CN103922272B - 复合腔体及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纯二氧化硅侧壁的腔体结构、复合腔体及其形成方法，该腔体结构的形成方法包括步骤：提供硅衬底；在其正面形成二氧化硅层；对二氧化硅层作图形化，形成凹槽；提供键合片，将其与二氧化硅层键合，在硅衬底与键合片之间形成密闭的侧壁为二氧化硅的腔体结构。该复合腔体的形成方法在先获得该腔体结构的基础上包括步骤：在硅衬底的背面形成掩蔽层并对其作图形化；以掩蔽层为掩模，从背面刻蚀硅衬底至正面的二氧化硅层，在硅衬底中形成大腔体；以掩蔽层和二氧化硅层为掩模，从背面穿过硅衬底刻蚀键合片，在键合片及二氧化硅层中形成小腔体。本发明提高了形成复合腔体时从硅衬底的背面刻蚀形成小腔体后小腔体介质厚度的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)技术领域，具体来说，本发明涉及一种纯二氧化硅侧壁的腔体结构、复合腔体及其形成方法。
背景技术
普通SOI(SiliconOnInsulator，绝缘体上硅)键合技术的含义包括将两层硅或二氧化硅界面在特定的环境下进行键合。
SOI技术演变出了CSOI(CavitySOI，空腔SOI)技术，即预先在衬底硅材料片上图形化并刻蚀/腐蚀出一个空腔(一般为事先刻出一个硅腔体)，再进行硅硅键合，从而形成一个近真空的封闭腔体。在实际产品应用中，可以作为惯性器件纵向运动空间或表层压力器件的形变膜腔体。
在需要开放式背腔的MEMS应用(如硅麦克风)中，经常会使用到SOI片并在最后工艺阶段用刻蚀方法打开背腔。但是普通的SOI结构决定了形成的背面腔体相对比较单一；而CSOI结构虽然可以提供预埋腔体，但是在经过背面穿通刻蚀后预埋的底层空腔单晶硅介质厚度会因为刻蚀工艺本身(刻蚀方法如DRIE，深反应离子刻蚀)的均匀性而难以控制(约20％片内均匀性)。
图1为现有技术中的一种腔体结构的形成工艺的流程图。如图1所示，在工艺步骤S11中，提供硅衬底101。在工艺步骤S12中，在硅衬底101的正面形成二氧化硅层102。在工艺步骤S13中，对二氧化硅层102作图形化，形成多个凹槽(未图示)；接着以图形化的二氧化硅层102为硬掩模，穿过多个凹槽刻蚀硅衬底101，在硅衬底101中形成多个小腔体103；然后去除二氧化硅层102。在工艺步骤S14中，提供键合片104，将键合片104与硅衬底101相键合，把多个小腔体103封闭，获得一种复合基材。
而图2为现有技术中的一种复合腔体的形成工艺的流程图，该复合腔体的形成工艺可以基于图1中所获得的复合基材的基础上继续进行。如图2所示，在工艺步骤S21中，提供复合基材，该复合基材包括硅衬底101和键合片104。其中，键合片104与硅衬底101相键合，将多个小腔体103封闭在内。在工艺步骤S22中，在硅衬底101的背面形成掩蔽层105并对掩蔽层105作图形化，该掩蔽层105的图形与下述待形成的大腔体106的位置相对应。在工艺步骤S23中，以掩蔽层105为掩模，从背面刻蚀硅衬底101，形成大腔体106。此时大腔体106的底部与小腔体103的底部近乎是连通的。为了确保能释放所有的小腔体103，使之与大腔体106相连通，还要执行工艺步骤S24。在工艺步骤S24中，以掩蔽层105为掩模，继续从背面刻蚀硅衬底101，直至所有的小腔体103都被释放出来，小腔体103与大腔体106的底部是相通的。
然而，在形成复合腔体的最后，即释放所有的小腔体103的过程中，硅衬底在经过背面穿通刻蚀后预埋的小腔体所在的衬底介质厚度会因为刻蚀工艺本身导致均匀性不佳，甚至难以控制(如图2中S24所指的附图中的椭圆形虚线圈所示)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种纯二氧化硅侧壁的腔体结构、复合腔体及其形成方法，提高在后续形成复合腔体时从硅衬底的背面刻蚀形成小腔体后小腔体介质厚度的均匀性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种纯二氧化硅侧壁的腔体结构的形成方法，包括步骤：
A.提供硅衬底；
B.在所述硅衬底的正面形成二氧化硅层；
C.对所述二氧化硅层作图形化，形成一个或多个侧壁为二氧化硅材料的凹槽；
D.提供键合片，将所述键合片与图形化的所述二氧化硅层相键合，把所述凹槽封闭，在所述硅衬底与所述键合片之间形成一个或多个密闭的侧壁为二氧化硅材料的腔体结构。
可选地，形成所述二氧化硅层的方式为热氧化或者化学气相淀积。
可选地，图形化所述二氧化硅层的方式为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
可选地，所述键合片的材料为单晶硅或者玻璃。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种采用上述的形成方法形成的纯二氧化硅侧壁的腔体结构，包括：
硅衬底；
图形化的二氧化硅层，形成于所述硅衬底的正面，所述二氧化硅层中形成有一个或多个侧壁为二氧化硅材料的凹槽；
键合片，与所述二氧化硅层相键合，把所述凹槽封闭，在所述硅衬底与所述键合片之间形成了一个或多个密闭的侧壁为二氧化硅材料的腔体结构。
可选地，所述二氧化硅层的形成方式为热氧化或者化学气相淀积。
可选地，所述二氧化硅层的图形化方式为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
可选地，所述键合片的材料为单晶硅或者玻璃。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种复合腔体的形成方法，包括步骤：
A.提供硅衬底；
B.在所述硅衬底的正面形成二氧化硅层；
C.对所述二氧化硅层作图形化，形成一个或多个侧壁为二氧化硅材料的凹槽，所述二氧化硅层的图形与下述步骤G中待形成的小腔体的位置相对应；
D.提供键合片，将所述键合片与图形化的所述二氧化硅层相键合，把所述凹槽封闭，在所述硅衬底与所述键合片之间形成一个或多个密闭的侧壁为二氧化硅材料的腔体结构；
E.在所述硅衬底的背面形成掩蔽层并对所述掩蔽层作图形化，所述掩蔽层的图形与下述步骤F中待形成的大腔体的位置相对应；
F.以所述掩蔽层为掩模，从背面刻蚀所述硅衬底至正面的所述二氧化硅层，在所述硅衬底中形成所述大腔体；
G.以所述掩蔽层和所述二氧化硅层为掩模，从背面穿过所述硅衬底刻蚀所述键合片，在所述键合片及所述二氧化硅层中形成一个或多个所述小腔体，所述大腔体和所述小腔体构成了所述复合腔体。
可选地，形成所述二氧化硅层的方式为热氧化或者化学气相淀积。
可选地，图形化所述二氧化硅层的方式为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
可选地，所述键合片的材料为单晶硅或者玻璃。
可选地，所述掩蔽层的材料为光刻胶或者半导体介质。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种采用上述的形成方法形成的复合腔体，以复合基材为基础，所述复合基材包括：
硅衬底；
图形化的二氧化硅层，形成于所述硅衬底的正面，所述二氧化硅层中形成有一个或多个侧壁为二氧化硅材料的凹槽，所述二氧化硅层的图形与下述小腔体的位置相对应；以及
键合片，与所述二氧化硅层相键合，把所述凹槽封闭，在所述硅衬底与所述键合片之间形成有一个或多个密闭的侧壁为二氧化硅材料的腔体结构；
所述复合腔体包括：
大腔体，穿通形成于所述硅衬底中，并以所述二氧化硅层为其底部；以及
小腔体，穿通形成于所述键合片及所述二氧化硅层中，并与所述大腔体相连通。
可选地，所述二氧化硅层的形成方式为热氧化或者化学气相淀积。
可选地，所述二氧化硅层的图形化方式为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
可选地，所述键合片的材料为单晶硅或者玻璃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明在制备复合基材时直接省去传统做法中从正面对硅衬底的刻蚀，以形成小腔体的做法。所形成的具有纯二氧化硅侧壁的腔体结构的复合基材将形成复合腔体中小腔体的正面刻蚀转变为正面硬掩模图形化，于形成侧壁为二氧化硅的腔体结构的背面刻蚀形成小腔体，可以解决传统做法中小腔体介质厚度(即小腔体深度)不一致的问题，提高了均匀性。
本发明能够为后续形成小腔体介质厚度受控的复合腔体工艺提供质量稳定的复合基材。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为现有技术中的一种腔体结构的形成工艺的流程图；
图2为现有技术中的一种复合腔体的形成工艺的流程图；
图3为本发明一个实施例的纯二氧化硅侧壁的腔体结构的形成工艺的流程图；
图4为图3所示实施例形成的一个纯二氧化硅侧壁的腔体结构的放大示意图；
图5为本发明一个实施例的复合腔体的形成工艺的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于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根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
纯二氧化硅侧壁的腔体结构的形成方法的实施例
图3为本发明一个实施例的纯二氧化硅侧壁的腔体结构的形成工艺的流程图。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
如图3所示，该纯二氧化硅侧壁的腔体结构的工艺流程主要包括如下步骤：
执行步骤S31，提供硅衬底301。
执行步骤S32，在硅衬底301的正面形成二氧化硅层302。其中，形成二氧化硅层302的方式可以为热氧化或者化学气相淀积。
执行步骤S33，对二氧化硅层302作图形化，形成一个或多个侧壁为二氧化硅材料的凹槽303。其中，图形化二氧化硅层302的方式可以为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
执行步骤S33，提供键合片304，将键合片304与图形化的二氧化硅层302相键合，把凹槽303封闭，在硅衬底301与键合片304之间形成一个或多个密闭的侧壁为二氧化硅材料的腔体结构305。其中，该键合片304的材料可以为单晶硅或者玻璃。
为了清楚地示出腔体结构305的构造，图4为图3所示实施例形成的一个纯二氧化硅侧壁的腔体结构的放大示意图，对图3中形成的一个腔体结构305(虚线圆圈内)进行了放大。
纯二氧化硅侧壁的腔体结构的实施例
本实施例采用了前述方法实施例以形成该纯二氧化硅侧壁的腔体结构，并沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。
请参考图3和图4所示，该纯二氧化硅侧壁的腔体结构主要包括：硅衬底301、图形化的二氧化硅层302和键合片304。其中，图形化的该二氧化硅层302形成于硅衬底301的正面，该二氧化硅层302中形成有一个或多个侧壁为二氧化硅材料的凹槽303。键合片304的材料可以为单晶硅或者玻璃，其与二氧化硅层302相键合，把凹槽303封闭，在硅衬底301与键合片304之间形成了一个或多个密闭的侧壁为二氧化硅材料的腔体结构305。
在本实施例中，该二氧化硅层302的形成方式可以为热氧化或者化学气相淀积；该二氧化硅层302的图形化方式可以为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
复合腔体的形成方法的实施例
本实施例可以采用前述腔体结构的形成方法实施例以形成具有该纯二氧化硅侧壁的腔体结构的复合基材，并可以基于该复合基材的基础上继续进行。本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件。
请先参考图3和图4所示，该复合腔体的工艺流程主要包括如下步骤：
执行步骤S31，提供硅衬底301。
执行步骤S32，在硅衬底301的正面形成二氧化硅层302。其中，形成二氧化硅层302的方式可以为热氧化或者化学气相淀积。
执行步骤S33，对二氧化硅层302作图形化，形成一个或多个侧壁为二氧化硅材料的凹槽303，二氧化硅层302的图形与下述步骤S54中待形成的小腔体308的位置相对应。其中，图形化二氧化硅层302的方式可以为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
执行步骤S34，提供键合片304，将键合片304与图形化的二氧化硅层302相键合，把凹槽303封闭，在硅衬底301与键合片304之间形成一个或多个密闭的侧壁为二氧化硅材料的腔体结构305，获得一种复合基材。其中，该键合片304的材料可以为单晶硅或者玻璃。
图5为本发明一个实施例的复合腔体的形成工艺的流程图。请参考图5，接下来在图3和图4中所获得的复合基材的基础上继续进行。如图5所示，执行步骤S51，提供复合基材；该复合基材主要包括硅衬底301、图形化的二氧化硅层302和键合片304。其中，图形化的该二氧化硅层302形成于硅衬底301的正面，该二氧化硅层302中形成有一个或多个侧壁为二氧化硅材料的凹槽303(图5中未标示)。键合片304的材料可以为单晶硅或者玻璃，其与二氧化硅层302相键合，把凹槽303封闭，在硅衬底301与键合片304之间形成了一个或多个密闭的侧壁为二氧化硅材料的腔体结构305。
执行步骤S52，在硅衬底301的背面形成掩蔽层306并对掩蔽层306作图形化，掩蔽层306的图形与下述步骤S53中待形成的大腔体307的位置相对应。其中，该掩蔽层306的材料可以为光刻胶或者半导体介质。
执行步骤S53，以掩蔽层306为掩模，从背面刻蚀硅衬底301至正面的二氧化硅层302，在硅衬底301中形成大腔体307。
执行步骤S54，以掩蔽层306和二氧化硅层302为掩模，从背面穿过硅衬底301刻蚀键合片304，在键合片304及二氧化硅层302中形成一个或多个小腔体308，大腔体307和小腔体308构成了复合腔体。
复合腔体的实施例
本实施例采用了前述复合腔体的形成方法实施例以形成该复合腔体，并沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。
请参考图5所示，复合腔体以一复合基材为基础，该复合基材包括硅衬底301、图形化的二氧化硅层302和键合片304。其中，图形化的二氧化硅层302形成于硅衬底301的正面，二氧化硅层302中形成有一个或多个侧壁为二氧化硅材料的凹槽303，二氧化硅层302的图形与下述小腔体308的位置相对应。键合片304的材料可以为单晶硅或者玻璃，其与二氧化硅层302相键合，把凹槽303封闭，在硅衬底301与键合片304之间形成有一个或多个密闭的侧壁为二氧化硅材料的腔体结构305。
结合上述内容，请再参考图5中步骤S54所指的附图，该复合腔体可以包括大腔体307和小腔体308。其中，该大腔体307穿通形成于硅衬底301中，并以二氧化硅层302为其底部。该小腔体308穿通形成于键合片304及二氧化硅层302中，并与大腔体307相连通。
在本实施例中，该二氧化硅层302的形成方式可以为热氧化或者化学气相淀积；该二氧化硅层302的图形化方式可以为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
本发明在制备复合基材时直接省去传统做法中从正面对硅衬底的刻蚀，以形成小腔体的做法。所形成的具有纯二氧化硅侧壁的腔体结构的复合基材将形成复合腔体中小腔体的正面刻蚀转变为正面硬掩模图形化，于形成侧壁为二氧化硅的腔体结构的背面刻蚀形成小腔体，可以解决传统做法中小腔体介质厚度(即小腔体深度)不一致的问题，提高了均匀性。
本发明能够为后续形成小腔体介质厚度受控的复合腔体工艺提供质量稳定的复合基材。
本发明虽然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修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种复合腔体的形成方法，包括步骤：
A.提供硅衬底(301)；
B.在所述硅衬底(301)的正面形成二氧化硅层(302)；
C.对所述二氧化硅层(302)作图形化，形成一个或多个侧壁为二氧化硅材料的凹槽(303)，所述二氧化硅层(302)的图形与下述步骤G中待形成的小腔体(308)的位置相对应；
D.提供键合片(304)，将所述键合片(304)与图形化的所述二氧化硅层(302)相键合，把所述凹槽(303)封闭，在所述硅衬底(301)与所述键合片(304)之间形成一个或多个密闭的侧壁为二氧化硅材料的腔体结构(305)；
E.在所述硅衬底(301)的背面形成掩蔽层(306)并对所述掩蔽层(306)作图形化，所述掩蔽层(306)的图形与下述步骤F中待形成的大腔体(307)的位置相对应；
F.以所述掩蔽层(306)为掩模，从背面刻蚀所述硅衬底(301)至正面的所述二氧化硅层(302)，在所述硅衬底(301)中形成所述大腔体(307)；
G.以所述掩蔽层(306)和所述二氧化硅层(302)为掩模，从背面穿过所述硅衬底(301)刻蚀所述键合片(304)，在所述键合片(304)及所述二氧化硅层(302)中形成一个或多个所述小腔体(308)，所述大腔体(307)和所述小腔体(308)构成了所述复合腔体。
2.根据权利要求1所述的复合腔体的形成方法，其特征在于，形成所述二氧化硅层(302)的方式为热氧化或者化学气相淀积。
3.根据权利要求2所述的复合腔体的形成方法，其特征在于，图形化所述二氧化硅层(302)的方式为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
4.根据权利要求3所述的复合腔体的形成方法，其特征在于，所述键合片(304)的材料为单晶硅或者玻璃。
5.根据权利要求4所述的复合腔体的形成方法，其特征在于，所述掩蔽层(306)的材料为光刻胶或者半导体介质。
6.一种采用权利要求1所述的形成方法形成的复合腔体，以复合基材(309)为基础，所述复合基材(309)包括：
硅衬底(301)；
图形化的二氧化硅层(302)，形成于所述硅衬底(301)的正面，所述二氧化硅层(302)中形成有一个或多个侧壁为二氧化硅材料的凹槽(303)，所述二氧化硅层(302)的图形与下述小腔体(308)的位置相对应；以及
键合片(304)，与所述二氧化硅层(302)相键合，把所述凹槽(303)封闭，在所述硅衬底(301)与所述键合片(304)之间形成有一个或多个密闭的侧壁为二氧化硅材料的腔体结构(305)；
所述复合腔体包括：
大腔体(307)，穿通形成于所述硅衬底(301)中，并以所述二氧化硅层(302)为其底部；以及
小腔体(308)，穿通形成于所述键合片(304)及所述二氧化硅层(302)中，并与所述大腔体(307)相连通。
7.根据权利要求6所述的复合腔体，其特征在于，所述二氧化硅层(302)的形成方式为热氧化或者化学气相淀积。
8.根据权利要求7所述的复合腔体，其特征在于，所述二氧化硅层(302)的图形化方式为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
9.根据权利要求8所述的复合腔体，其特征在于，所述键合片(304)的材料为单晶硅或者玻璃。
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