CN104118845B - 一种在soi硅片上制备微机械悬空结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法。对悬空结构及其固定结构采用不同的槽宽设计，其中，固定结构的槽宽明显大于悬空结构，宽槽底部经刻蚀首先到达或更加接近SiO₂层，再通过各向同性干法刻蚀使窄槽底部相互连通并与窄槽下方的Si层分离，将窄槽间的梁释放，形成具有平整底面的悬空结构，同时去除固定结构与悬空结构连接区底部的Si以及固定结构与其它结构之间的区域底部的Si，使得固定结构与窄槽下方的Si层及其它结构隔离，从而使不同的固定结构间相互绝缘。本发明的方法简单有效，能广泛应用于MEMS悬空结构的加工。

Description

一种在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法

技术领域

本发明属于微机械电子系统加工技术领域，更具体地，涉及一种在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)被越来越广泛地应用于不同的领域，其中硅基材料的MEMS技术发展尤为迅速。反应离子深刻蚀引入微电子机械系统加工工艺后，一系列具有高深宽比硅结构的新型传感器和执行器结构得以实现。采用绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator,SOI)技术的MEMS器件不仅具有较好的硅机械性能，而且使得互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS)与MEMS加工工艺能够兼容，可以促使MEMS器件进一步微型化和集成化。但是，基于SOI器件层加工出来的微机械悬空结构，结构的底部往往由于SiO₂绝缘层导致的根切效应表面形貌不规整；另外，通过湿法腐蚀除掉SiO₂层将结构悬空时经常由于粘附效应难以释放。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法，能效解决悬空结构底部刻蚀至SiO₂绝缘层时由于根切现象导致的形貌不规整问题，在常规反应离子深刻蚀系统中即可实现刻蚀和释放工艺，获得具有平整底面的悬空结构。

为实现上述目的，本发明提供了一种在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在SOI硅片表面制备图形化的光刻胶掩膜，在SOI硅片上形成窄槽刻蚀区、宽槽刻蚀区、主体悬空结构形成区、固定结构形成区和其它结构形成区；固定结构形成区与主体悬空结构形成区相连；窄槽刻蚀区宽度为W₁，用于形成主体悬空结构；宽槽刻蚀区宽度为W₂，围绕主体悬空结构形成区和固定结构形成区，宽槽刻蚀区还设置在固定结构形成区与主体悬空结构形成区的连接区，用于形成固定结构；所述SOI硅片为Si-SiO₂-Si的叠层结构；

(2)进行反应离子干法刻蚀，使在宽槽刻蚀区形成的宽槽底部较在窄槽刻蚀区形成的窄槽底部首先到达或者更加接近SiO₂层时，停止刻蚀；

(3)先后进行钝化和离子轰击，在刻蚀槽侧壁形成一层钝化层，以实现对刻蚀槽侧壁的保护；

(4)进行各向同性干法刻蚀，使窄槽底部相互连通，形成与窄槽下方的Si层分离的主体悬空结构，同时去除固定结构形成区与主体悬空结构形成区的连接区底部的Si，以及去除固定结构形成区与其它结构形成区之间的区域底部的Si，使固定结构与窄槽下方的Si层及其它结构隔离，从而使不同的固定结构间相互绝缘；

(5)去除光刻胶掩膜。

优选地，W₁:W₂＝1:1.5～10。

优选地，所述步骤(2)中，停止刻蚀时，在窄槽刻蚀区形成的窄槽底部到SiO₂层的距离为6～40μm。

优选地，所述步骤(2)中，反应离子干法刻蚀由钝化、轰击和刻蚀步骤交替循环完成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，对悬空结构及其固定结构采用不同的槽宽设计，其中，固定结构的槽宽明显大于悬空结构，宽槽底部经刻蚀首先到达或者更加接近SiO₂层，再通过各向同性干法刻蚀使窄槽底部相互连通并与窄槽下方的Si层分离，将窄槽间的梁释放，形成具有平整底面的悬空结构，同时去除固定结构与悬空结构连接区底部的Si以及固定结构与其它结构之间的区域底部的Si，使得固定结构与窄槽下方的Si层及其它结构隔离，从而使不同的固定结构间相互绝缘。

附图说明

图1是本发明的在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法流程示意图；

图2是本发明实施例的图形化光刻胶掩膜结构示意图；

图3是单个钝化-轰击-刻蚀循环的工艺流程示意图，其中，(a)钝化，(b)轰击，(c)刻蚀；

图4是本发明实施例得到的主体悬空结构底部的SEM图；

图5是本发明实施例得到的结构从刻蚀槽正面聚焦至窄槽底部的SEM图；

图6是本发明实施例得到的刻蚀槽的SEM图，其中，(a)宽槽轴切面，(b)窄槽横切面。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-其它结构形成区，2-宽槽刻蚀区，3-窄槽刻蚀区，4-固定结构形成区，5-主体悬空结构形成区，6-待刻蚀的硅基，7-光刻胶掩膜，8-钝化层，9-固定结构周围的宽刻蚀槽，10-主体悬空结构，11-主体悬空结构间的窄刻蚀槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法包括如下步骤：

(1)在SOI硅片表面制备图形化的光刻胶掩膜，在SOI硅片上形成窄槽刻蚀区、宽槽刻蚀区、主体悬空结构形成区、固定结构形成区和其它结构形成区；固定结构用于将主体悬空结构固定在SOI硅片上；固定结构形成区与主体悬空结构形成区相连；窄槽刻蚀区宽度为W₁，用于形成主体悬空结构；宽槽刻蚀区宽度为W₂，围绕主体悬空结构形成区和固定结构形成区，宽槽刻蚀区还设置在固定结构形成区与主体悬空结构形成区的连接区，用于形成固定结构；SOI硅片为Si-SiO₂-Si的叠层结构。

优选地，W₁:W₂＝1:1.5～10，比值太大，宽槽的刻蚀速度与窄槽的刻蚀速度差别太大，当宽槽底部到达SiO₂层时，窄槽底部到SiO₂层的距离太远，窄槽下方Si层在根切引起的横向刻蚀作用下仍然难以与固定结构分离，无法实现不同固定结构间的绝缘；比值太小，宽槽的刻蚀速度与窄槽的刻蚀速度差别太小，当宽槽底部到达SiO₂层时，窄槽底部到SiO₂层的距离太近。

(2)进行反应离子干法刻蚀，使在宽槽刻蚀区形成的宽槽底部较在窄槽刻蚀区形成的窄槽底部首先到达或者更加接近SiO₂层时，停止刻蚀。

优选地，宽槽底部到达SiO₂层的同时，在窄槽刻蚀区形成的窄槽底部到SiO₂层的距离为6～40μm，距离太大，窄槽下方Si层在根切引起的横向刻蚀作用下仍然难以与固定结构分离，无法实现不同固定结构间的绝缘；距离太小，由于受到SiO₂的影响，得到的悬空结构底面形貌变差。

(3)先后进行钝化和离子轰击，在刻蚀槽侧壁形成一层钝化层，以实现对刻蚀槽侧壁的保护。

(4)进行各向同性干法刻蚀，使窄槽底部相互连通，形成与窄槽下方的Si层分离的主体悬空结构，同时去除固定结构形成区与主体悬空结构形成区的连接区底部的Si，以及去除固定结构形成区与其它结构形成区之间的区域底部的Si，使固定结构与窄槽下方的Si层及其它结构隔离，从而使不同的固定结构间相互绝缘。

(5)去除光刻胶掩膜。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明的在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法进行详细说明。

以下实施例的刻蚀阶段均采用英国OxfordInstruments公司生产的PlasmaProNGP100Estrelas感应耦合等离子体硅刻蚀系统完成。

在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法包括如下步骤：

(1)在500μm厚的SOI硅片(上层硅的厚度为100μm)表面制备5μm厚的图形化光刻胶掩膜，如图2所示，该SOI硅片上形成窄槽刻蚀区3、宽槽刻蚀区2、主体悬空结构形成区5、固定结构形成区4和其它结构形成区1；窄槽刻蚀区宽度W₁＝6μm，宽槽刻蚀区宽度W₂＝30μm。

(2)对硅片进行钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环的反应离子干法刻蚀，使宽槽的深度达到100μm，即宽槽底部到达SiO₂层，同时使窄槽的深度达到80μm，即窄槽底部到SiO₂层的距离为20μm。

单个钝化-轰击-刻蚀循环的工艺流程示意图如图3所示。

其中，钝化步骤的工艺参数为：离子源功率为1750W，下电极功率为0W，腔体气压为70mTorr，C₄F₈流量为200sccm，SF₆流量为10sccm，时间为0.40s。

轰击步骤的工艺参数为：离子源功率为2000W，下电极功率为50W，腔体气压为25mTorr，C₄F₈流量为10sccm，SF₆流量为200sccm，时间为0.35s。

刻蚀步骤的工艺参数为：离子源功率为3500W，下电极功率为0，腔体气压为120mTorr，C₄F₈流量为10sccm，SF₆流量为800sccm，刻蚀时间为0.8s。

(3)先后进行钝化和离子轰击，在刻蚀槽侧壁形成一层钝化层并去除刻槽底部钝化层，实现对刻槽侧壁的保护。

其中，钝化步骤的工艺参数为：离子源功率为1750W，下电极功率为0，腔体气压为70mTorr，C₄F₈流量为200sccm，SF₆流量为10sccm，时间为3s。

轰击步骤的工艺参数为：离子源功率为2000W，下电极功率为50W，腔体气压为25mTorr，C₄F₈流量为10sccm，SF₆流量为200sccm，刻蚀时间为0.525s。

(4)进行各向同性干法刻蚀，使窄槽底部相互连通，形成与窄槽下方的Si层分离的主体悬空结构，同时去除固定结构形成区4与主体悬空结构形成区5的连接区底部的Si，以及去除固定结构形成区4与其它结构形成区1之间的区域底部的Si，使固定结构与窄槽下方的Si层及其它结构隔离，从而使不同的固定结构间相互绝缘。

其中，刻蚀步骤的工艺参数为：离子源功率为3500W，下电极功率为0，腔体气压为120mTorr，C₄F₈流量为10sccm，SF₆流量为800sccm，刻蚀时间为50s。

(5)去除光刻胶掩膜。

主体悬空结构底部的SEM图如图4所示，可以看到主体悬空结构已经完全实现悬空，由于其下方尚未刻蚀到SiO₂层，因此其底面及侧壁均较为平整。从刻蚀槽正面聚焦至窄槽底部的SEM图如图5所示，可以观察到主体悬空结构间的窄刻蚀槽11底部有残余的硅层，固定结构周围的宽刻蚀槽9已经刻蚀至SiO₂层，经测试两个固定结构间是绝缘的。刻蚀槽剖面的SEM图如图6所示，其中，(a)为宽槽轴切面的SEM图，可以看到刻蚀已经到达SiO₂层；(b)为窄槽横切面的SEM图，可以看到刻蚀并未到达SiO₂层，所以侧壁和底部均较为平整。

上述测试结果表明，主体悬空结构的侧壁和底部均较为平整，且不同的固定结构间实现了良好的电绝缘。因此，本发明的方法简单有效，能广泛应用于MEMS悬空结构的加工。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在SOI硅片表面制备图形化的光刻胶掩膜，在SOI硅片上形成窄槽刻蚀区、宽槽刻蚀区、主体悬空结构形成区、固定结构形成区和其它结构形成区；固定结构形成区与主体悬空结构形成区相连；窄槽刻蚀区宽度为W₁，用于形成主体悬空结构；宽槽刻蚀区宽度为W₂，围绕主体悬空结构形成区和固定结构形成区，宽槽刻蚀区还设置在固定结构形成区与主体悬空结构形成区的连接区，用于形成固定结构；所述SOI硅片为Si-SiO₂-Si的叠层结构；

(2)进行反应离子干法刻蚀，使在宽槽刻蚀区形成的宽槽底部较在窄槽刻蚀区形成的窄槽底部首先到达或者更加接近SiO₂层时，停止刻蚀；

(3)先后进行钝化和离子轰击，在刻蚀槽侧壁形成一层钝化层，以实现对刻蚀槽侧壁的保护；

(4)进行各向同性干法刻蚀，使窄槽底部相互连通，形成与窄槽下方的Si层分离的主体悬空结构，同时去除固定结构形成区与主体悬空结构形成区的连接区底部的Si，以及去除固定结构形成区与其它结构形成区之间的区域底部的Si，使固定结构与窄槽下方的Si层及其它结构隔离，从而使不同的固定结构间相互绝缘；

(5)去除光刻胶掩膜。

2.如权利要求1所述的在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法，其特征在于，W₁:W₂＝1:1.5～10。

3.如权利要求1或2所述的在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，停止刻蚀时，在窄槽刻蚀区形成的窄槽底部到SiO₂层的距离为6～40μm。

4.如权利要求1或2所述的在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，反应离子干法刻蚀由钝化、轰击和刻蚀步骤交替循环完成。