它们都将直接影响SiNx膜的抗KOH溶液腐蚀特性，使得SiNx不具备抗KOH溶液腐蚀能力，当经过步骤500后，将完全被腐蚀掉。如图6所示，由于缺少硅衬底的支撑，MEMS器件将完全失效，即硅释放工艺失败。

本发明在机械抛光后采用化学抛光方法去除机械损伤层，由于硅衬底100表面光滑平整，使得抗KOH溶液腐蚀膜80能够很好地附着于其上，保证了抗KOH溶液腐蚀膜80的抗KOH溶液腐蚀能力，增强了抗KOH溶液腐蚀SiNx膜的抗腐蚀特性，实现采用PE SiNx膜掩蔽的KOH溶液湿法释放工艺。其工艺流程简单、生产成本低廉(无需添加昂贵的CMP设备)、并与传统微细加工工艺兼容等优点，可用于采用KOH溶液的硅基MEMS器件湿法释放工艺中，从而进一步提高生产效率。

应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离附后的权利要求书的范围。

Claims

1.一种采用KOH溶液的硅基MEMS器件湿法释放方法，所述硅基MEMS器件具有硅衬底，所述硅衬底的上表面有已经制备完成的电路结构层，其特征是：该方法包括以下步骤：

对所述硅衬底的下表面进行机械抛光，在所述硅衬底的下表面形成有机械损伤层；

先采用光刻胶覆盖于所述电路结构层上，接着使用硅腐蚀液去除所述机械损伤层，然后去除所述光刻胶；

在去除了所述机械损伤层后的硅衬底的下表面生长抗KOH溶液腐蚀膜并将其图形化；

最后采用水浴加热的KOH溶液完成湿法释放工艺。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述机械损伤层厚度为10μm～20μm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述光刻胶的厚度为2μm～7μm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述硅腐蚀液为硝酸(HNO₃)、氢氟酸(HF)和冰醋酸(CH3COOH)混合液，其中HNO3∶HF∶CH3COOH＝30～160∶10∶10～100。

5.如权利要求1或3所述的方法，其特征是：所述光刻胶是采用丙酮去除。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述抗KOH溶液腐蚀膜为PE SiNx膜，通过淀积方法生成。

7.如权利要求6所述的方法，其特征是：所述抗KOH溶液腐蚀膜的图形化采用曝光工艺和干法刻蚀工艺，选择性去除PE SiNx膜。

8.如权利要求7所述的方法，其特征是：所述KOH溶液浓度为质量比为33％～50％，所述水浴加热的温度为70℃～80℃，加热时间为4～6小时。

9.如权利要求8所述的方法，其特征是：所述加热时间为5小时。