CN104445049B - Mems器件形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS器件形成方法，包括：提供第一基底，所述第一基底内具有开口；在所述第一基底表面贴合第二基底；在贴合后的第二基底表面形成第一掩膜层，所述第一掩膜层具有吸附含碳的聚合物能力；在所述第一掩膜层表面形成光刻胶图案层；以光刻胶图案层为掩膜，刻蚀所述第一掩膜层，直至暴露出第二基底；去除光刻胶图案层；以刻蚀后的第一掩膜层为掩膜，刻蚀第二基底直至贯穿所述第二基底。本实施例形成的MEMS器件可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统制造工艺，特别涉及一种MEMS器件形成方法。
背景技术
MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)技术是指对微米/纳米（micro/nanotechnology）材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。利用MEMS技术可以制作各种传感器、旋转装置或或者惯性传感器中，例如电容式麦克风、陀螺仪、加速度计（即惯性传感器）或电容式压力传感器等。
以加速度计为例，目前的MEMS加速度计通常采用电容式加速度计，所述电容式加速度计一般包括探测物体运动的固定电极、物体运动导致与固定电极之间发生电容变化的可移动敏感元素（一般称可动电极）、以及与固定电极和可动电极相电连接的电信号连接。在MEMS惯加速度计中，可动电极一般也充当质量块以减少整个器件体积重量，就质量块本身来说，质量越大，惯性越大。
现有技术中大多用淀积的多晶硅作为制作MEMS加速度计的结构材料（以下简称多晶硅方法）。所述多晶硅方法具有工艺简便的优点，但是其材料应力较大，一方面会影响到器件的重复性，另一方面由于多晶硅内部具有应力，其厚度较小，对加速度计的尺寸造成限制，不利于制作高灵敏度的加速度计，而且由于其重复性不够好，生产成品率下降，造成成本上升。
另外，还有采用单一硅晶圆进行制作，通过刻蚀方法在一个晶圆中形成MEMS加速度计的各个部分，但是由于刻蚀技术自身固有的缺陷，故形成的加速度计性能比如可靠性会受到影响。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种可靠性高的MEMS器件形成方法。
为解决上述问题，本发明提供一种MEMS器件形成方法，包括：提供第一基底，所述第一基底内具有开口；在所述第一基底表面贴合第二基底；在贴合后的第二基底表面形成第一掩膜层，所述第一掩膜层具有吸附含碳的聚合物能力；在所述第一掩膜层表面形成光刻胶图案层；以光刻胶图案层为掩膜，刻蚀所述第一掩膜层，直至暴露出第二基底；去除光刻胶图案层；以刻蚀后的第一掩膜层为掩膜，刻蚀第二基底直至贯穿所述第二基底。
可选的，采用等离子体增强化学气相沉积工艺形成所述第一掩膜层。
可选的，所述第一掩膜层的形成工艺参数为：沉积温度为100-600度，沉积气体为C3H6、C2H4或C2H2中一种或多种混合气体。
可选的，采用化学气相沉积形成所述第一掩膜层。
可选的，所述第一掩膜层的沉积温度为150度至500度，沉积气体为C2H2与He的混合气体，在反应过程中通入氮气作为增强气体，其中，C2H2的流量为3000-5000每分钟标准毫升，He的流量为5000-10000每分钟标准毫升，氮气的流量为500-1500每分钟标准毫升。
可选的，所述光刻胶的成分为烯类单体或聚乙烯醇月桂酸酯。
可选的，采用等离子体刻蚀工艺刻蚀所述第一掩膜层。
可选的，等离子体刻蚀工艺刻蚀所述第一掩膜层工艺参数为：刻蚀设备腔体压强为60-150毫托，顶部射频功率为500-1200瓦，底部射频功率为50-150瓦，刻蚀气体为Ar或O2，刻蚀气体流量为50-300每分钟标准毫升。
可选的，采用湿法去除工艺去除光刻胶图案层。
可选的，所述湿法去除工艺参数为：去除溶液为碱性溶剂，去除时间为30-60min。
可选的，采用等离子体刻蚀工艺刻蚀第二基底。
可选的，所述等离子体刻蚀工艺参数为：刻蚀设备腔体压强为30-60毫托，顶部射频功率为1800-2500瓦，底部射频功率为20-150瓦，刻蚀气体为SF6、或C4F8，刻蚀气体流量为1-500每分钟标准毫升。
可选的，还包括：去除所述刻蚀后的第一掩膜层。
可选的，去除所述刻蚀后的第一掩膜层工艺参数为：灰化设备腔体压强为1000-2000毫托，射频功率为1000-2000瓦，灰化气体为O2或CF4，其中，O2流量为1000-1200每分钟标准毫升，CF4流量为4-6每分钟标准毫升。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：本发明的实施例采用非晶碳的第一掩膜层作为掩膜，能够降低刻蚀过程中的含碳的聚合物污染，提高MEMS器件的质量，且后续非晶碳的第一掩膜层容易去除。
附图说明
图1至图3是一实施例的MEMS加速度计方法的过程示意图；
图4至图11为本发明提供的一实施例的MEMS器件形成方法过程图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有通过刻蚀方法形成MEMS加速度计可靠性低，针对现有技术形成MEMS加速度计的方法进行研究，发现形成MEMS加速度计是由于刻蚀技术自身固有的缺陷导致的。
图1至图3是一实施例的MEMS加速度计方法，包括如下步骤：
请参考图1，提供第一基底100，所述第一基底100内形成有驱动加速度计的驱动电路和/或对加速度计输出的信号进行处理，所述第一基底100表面形成有开口，所述开口在后续与第二基底贴合后形成空腔，用于容纳MEMS加速度计的可动电极。
在一实施例中，所述驱动电路为CMOS电路。
所述第一基底100表面还形成有驱动电极(未示出)。
请依旧参考图1，提供第二基底200，所述第二基底200在后续步骤采用刻蚀工艺用于形成MEMS加速度计的各个部分，例如MEMS加速度计的可动电极。
采用键合或者粘贴工艺，将所述第二基底200与第一基底100贴合，使得所述第一基底100的驱动电路适于驱动后续利用第二基底200形成的MEMS加速度计，和/或对加速度计输出的信号进行处理。
在一实施例中，将所述第一基底100表面的驱动电极对应与第二基底200内的电极电连接。
请依旧参考图1，在贴合后的第二基底200表面形成光刻胶图形，所述光刻胶图形具有刻蚀图案，所述刻蚀图案至少对应于MEMS加速度计的可动电极，在其他实施例中，所述刻蚀图案还可以对应于MEMS加速度计的可动电极和MEMS加速度计的其他组件，例如表面电极。
请参考图2，以所述光刻胶图形为掩膜，刻蚀所述第二基底200，直至贯穿所述第二基底。
上述步骤用于刻蚀所述第二基底200形成可动电极201，所述可动电极201位于开口上方。
请参考图3，采用灰化工艺去除所述光刻胶图形。
但是，采用上述工艺形成的加速度计可靠性，针对上述的工艺进行深入研究发现：由于上述工艺采用光刻胶作为掩膜，且刻蚀工艺需要将所述第二基底贯穿，从而需要形成较厚光刻胶层厚度；而光刻胶层的主要材料包括感光树脂、增感剂和溶剂，其中感光树脂和增感剂通常为烯类单体或聚乙烯醇月桂酸酯等，烯类单体或聚乙烯醇月桂酸酯含碳量比较高，在刻蚀工艺中容易产生副产品，所述副产品主要成分为含碳的聚合物，粘附于可动电极201的侧壁或者粘附于空腔内壁，导致可动电极201敏感性下降，可靠性会受到影响。
若采用堆叠结构的掩膜，例如氧化硅或氮化硅为硬掩膜，位于硬掩膜表面的光刻胶图形来形成堆叠结构的掩膜，然后利用光胶图形刻蚀硬掩膜形成刻蚀图案，然后去除光刻胶图形，以所述硬掩膜刻蚀图案作为掩膜，刻蚀第二基底200形成可动电极，会有两种缺陷：其一、氧化硅或氮化硅的硬掩膜由于材料特性的原因，会加剧刻蚀过程产生含碳的聚合物，使得副产品粘附现象趋于严重；其二、氧化硅或氮化硅硬掩膜在蚀刻之后，余下的硬掩膜难以去除。
针对上述缺陷，本发明提供一种优化的MEMS器件形成方法，采用非晶碳的第一掩膜层，能够减轻MEMS质量块蚀刻时产生的副产品(例如：含碳的聚合物)，降低副产品粘附可动电极201和空腔内壁的严重程度，且非晶碳的第一掩膜层去除容易。
图4至图10为本发明提供的一实施例的MEMS器件形成方法过程图。
请参考图4，提供第一基底300，所述第一基底300内具有开口301。
所述第一基底300为单晶的半导体材料，比如所述第一基底300可以为单晶硅、单晶锗硅、单晶的半导体材料（比如II－VI族、III－V族化合物半导体），所述第一基底300也可以为非晶衬底材料或者多晶衬底材料。
所述第一基底300可以为多层基片（例如，具有覆盖电介质和金属膜的硅衬底）、分级基片、绝缘体上硅基片、外延硅基片、部分处理的基片（包括集成电路及其他元件的一部分）、图案化或未被图案化的基片。
需要说明的是，所述第一基底300内形成有驱动加速度计的驱动电路和/或对加速度计输出的信号进行处理。
所述第一基底300表面形成有开口301，所述开口在后续与第二基底贴合后形成空腔，用于容纳MEMS加速度计的可动电极。
所述开口301的形成工艺可以采用光刻刻蚀工艺，本领域的技术人员可以根据待形成开口301选择合适的形成工艺，在此特意说明，不应过分限制本发明的保护范围。
请参考图5，在所述第一基底300表面贴合第二基底400；
所述第二基底400在后续步骤采用刻蚀工艺用于形成MEMS加速度计的各个部分，例如MEMS加速度计的可动电极。
所述第二基底400为多晶硅或单晶硅。
采用键合或者粘贴工艺，将所述第二基底400与第一基底300贴合，使得所述第一基底300的驱动电路适于驱动后续利用第二基底400形成的MEMS加速度计，和/或对加速度计输出的信号进行处理。
贴合之后，所述开口301被第二基底400所包围，形成空腔302
请参考图6，在贴合后的第二基底400表面形成第一掩膜层401，所述第一掩膜层401具有吸附含碳的聚合物能力。
所述第一掩膜层401作为MEMS器件质量块蚀刻时的阻挡层，所述第一掩膜层401在蚀刻时产生的副产品较轻，降低副产品污染可动电极和空腔内壁的概率。
由于光刻胶掩膜的成分为烯类单体或聚乙烯醇月桂酸酯含碳量比较高，第一掩膜层401的选择需要考虑到与光刻胶掩膜的界面匹配度，以及后续去除第一掩膜层401的去除容易程度。
还需要说明的是，为了使得非晶碳的第一掩膜层401具有吸附含碳的聚合物能力，采用等离子体增强化学气相沉积工艺，沉积工艺参数为：沉积温度为100度至600度，沉积气体为C3H6、C2H4或C2H2中一种或多种混合气体。
为了增强非晶碳的第一掩膜层401的吸附能力以及与光刻胶掩膜的界面匹配度，研究发现：沉积温度与非晶碳的第一掩膜层401的吸附能力成反比，而沉积温度与光刻胶掩膜的界面匹配度成正比，为了能够获得吸附能力强以及与光刻胶掩膜的界面匹配度高的非晶碳的第一掩膜层401，做为一实施例，所述非晶碳的第一掩膜层401的形成工艺为：沉积温度为150度至500度，沉积气体为C2H2与He的混合气体，在反应过程中通入氮气作为增强气体，其中，C2H2的流量为3000SCCM至5000SCCM，He的流量为5000SCCM至10000SCCM，氮气的流量为500SCCM至1500SCCM；以形成比表面积大的非晶碳的第一掩膜层401。
做为另一实施例，采用化学气相沉积工艺，形成具有纳米颗粒团簇的非晶碳的第一掩膜层401，进一步增加第一掩膜层401的吸附能力。
请参考图7，在所述第一掩膜层401表面形成光刻胶图案层402。
所述光刻胶成分为烯类单体或聚乙烯醇月桂酸酯，所述光刻胶图案层402至少具有对应于MEMS加速度计的可动电极的图案，在其他实施例中，所述光刻胶图案层402还可以对应于MEMS加速度计的可动电极和MEMS加速度计的其他组件，例如表面电极。
所述光刻胶图案层402的形成工艺为旋涂、曝光、显影工艺，本领域的技术人员可以根据实际要形成的光刻胶图案层402选择合适的工艺，在此特意说明，不应过分限制本发明的保护范围。
请参考图8，以光刻胶图案层402为掩膜，刻蚀所述第一掩膜层401，直至暴露出第二基底400，形成刻蚀后的第一掩膜层404。
所述刻蚀所述第一掩膜层401工艺用于将光刻胶图案层402上的图形转移至所述第一掩膜层401上，所述刻蚀采用等离子体刻蚀工艺，所述等离子体刻蚀工艺参数为：刻蚀设备腔体压强为60-150毫托，顶部射频功率为500-1200瓦，底部射频功率为50-150瓦，刻蚀气体为Ar或O2，刻蚀气体流量为50-300每分钟标准毫升（SCCM）。
请参考图9，去除光刻胶图案层402。
去除所述光刻胶图案层402的工艺为湿法去除工艺，采用湿法去除光刻胶图案层402的目的：1.去除所述光刻胶图案层402去除蚀刻产生的含碳的聚合物；2.去除所述光刻胶图案层402不能使用干法去胶，因为干法去胶会破坏非晶碳的第一掩膜层401。
所述湿法去除工艺参数为：去除溶液为碱性溶剂，去除时间为30-60min。
请参考图10，以刻蚀后的第一掩膜层404为掩膜，刻蚀第二基底直至贯穿所述第二基底。
所述刻蚀第二基底采用等离子体刻蚀工艺，所述等离子体刻蚀工艺参数为：刻蚀设备腔体压强为30-60毫托，顶部射频功率为1800-2500瓦，底部射频功率为20-150瓦，刻蚀气体为SF6或C4F8，刻蚀气体流量为1-500每分钟标准毫升（SCCM）。
请参考图11，还需要说明的是，在刻蚀第二基底后，采用去除工艺去除刻蚀后的第一掩膜层404（请参考图10），去除工艺参数为：灰化设备腔体压强为1000-2000毫托，射频功率为1000-2000瓦，灰化气体为O2或CF4，O2流量为1000-1200每分钟标准毫升，CF4流量为4-6每分钟标准毫升（SCCM）。本发明的实施例采用具有吸附含碳的聚合物能力的第一掩膜层，第一掩膜层在蚀刻时产生的副产品较轻，降低副产品污染可动电极和空腔内壁的概率，提高了MEMS器件的可靠性。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (15)
1.一种MEMS器件形成方法，其特征在于，包括：
提供第一基底，所述第一基底内具有开口；
在所述第一基底表面贴合第二基底，所述开口被第二基底所包围，形成空腔；
在贴合后的第二基底表面形成非晶碳的第一掩膜层；
在所述第一掩膜层表面形成光刻胶图案层，所述光刻胶图案层至少具有对应于所述空腔的图案；
以光刻胶图案层为掩膜，刻蚀所述第一掩膜层，直至暴露出第二基底；
去除光刻胶图案层；
以刻蚀后的第一掩膜层为掩膜，刻蚀第二基底直至贯穿所述第二基底，暴露出所述空腔。
2.如权利要求1所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，采用等离子体增强化学气相沉积工艺形成所述第一掩膜层。
3.如权利要求2所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，所述第一掩膜层的形成工艺参数为：沉积温度为100-600度，沉积气体为C3H6、C2H4或C2H2中一种或多种混合气体。
4.如权利要求1所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，采用化学气相沉积形成所述第一掩膜层。
5.如权利要求4所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，采用氮气作为增强气体。
6.如权利要求5所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，所述第一掩膜层的沉积温度为150度至500度，沉积气体为C2H2与He的混合气体，在反应过程中通入氮气作为增强气体，其中，C2H2的流量为3000-5000每分钟标准毫升，He的流量为5000-10000每分钟标准毫升，氮气的流量为500-1500每分钟标准毫升。
7.如权利要求1所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，所述光刻胶的成分为烯类单体或聚乙烯醇月桂酸酯。
8.如权利要求1所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，采用等离子体刻蚀工艺刻蚀所述第一掩膜层。
9.如权利要求8所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，等离子体刻蚀工艺刻蚀所述第一掩膜层工艺参数为：刻蚀设备腔体压力为60-150毫托，顶部射频功率为500-1200瓦，底部射频功率为50-150瓦，刻蚀气体为Ar或O2，刻蚀气体流量为50-300每分钟标准毫升。
10.如权利要求1所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，采用湿法去除工艺去除光刻胶图案层。
11.如权利要求10所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，所述湿法去除工艺参数为：去除溶液为碱性溶剂，去除时间为30-60min。
12.如权利要求1所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，采用等离子体刻蚀工艺刻蚀第二基底。
13.如权利要求12所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀工艺参数为：刻蚀设备腔体压强为30-60毫托，顶部射频功率为1800-2500瓦，底部射频功率为20-150瓦，刻蚀气体为SF6、或C4F8，刻蚀气体流量为1-500每分钟标准毫升。
14.如权利要求1所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，还包括：去除所述刻蚀后的第一掩膜层。
15.如权利要求1所述的MEMS器件形成方法，其特征在于，去除所述刻蚀后的第一掩膜层工艺参数为：灰化设备腔体压强为1000-2000毫托，射频功率为1000-2000瓦，灰化气体为O2或CF4，其中，O2流量为1000-1200每分钟标准毫升，CF4流量为4-6每分钟标准毫升。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |