CN103482563B - 一种mems微结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS微结构的制备方法，包括以下步骤：提供半导体衬底；在所述半导体衬底表面形成聚酰亚胺牺牲层并预固化；在所述聚酰亚胺牺牲层表面形成掩膜层；去除形成在所述半导体衬底边缘部分的所述掩膜层；去除未被所述掩膜层保护的所述聚酰亚胺牺牲层；去除剩余的所述掩膜层；固化所述聚酰亚胺牺牲层。根据本发明实施例的方法，可以避免MEMS微结构制备过程中芯片边缘的结构层发生破裂的现象，提高MEMS微结构的片内成品率，有利于获得品质均一的悬空微结构。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统（MEMS）领域，特别涉及一种MEMS微结构的制备方法。
背景技术
在MEMS微加工工艺中，经常需要获得自由可动的、悬空的微结构单元以实现机械移动。这就需要借助牺牲层技术，即利用不同材料在同一种腐蚀剂（如腐蚀液或腐蚀气体）中的腐蚀速度的差异，选择性地将结构图形与衬底之间的材料（即牺牲层材料）去除，进行结构释放，形成空腔上膜（如微桥、悬臂梁）等结构。
MEMS器件制备中用到的牺牲层材料包括多孔硅、二氧化硅、光刻胶和聚酰亚胺等。其中，聚酰亚胺是一种高分子材料，由于具有耐高温、抗辐射、耐腐蚀、化学稳定性好等优点而被作为牺牲层材料得到广泛应用。
但是，由于聚酰亚胺是一种液态高分子聚合物，将其旋涂在硅片1’表面时，由于液体表面张力的作用，硅片边缘5mm-10mm区域的聚酰亚胺2’的厚度会明显厚于硅片中心区域的聚酰亚胺3’的厚度，如图1所示。图1为采用传统工艺制备的聚酰亚胺牺牲层的片内分布图。采用传统工艺制备MEMS微结构存在以下缺陷：首先，聚酰亚胺的厚度不均会在后续工艺中引入较大的热应力，使结构层容易在硅片边缘区域破裂，从而无法完成MEMS微结构的制备；其次，当MEMS微结构制备完成后，由于聚酰亚胺的厚度决定MEMS微结构的空腔高度，对MEMS器件的性能有至关重要的影响，因此硅片边缘5mm-10mm区域制备的器件往往因此性能降低甚至失效。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是提供一种以聚酰亚胺为牺牲层的MEMS微结构的制备方法，以解决采用传统MEMS工艺制备的聚酰亚胺牺牲层厚度不均导致硅片边缘区域的结构易破裂，且形成在硅片边缘区域的器件性能降低或失效的缺陷。
为达到上述目的，本发明提供一种MEMS微结构的制备方法，包括以下步骤：提供半导体衬底；在所述半导体衬底表面形成聚酰亚胺牺牲层并预固化；在所述聚酰亚胺牺牲层表面形成掩膜层；去除形成在所述半导体衬底边缘部分的所述掩膜层；去除未被所述掩膜层保护的所述聚酰亚胺牺牲层；去除剩余的所述掩膜层；固化所述聚酰亚胺牺牲层。
在本发明的一个实施例中，所述聚酰亚胺牺牲层的厚度为3um-5um。
在本发明的一个实施例中，所述预固化温度为110℃-130℃，时间为10min-40min。
在本发明的一个实施例中，被去除的形成在所述半导体衬底边缘部分的所述掩膜层的宽度为5mm-10mm。
在本发明的一个实施例中，所述掩膜层为光阻层。
在本发明的一个实施例中，所述光阻层的厚度为2um-4um。
在本发明的一个实施例中，所述聚酰亚胺牺牲层的固化温度为300℃-400℃，固化时间为0.5h-1h。
在本发明的一个实施例中，固化所述聚酰亚胺牺牲层之后，还包括以下步骤：根据预设图形刻蚀所述聚酰亚胺牺牲层，以形成图形化的芯片；在所述芯片表面形成结构层；根据预设图形刻蚀所述结构层；去除所述聚酰亚胺牺牲层，以形成所述微结构。
在本发明的一个实施例中，所述结构层的材料包括：二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一种或多种的组合。
在本发明的一个实施例中，所述结构层的厚度为1000A-2000A。
本发明提供一种以聚酰亚胺为牺牲层的MEMS微结构的制备方法，通过使用掩膜层去除形成在半导体衬底边缘部分的聚酰亚胺牺牲层，避免MEMS微结构制备过程中芯片边缘的结构层发生破裂的现象，提高MEMS微结构的片内成品率，有利于获得品质均一的悬空微结构。并且，根据本发明实施例的MEMS微结构的制备方法具有简单可控、重复性高的优点，适合大规模工业生产。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为采用传统工艺制备的聚酰亚胺牺牲层的片内分布图；
图2为本发明实施例的MEMS微结构的制备方法流程图；
图3为根据本发明实施例的制备方法制得的聚酰亚胺牺牲层的片内分布图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明实施例提供一种以聚酰亚胺为牺牲层的MEMS微结构的制备方法。图2为本发明实施例的MEMS微结构的制备方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤S01：提供半导体衬底。根据现有技术公知的设计要求（例如p型衬底或者n型衬底），半导体衬底包括但不限于基本半导体，例如硅、锗、金刚石，或化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、砷化铟或者磷化铟。半导体衬底可以可选地包括外延层，可以被应力改变以增强其性能，以及也可以包括绝缘体上硅（SOI）结构。在本实施例中，具有CMOS读出电路的芯片也可以作为衬底用于制作MEMS微结构。
步骤S02：在半导体衬底表面形成聚酰亚胺牺牲层并预固化。在本实施例中，可以在半导体衬底表面旋涂聚酰亚胺牺牲层，聚酰亚胺牺牲层的厚度可以为3um-5um。优选地，选择与结构层的热膨胀系数接近的聚酰亚胺型号，以免结构层在后续热过程中破裂，例如采用非晶硅作为结构层时，可以选用PI2610、PI2611等型号的聚酰亚胺作为牺牲层。根据所选用的聚酰亚胺的型号不同，预固化温度可以为110℃-130℃，预固化时间可以为10min-40min。在本实施例中，选用PI2610或PI2611型号的聚酰亚胺，预固化温度约为118℃，预固化时间约为40min。通过预固化使聚酰亚胺中的溶剂挥发。
步骤S03：在聚酰亚胺牺牲层表面形成掩膜层。在本实施例中，通过在聚酰亚胺牺牲层表面旋涂光刻胶，形成光阻层作为掩膜层。光阻层的厚度可以为2um-4um。
步骤S04：去除形成在半导体衬底边缘部分的掩膜层。其中，被去除的形成在半导体衬底边缘部分的掩膜层的宽度与衬底边缘偏厚的聚酰亚胺牺牲层的宽度一致，一般约为5mm-10mm。在本实施例中，可以采用洗边剂（EBR），利用洗边工艺去除形成在半导体衬底边缘部分的光阻层，并且通过调整涂布机台的喷嘴角度，可以精确地控制洗边宽度，以确保去除的边缘光阻层的宽度与衬底边缘偏厚的聚酰亚胺牺牲层的宽度一致。
步骤S05：去除未被掩膜层保护的聚酰亚胺牺牲层。在本实施例中，可以采用显影液，利用洗边工艺去除形成在半导体衬底边缘部分的聚酰亚胺牺牲层。
步骤S06：去除剩余的掩膜层。在本实施例中，可以采用EBR，利用洗边工艺去除保留在半导体衬底中心区域的剩余光阻层。
步骤S07：固化聚酰亚胺牺牲层。根据所选用的聚酰亚胺的型号不同，聚酰亚胺牺牲层的固化温度可以为300℃-400℃，固化时间可以为0.5h-1h。在本实施例中，聚酰亚胺牺牲层的固化温度可以为400℃，固化时间可以为1h。
通过上述简单可控的工艺步骤，可以在半导体衬底1的表面形成厚度均一的聚酰亚胺牺牲层2，如图2所示。图2所示为根据本发明实施例的制备方法制得的聚酰亚胺牺牲层的片内分布图。
在本发明实施例中，固化聚酰亚胺牺牲层之后，可以沿用传统的工艺方法利用聚酰亚胺牺牲层进一步形成悬空的微结构。具体可以包括以下步骤：
步骤S08：根据预设图形刻蚀聚酰亚胺牺牲层，以形成图形化的芯片。具体地，可以在聚酰亚胺牺牲层表面旋涂光刻胶，光刻以形成图形化的光刻胶，以图形化的光刻胶为掩膜刻蚀聚酰亚胺牺牲层。
步骤S09：在芯片表面形成结构层。结构层的材料可以包括：二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一种或多种的组合。结构层可以包括一层或多层，结构层的厚度可以为1000A-2000A。
步骤S10：根据预设图形刻蚀结构层。例如通过干法或湿法刻蚀结构层。
步骤S11：去除聚酰亚胺牺牲层，以形成微结构。在本实施例中，可以通过干法刻蚀释放聚酰亚胺形成悬臂梁或膜桥等悬空微结构，采用的刻蚀气体可以为O2和CF4，时间为30min-60min。
本发明提供一种以聚酰亚胺为牺牲层的MEMS微结构的制备方法，通过使用掩膜层去除形成在半导体衬底边缘部分的聚酰亚胺牺牲层，避免MEMS微结构制备过程中芯片边缘的结构层发生破裂的现象，提高MEMS微结构的片内成品率，有利于获得品质均一的悬空微结构。并且，根据本发明实施例的MEMS微结构的制备方法具有简单可控、重复性高的优点，适合大规模工业生产。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (9)
1.一种MEMS微结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底表面形成聚酰亚胺牺牲层并预固化；
在所述聚酰亚胺牺牲层表面形成掩膜层；
去除形成在所述半导体衬底边缘部分的所述掩膜层；
去除未被所述掩膜层保护的所述聚酰亚胺牺牲层；
去除剩余的所述掩膜层；
固化所述聚酰亚胺牺牲层；
根据预设图形刻蚀所述聚酰亚胺牺牲层，以形成图形化的芯片；
在所述芯片表面形成结构层；
根据预设图形刻蚀所述结构层；
去除所述聚酰亚胺牺牲层，以形成所述微结构。
2.如权利要求1所述的MEMS微结构的制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺牺牲层的厚度为3μm-5μm。
3.如权利要求1所述的MEMS微结构的制备方法，其特征在于，所述预固化温度为110℃-130℃，时间为10min-40min。
4.如权利要求1所述的MEMS微结构的制备方法，其特征在于，被去除的形成在所述半导体衬底边缘部分的所述掩膜层的宽度为5mm-10mm。
5.如权利要求1所述的MEMS微结构的制备方法，其特征在于，所述掩膜层为光阻层。
6.如权利要求5所述的MEMS微结构的制备方法，其特征在于，所述光阻层的厚度为2μm-4μm。
7.如权利要求1所述的MEMS微结构的制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺牺牲层的固化温度为300℃-400℃，固化时间为0.5h-1h。
8.如权利要求1所述的MEMS微结构的制备方法，其特征在于，所述结构层的材料包括：二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一种或多种的组合。
9.如权利要求1所述的MEMS微结构的制备方法，其特征在于，所述结构层的厚度为
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