CN104098067B - 一种体硅微机电系统mems结构继续正面工艺的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法，步骤依次为，提供硅片背面已形成深槽的体硅微机电系统MEMS结构，采用光刻胶填充硅片背面的深槽，然后进行正面工艺，释放或去除牺牲层，最后干燥最终结构。本发明适用于在硅片背面体硅结构形成后仍需继续正面工艺的情况。本发明采用常规半导体设备，与半导体工艺兼容，工艺成熟易控，使用成本低，稳定性好，而且工艺操作时间短，适合大批量生产；不需要在微机电系统MEMS芯片上预留特定的吸真空区域，提高芯片面积利用率；大大降低由于正面工艺的扰动造成微机电系统MEMS的悬空结构发生破损的风险，提高成品率。

Description

一种体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法。

背景技术

在体硅微机电系统MEMS结构中，硅衬底背面被刻蚀出很多的孔洞或深槽。由于缺少实体的衬底支撑支点，硅片正面的悬空结构很薄弱，此时若继续在硅片正面进行沉积薄膜、光刻或刻蚀工艺极容易导致悬空结构被破坏。

为了保证最大的成品率，工艺上一般尽量将正面工艺放在体硅工艺之前完成，体硅结构形成之后，为了防止机械扰动造成的悬空结构破损，只做牺牲层释放和干燥等机械手臂不用接触硅片正面的工艺。但有时在牺牲层释放之前需要将在硅片正面将某些敏感的电路或区域保护起来，而仅仅将需要释放的区域暴露出来。这就需要在体硅结构形成之后再进行诸如沉积薄膜、光刻、刻蚀等正面工艺，极大地增加了工艺的难度。

现有技术中体硅结构的正面工艺一般使用微机电系统MEMS专用的光刻/刻蚀设备完成。大部分专用设备能够控制将硅片吸取点落在硅片正面特定的区域范围内，这些区域事先由光刻程序预设，没有被图形化。但是专用设备的使用成本较高，而且由于需要预留真空吸取点，大幅减少了硅片的有效面积，降低了的有效管芯的出品数量。由于没有专门保护，硅片正面非真空吸取区域的悬空结构在接受正面工艺时仍然存在较高的破损风险。如果采用常规半导体设备，从背面吸取硅片，则需要在硅片背面的相应区域保留出后续正面工艺所需要的吸真空的位置。将该区域在深硅刻蚀前的光刻程序中设定为不执行光刻；或者在该光刻后，深硅刻蚀之前，将对应的吸真空位置再涂上光刻胶，保护其不被刻蚀。这些处理方式过程比较复杂，延长工艺时间，更重要的是会损失相当多的硅片面积。同样的，深硅刻蚀之后，硅片正面非吸真空区域的悬空结构，由于没有保护，仍会受到后续正面工艺扰动的影响，仍然存在较高的破损风险，产品合格率低。

发明内容

本发明要解决当微机电系统MEMS在体硅结构形成后再进行正面加工时，已经形成的悬空结构容易破损，产品合格率低的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法，包括硅片背面已形成深槽的微机电系统MEMS结构，在进行正面工艺前，先采用光刻胶填充硅片背面的深槽，然后继续正面工艺，释放或去除牺牲层，最后干燥最终结构，所述填充硅片背面深槽的光刻胶是正性光刻胶或负性光刻胶，所述硅片背面深槽填充负性光刻胶所对应的正面工艺是为了生成光刻胶保护层，在硅片正面进行光刻工艺和刻蚀工艺组合，所述硅片背面深槽填充正性光刻胶对应的正面工艺是为了生成淀积介质保护层，在硅片正面进行沉积薄膜工艺、光刻工艺和刻蚀工艺组合。

可选的，所述硅片背面的深槽，其深度为50～800微米；

可选的，所述光刻胶填充硅片背面的深槽为采用旋转涂覆法或喷涂法使硅片背面完全由光刻胶覆盖，并形成一个平坦光刻胶层，

优选的，光刻胶层的厚度为2～10微米；

可选的，所述填充硅片背面深槽的可以是正性光刻胶或AZCTP-100系列的负性光刻胶；

优选的，所述硅片正面工艺的光刻步骤所使用的显影液为四甲基氢氧化铵TMAH水溶液或氢氧化钾溶液；

可选的，所述在硅片正面进行的刻蚀工艺采用干法或湿法工艺完成正面去胶；

可选的，所述释放或去除牺牲层还包括释放牺牲层后去除光刻胶保护层的去胶步骤；

可选的，所述干燥最终结构，由热氮气携带异丙醇IPA完成，或在高温炉管中通入氧气完成。

本发明的技术方案提供了一种体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法。微机电系统MEMS完成体硅结构，即在硅片背面形成深槽后，为了避免硅片正面的敏感区域或线路由于受牺牲层释放的造成损伤，需要在释放或去除牺牲层之前对特定区域实行保护，仅仅暴露需要释放的区域。这就要求在体硅结构形成之后再进行诸如沉积薄膜、光刻、刻蚀等正面工艺。由于脆弱的悬空结构和体硅深槽已分别在硅片正面和背面形成，后续的正面工艺即要防止硅片正面悬空结构的破损，又必须避免工艺进行时由于机械手臂的取放硅片造成已完成结构的划伤，这极大增加了工艺集成的难度。

现有技术的解决方法有两种：一、使用昂贵的微机电系统专用设备。这样能够将取放硅片的真空吸取位置从常规设备限定的硅片背面移动到硅片正面，避免了机械手臂对硅片背面已经完成的体硅深槽的划伤。但是由于特定的硅片吸取区域的引入，一方面使硅片有效面积大幅减少，降低了的有效管芯的出品数量；另一方面，由于没有专门保护，硅片正面非真空吸取区域的悬空结构在接受正面工艺时仍然存在较高的破损风险。二、为降低设备成本，采用常规半导体设备，仍然从背面吸取硅片，则需要在硅片背面的相应区域保留出后续正面工艺所需要的吸真空的位置。具体操作包含：将该区域在深硅刻蚀前的光刻程序中设定为不执行光刻；或者在该光刻后，深硅刻蚀之前，将对应的吸真空位置再涂上光刻胶，保护其不被刻蚀。这些处理方式过程比较复杂，延长了工艺时间，更重要的是会损失相当多的硅片面积。同样的，深硅刻蚀之后，硅片正面非吸真空区域的悬空结构，由于没有保护，仍会受到后续正面工艺扰动的影响，仍然存在破损风险。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提供的方法能够完全解决现有技术的缺陷。采用本发明的方法，直接由常规的半导体设备，通过标准的半导体工艺，在硅片背面已经形成深槽微机电系统MEMS结构后仍需要继续正面工艺的情况下，先采用普通光刻胶填充硅片背面的深槽，再继续正面工艺：包括为了将硅片正面的某些敏感的电路或区域保护起来，仅仅暴露需要释放的区域所必需的沉积薄膜、光刻、刻蚀等正面工艺，然后释放或去除牺牲层，最后干燥最终结构。本发明直接使用常规设备，普通光刻胶和标准半导体工艺，没有高昂的设备成本以及额外的材料要求。本发明对于光刻胶填充硅片背面的深槽的要求简单，是标准半导体光刻工艺中的整片硅片涂胶的步骤，工艺成熟，易控，稳定性好，而且工艺操作时间短，适合大批量生产。本发明不需要硅片正面预留特定的真空吸取区域，也无需在硅片背面保留没有深槽的机械手臂取放位置，这样大幅度提高了硅片的利用率，方便了产品设计和排版，更是增加了有效管芯的出品数量。本发明在实施正面工艺前，将光刻胶从硅片背面填入，填满体硅工艺的深槽空隙，直接填充到牺牲层底部，加固了由体硅工艺产生的悬空结构，增强了悬空结构抗后续的正面工艺扰动的能力，降低了由于执行后续正面工艺造成破损的风险，提高成品率。另外，作为填充物的光刻胶，其去除的方法也非常简便。由于没有经过曝光，所以填充的光刻胶即可以直接用显影液去除，也可以通过标准半导体工艺中的去胶工艺去除。两种方法都不会有残留，也不会影响微机电系统MEMS芯片的质量。由上述描述可见，本发明提供的方法操作简单易控，成本低，适合大生产应用，与现有技术相比有明显优势。

附图说明

图1A～1G是本发明实施例一的体硅微机电系统MEMS结构的正面工艺方法示意图；

图2A～2K是本发明实施例二和实施例三的体硅微机电系统MEMS结构的正面工艺方法示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

请参考图1A～图1G，为本发明实施例一的体硅微机电系统MEMS结构的正面工艺方法剖面示意图。

本实施例需要保护硅片正面的特定线路，仅暴露需要释放的区域。本实施例采用光刻胶保护层的方法。

首先，请参考图1A所示的典型的体硅MEMS结构。硅片101从背面刻蚀出深槽101a。硅片正面自上而下为MEMS支撑和功能层103，和位于MEMS支撑和功能层103和深槽101a之间的牺牲层102，MEMS支撑和功能层103的外围是电路部分104，其高度稍高于MEMS支撑和功能层103。

请参考图1B，倒置硅片101，采用旋转涂覆法或喷涂法将负性光刻胶105填充到硅片背面的深槽101a中，并且在硅片背面形成一个平坦层，即光刻胶105完全覆盖硅片101背面，并且光刻胶厚度为10～100微米。

需要说明的是负性光刻胶是普通光刻胶的一种。光刻胶分为正性和负性光刻胶：所谓述正性光刻胶为曝光区域在曝光后发生反应溶于显影液，而未曝光区域不溶于显影液；所谓负性光刻胶为曝光区域在曝光后发生胶联固化不溶于显影液，而未曝光区域溶于显影液。在本实施例中选用的负性光刻胶型号为AZ CTP-100系列。

接下来开始进行正面工艺，请参考图1C，采用旋转涂覆法或喷涂法在硅片105正面涂覆正性光刻胶106。硅片正面被光刻胶完全覆盖，包括覆盖外围电路部分104。

请参考图1D，采用光刻工艺对需要释放区域上方的光刻胶106a进行曝光。由于采用正性光刻胶：曝光区域在曝光后发生反应会溶于显影液，未曝光区域不会溶于显影液，因此正性光刻胶覆盖的外围电路部分104由于是未曝光区域可以继续作为光刻胶保护层对外围电路104起到保护作用，在后续进行释放牺牲层时对其下方的外围电路进行保护。

请参考图1E，将硅片置于显影液中进行显影。由于硅片101背面的负性光刻胶105没有经过曝光，因此显影可以将负性光刻胶去除。使用无表面活性剂的标准显影液2.38％的TMAH溶液，一次性将硅片101正面曝光区域的正性光刻胶106a和背面未经曝光全部负性光刻胶105同时去除，大大的简化了工艺步骤。

需要指出的是，TMAH溶液是体硅微机电系统MEMS工艺中常用的显影液。AZ CTP-100系列的负性光刻胶属于少数的可以使用TMAH溶液显影的负性光刻胶。

请参考图1F，采用湿法或干法工艺进行释放牺牲层102，形成体硅微机电系统MEMS的悬空结构。未曝光的正性光刻胶106作为光刻胶保护层，对非释放区域外围电路部分104，进行保护。

最后请参考图1G，将硅片置于通有氧气的高温炉管中，使得去除正性光刻胶106的同时完成硅片干燥，简化了工艺，形成最终结构。

实施例二

请参考图2A～图2K，为本发明实施例二的体硅MEMS结构的正面工艺方法剖面示意图。

本实施例需要在硅片正面的特定线路上淀积介质保护层，以阻止释放牺牲层时，释放药液或反应气体对被保护区域的进一步侵蚀。

图2A为典型的体硅MEMS结构。硅片201从背面刻蚀出深槽201a。硅片正面自上而下为MEMS支撑和功能层203，和位于MEMS支撑和功能层203和深槽201a之间的牺牲层202，MEMS支撑和功能层203的外围是电路部分204，其高度稍高于MEMS支撑和功能层203。

请参考图2B，倒置硅片201，采用旋转涂覆法或喷涂法将正性光刻胶205填充到硅片背面的深槽201a当中，并且在硅片背面形成一个平坦层。即光刻胶205完全覆盖硅片201背面，并且光刻胶厚度为10～100微米。

接下来开始进行正面工艺。

请参考图2C，在硅片正面沉积一层薄膜207。较佳的，在本实施例中，薄膜207为氮化硅，作为介质保护层，厚度为5000埃～3微米。

接着，请参考图2D，采用旋转涂覆法或喷涂法在硅片正面涂覆正性或负性光刻胶208。优选的，在本实施例中，正面光刻胶208与背面光刻胶205采用同种正性光刻胶。

请参考图2E，采用光刻刻蚀工艺对薄膜207进行图形化，同时露出电路上的金属引线压脚。

需要注意的是，在本实施例中，使用四甲基氢氧化铵TMAH水溶液或氢氧化钾溶液作为显影液完成光刻工艺中对正性光刻胶的显影。

请参考图2F，使用湿法或干法工艺进行去胶，同时去除硅片正面和背面的光刻胶。所述湿法工艺是采用硫酸和双氧水的混合溶液去除光刻胶；所述干法工艺是在通有氧气的炉管中进行去胶。优选的，在本实施例中，采用硫酸和双氧水的混合溶液去除光刻胶。

最后请参考图2G，释放或去除牺牲层202，此时薄膜207作为介质保护层阻止了释放药液或反应气体对被保护区域的进一步侵蚀。

实施例三

在部分应用中实施例二的薄膜207并不是介质保护层，而是为实现某种功能所必须的特定电路的组成部分。因此完成实施例二所示图2A～图2F的步骤只是完成了特定电路的淀积和图形化，还需要继续使用光刻胶保护层的方法保护实施例二所形成的特定电路在后续的释放牺牲层时不被破坏。实施例三提供了上述情况下操作方法。

同实施例二所示的结构，薄膜207为实现某种功能所必须的特定电路的组成部分。完成硅片201正面的介质层207的淀积和图形化之后还需要对其进行保护，仅暴露硅片201正面需要释放牺牲层的区域。

操作上，在完成图2A～图2F所示的步骤后，参考实施例一的方法，按图2H～图2K所示的步骤继续完成硅片正面用光刻胶保护的工艺。

首先请参考图2H，采用旋转涂覆法或喷涂法将负性光刻胶209填充到硅片背面的深槽201a当中，并且在硅片背面形成一个平坦层。优选的，在本实施例中选用的负性光刻胶型号为AZ CTP-100系列。然后采用旋转涂覆法或喷涂法在硅片正面涂覆正性光刻胶210。

请参考图2I，硅片201的正面，采用光刻工艺对需要释放区域上方的光刻胶210进行曝光，然后将硅片置于2.38％的TMAH溶液中显影，使得硅片正面曝光区域内的正性光刻胶和硅片背面的负性光刻胶209同时被去除。此时硅片正面未曝光的正性光刻胶210对非释放区域实现保护。

其余步骤与实施例一相同。参考图2J，释放或去除牺牲层202，形成悬空结构。参考图2K，将硅片置于通有氧气的炉管中，去胶并同时干燥硅片，形成最终结构。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法，步骤含：提供硅片背面已形成深槽的微机电系统MEMS结构，进行正面工艺，释放或去除牺牲层，干燥最终结构，其特征在于，进行正面工艺前，先采用光刻胶填充硅片背面的深槽，所述填充硅片背面深槽的光刻胶是正性光刻胶或负性光刻胶，所述硅片背面深槽填充负性光刻胶所对应的正面工艺是为了生成光刻胶保护层，在硅片正面进行光刻工艺和刻蚀工艺组合，所述硅片背面深槽填充正性光刻胶对应的正面工艺是为了生成淀积介质保护层，在硅片正面进行沉积薄膜工艺、光刻工艺和刻蚀工艺组合。

2.如权利要求1所述的体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法，其特征在于，所述硅片背面的深槽的深度为50～800微米。

3.如权利要求1所述的体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法，其特征在于，所述采用光刻胶填充硅片背面的深槽为采用旋转涂覆法或喷涂法使硅片背面完全由光刻胶覆盖，并形成一个平坦光刻胶层。

4.如权利要求3所述的体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法，其特征在于，所述光刻胶层的厚度为2～10微米。

5.如权利要求1所述的体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法，其特征在于所述填充硅片背面深槽的光刻胶是正性光刻胶或 AZCTP-100系列的负性光刻胶。

6.如权利要求1所述的体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法，其特征在于，所述硅片正面工艺的光刻步骤所使用的显影液为四甲基氢氧化铵TMAH水溶液或氢氧化钾溶液。

7.如权利要求1所述的体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法，其特征在于，所述硅片正面进行的刻蚀工艺的去胶步骤由干法或湿法去胶完成。

8.如权利要求1所述的体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法，其特征在于，所述释放或去除牺牲层还包括释放牺牲层后去除光刻胶保护层的去胶步骤。

9.如权利要求1所述的体硅微机电系统MEMS结构继续正面工艺的方法，其特征在于，体硅微机电系统MEMS结构完成正面工艺后的所述干燥最终结构，由热氮气携带异丙醇IPA完成，或在高温炉管中通入氧气完成。