CN105261588A

CN105261588A - 超高精密硅基通孔图形结构的制备方法

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Publication number: CN105261588A
Application number: CN201410342883.4A
Authority: CN
Inventors: 包文中
Original assignee: Nantong Wei Bei Quantum Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang saiweike Photoelectric Technology Co., Ltd
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: CN105261588B

Abstract

一种超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，包括：在硅基板上制作无机掩模层；在该无机掩模层上涂布光刻胶，并刻蚀形成光刻胶图形结构；以光刻胶图形结构为掩模对该无机掩模层进行刻蚀；以刻蚀后的无机掩模层作为掩模，利用干法刻蚀工艺刻蚀硅基板，在硅基板上形成通孔图形结构，并且在该干法刻蚀工艺中，对于口径在2μm以下的开口部，在常温下该无机掩模层的硅刻蚀选择比在1：1000以上，而且在对该硅基板上与通孔图形结构中口径最小处相应区域的刻蚀深度达到设定深度之前，该无机掩模层未被完全刻蚀除去。本发明制备方法工艺简单，成本低廉，能实现具有高精度亚微米硅基通孔图形的高效、快捷的规模化制备，从而充分满足实际应用的需求。

Description

超高精密硅基通孔图形结构的制备方法

技术领域

本发明涉及一种深硅刻蚀工艺，特别涉及一种利用深硅刻蚀制备亚微米级超高精度硅基通孔图形结构的方法，属于半导体制造技术领域。

背景技术

深硅刻蚀是常用于半导体器件制造、微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）、3D封装等领域的一种对单晶硅材料进行刻蚀的技术。这项技术可以应用在例如镂空掩模板，MEMS传感器，多孔硅制作，芯片制造等多种研究和生产领域。

典型的深硅刻蚀技术是利用交替进行的离子刻蚀-沉积步骤对单晶硅进行刻蚀，这一刻蚀方法又叫Bosch刻蚀法，其采用的掩模层一般是光刻胶（PR）或者SiO₂层，在通孔孔径较大时刻蚀深度可以达到几百μm、深宽比最大可以达到50以上。然而这种方法有一定的缺陷，例如，对于孔径在亚微米级以下的开口，由于刻蚀气体（在Bosch法中一般为SF₆）进入较少，造成目标刻蚀物硅的刻蚀速率快速降低（参阅图1，随着孔径的减小，相同时间内刻蚀深度亦相应减小），因而在常规条件下能够形成的通孔孔径最小只有2～5μm，另一方面也造成刻蚀掩模的选择比（即硅刻蚀深度与掩模被刻蚀深度之比）迅速降低，甚至降低至10以下，在通孔未形成之前就已耗尽刻蚀掩模。这些困难都限制了深硅刻蚀在更小尺度范围的应用。

目前，为获得亚微米孔径的通孔，目前常用的方法是直接利用聚焦离子束（FocusedIonbeam）在数十至数百nm厚的氮化硅膜层上刻蚀图形，这种加工方式虽然精度可以达到亚微米甚至nm级别，但是制作方法比较复杂，而且聚焦离子束设备也非常昂贵，造成其成本高昂；另外氮化硅通孔薄膜非常容易变形或者损坏，重复使用的次数非常有限。

因而，长期以来，业界一直亟待发展出一种简单有效的方法来实现超高精度的深硅通孔刻蚀。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超高精密硅基通孔图形结构的制备方法。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，包括：

在单晶硅基板上制作无机掩模层；

在所述无机掩模层上涂布光刻胶，并刻蚀形成光刻胶图形结构；

以光刻胶图形结构为掩模，对所述无机掩模层进行刻蚀；

以刻蚀后的无机掩模层作为掩模，利用干法刻蚀工艺刻蚀硅基板，在硅基板上形成通孔图形结构，在干法刻蚀工艺中，对于口径在2μm以下的开口部，在常温下所述无机掩模层的硅刻蚀选择比在1：1000以上，而且在对所述硅基板上与通孔图形结构中口径最小处相应区域的刻蚀深度达到设定深度之前，所述无机掩模层未被完全刻蚀除去。

进一步的，在所述通孔图形结构中包含亚微米级开口部，尤其是，开口部的最小口径在2μm以下。

作为较为优选的实施方式之一，该制备方法还可包括：

以所述硅基板的第一面作为所述通孔图形结构的起始刻蚀面，

以及，对与所述硅基板的第一面相背的第二面进行刻蚀，从而在所述硅基板上形成与所述通孔图形结构连通的槽型结构，并且所述槽型结构至少与所述硅基板第一面上用以形成通孔图形结构中口径最小处的区域对应。

作为较为具体的实施方案之一，该制备方法还可包括如下步骤：

在硅基板的第一面和与该第一面相背的第二面上分别制作第一无机掩模层、第二掩模层；

对所述第二掩模层进行刻蚀，并以刻蚀后的第二掩模层作为掩模，对硅基板的第二面进行刻蚀，形成槽型结构；

在所述第一无机掩模层上涂布光刻胶，并刻蚀形成第一光刻胶图形结构，再以第一光刻胶图形结构为掩模，对所述第一无机掩模层进行刻蚀，再以刻蚀后的第一无机掩模层作为掩模，利用干法刻蚀工艺刻蚀硅基板的第一面，在硅基板上形成通孔图形结构。

与现有技术相比，本发明的优点包括：该超高精密硅基通孔图形结构的制备方法工艺简单，成本低廉，能实现具有高精度亚微米通孔图形的硅基掩模板的高效、快捷的规模化制备，从而充分满足实际应用的需求。

附图说明

图1是传统深硅刻蚀工艺加工硅基片的原理图；

图2是本发明一典型实施方案中超高精密硅基通孔图形结构的制备工艺流程图；

图3是本发明一典型实施方案中由氮化硅/氧化铝复合薄膜形成的刻蚀掩模层的结构示意图；

图4是本发明另一典型实施方案中超高精密硅基通孔图形结构的制备工艺流程图；

图5a-图5b分别是本发明一具体实施例中所获超高精密硅基通孔图形结构的主视图和后视图；

图6是本发明另一具体实施例中所获超高精密硅基通孔图形结构的光学显微照片；

图7是本发明又一具体实施例中所获超高精密硅基通孔图形结构的光学显微照片；

附图标记说明：10-光刻胶层、20-硅基板、30-无机掩模层，31-氮化硅膜层31，32-氧化铝膜层。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明主要提出了一种超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，包括如下步骤：

在硅基板上制作无机掩模层；

以光刻胶图形结构为掩模，对所述无机掩模层进行刻蚀；

以刻蚀后的无机掩模层作为掩模，利用干法刻蚀工艺刻蚀硅基板，在硅基板上形成通孔图形结构。

进一步的，在所述干法刻蚀工艺中，对于口径在2μm以下的开口部，在常温下所述无机掩模层的硅刻蚀选择比在1：1000以上，而且在对所述硅基板上与通孔图形结构中口径最小处相应区域的刻蚀深度达到设定深度之前，所述无机掩模层未被完全刻蚀除去。

进一步的，在所述干法刻蚀工艺中，对于口径在100nm～2μm的开口部，在常温下所述无机掩模层的硅刻蚀选择比在1：1000～1：10000。

其中，所述无机掩模层可采用满足前述硅刻蚀选择比的无机材料形成，优选的，例如可采用氮化硅、氧化铝、金属薄膜等，或者该几者的混合。

进一步的，所述无机掩模层可由层叠设置的两层以上无机材料层组成，例如，可由层叠的氮化硅膜和氧化铝膜复合形成。

进一步的，所述无机掩模层的形成方式可依据所选择无机材料的不同，而选择性的采用诸如化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、原子沉积（ALD）、蒸镀、溅射等工艺。

进一步的，所述无机掩模层的厚度应控制在合适范围内，例如10-200nm的范围内，若厚度过大，本身会比较难被刻蚀，而且会影响干法刻蚀气体进入硅基板的量，降低刻蚀速度，若厚度过小，则可能会过早的被耗尽。优选的，所述无机掩模层的厚度可以是10-100nm，尤其优选控制在20-30nm。

对于厚度较小，通孔较大的硅基板，例如，厚度在50-100μm，通孔在5μm以上的基板，一般而言，仅需通过采用前述工艺对其一面进行刻蚀，即可获得所需的通孔图形结构。

在本发明的干法刻蚀工艺中，可采用各类具有硅刻蚀能力的干法刻蚀试剂，例如SF₆或C₄F₈等含氟气体，特别是含氟的等离子气体。

而在一较为优选的实施方案之中，还可采用双面刻蚀的方式，即，在硅基板的一面上刻蚀所述通孔图形结构，并在另一面上，特别是对应于所述通孔图形结构的区域，刻蚀出槽型结构，特别是复式槽型结构，如此，可在保证通孔图形结构具有良好的精度的同时，减小在形成所述通孔图形结构时所需的刻蚀深度，缩短加工时间，提升加工效率，并且，还可使形成的通孔结构具有良好的机械强度。

进一步的，该制备方法可包括：

其中，第二掩膜层可采用业界所知的各类适用材料，例如SiO₂、光刻胶等常规刻蚀掩模材料形成，但不限于此。

需要指出的，该方法中，对第一面、第二面刻蚀的次序可相互调换，而无特别要求，但较为优选的，可先在第二面上形成槽型结构，再自第一面刻蚀形成通孔图形结构。

在一更为典型的案例中，该超高精密硅基通孔图形结构的制备方法可以包括如下步骤：

（1）在硅基板的第一面和与该第一面相背的第二面上分别制作第一、第二无机掩模层；

（2）在所述第二无机掩模层上涂布光刻胶，并刻蚀形成第二光刻胶图形结构，再以第二光刻胶图形结构为掩模，对所述第二无机掩模层进行刻蚀；

（3）以刻蚀后的第二无机掩模层作为掩模，对硅基板的第二面进行刻蚀，形成槽型结构，其中，所述槽型结构至少与所述硅基板第一面上用以形成通孔图形结构中口径最小处的区域对应；

（4）在所述第一无机掩模层上涂布光刻胶，并刻蚀形成第一光刻胶图形结构，再以第一光刻胶图形结构为掩模，对所述第一无机掩模层进行刻蚀；

（5）以刻蚀后的第一无机掩模层作为掩模，利用干法刻蚀工艺刻蚀硅基板的第一面，在硅基板上形成通孔图形结构。

在该制备方法中，可选用湿法刻蚀、干法刻蚀工艺等业界所知的方式对硅基板的第二面进行刻蚀。

进一步的，在步骤（3）中，可以将所述硅基板第二面上与所述通孔图形结构相应区域整体刻蚀形成槽型结构。

进一步的，前述步骤（2）、（3）可重复多次，并在所述硅基板第二面上形成不同深度的复式槽。

又及，步骤（3）中所形成的槽型结构里硅基板的厚度与其上的最小通孔孔径（或者线宽）的比值（即深宽比）优选控制在10-50，尤其优选控制在10-20。

该较为优选的实施方案尤其适用于在厚度较大的硅基板上形成图形通孔结构，例如，厚度在500μm以上的基板，并还可以达到不同大小的开口在相同刻蚀时间内达到同步通孔的效果，防止出现部分开口处刻蚀不完全而其余开口处过度刻蚀的问题。并且，还可克服采用习见的整体减薄工艺处理硅基板时，可能导致的硅基板损伤，强度减小等问题。

在又一较为优选的实施方案之中，还可选用由多个无机材料层形成的叠层结构作为无机掩模层，例如，氧化铝层与氮化硅层复合形成的叠层结构、多层金属膜形成的叠层结构、金属膜与非金属材料层形成的叠层结构等，并以该无机掩模层作为掩模对硅基板进行刻蚀，进而形成所述通孔图形结构。采用这样的设计，可以更好地实现对通孔图形结构精度的控制。

还需说明的是，本发明中对于硅基板的导电类型、电阻率和晶向无特定要求，而可依据最终产品的性能要求选取。

为使本发明揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对了本发明的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。以下所揭露的各实施例，在有益的情形下可相互组合或取代，也可在一实施例中附加其它的实施例，而无须进一步的记载或说明。

参阅图2，在本发明的一较为具体的实施方案中，为获得超高精密硅基通孔图形结构，可采用如下工艺：

S11．在硅基片20的正面（也可称为“第一面”）生长无机掩模层30；

S12．在硅基片20的正面涂覆光刻胶层10

S13．对硅基片20的正面光刻曝光并显影；

S14．对硅基片20的正面干法刻蚀去除部分无机掩模层30；

S15.对硅基片20进行深硅刻蚀形成通孔。

在前述步骤S11中，硅基片20的正面优选为其抛光面。

例如，在一更为具体的案例中，可首先在硅基片（简称“硅片”）的正面（优选为抛光面）上使用原子层沉积（ALD）法生长20nm的氧化铝膜层，作为以后的刻蚀掩模层，然后在此刻蚀掩模层上涂上一层常规的光刻胶，并利用常规光刻或者电子束光刻（视图形的精度而定）在光刻胶层曝光掩模图形窗口区域，显影后在120^oC热板上坚膜5分钟后，用干法刻蚀去除暴露出的氧化铝复合薄膜，最后用Bosch深硅刻蚀法形成通孔或者空腔。经过试验，在常温下氧化铝的硅刻蚀选择比在较大的开口（口径在2μm以上）能够到到1：10000左右，即20nm的氧化铝层足够刻蚀200μm的单晶硅，即使较小的开口（100nm）也能够到到1：1000，即20nm的氧化铝层能足够刻蚀20μm的硅层，这是通常的光刻胶或者SiO₂掩模层几乎不可能做到的。

在该实施例中，选择20nm的氧化铝厚度，可以在通孔或者空腔刻蚀快完成时能够让氧化铝层恰好耗尽，以消除氧化铝层对整个结构的诱导机械应力，这对于最终产品的良率有重要的影响。

在一更为优选的实施例中，还可采用多个无机材料层复合形成的叠层结构，例如氮化硅/氧化铝复合薄膜作为刻蚀掩模层，其实施过程可以为：

在硅片20的抛光面上先使用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）生长厚约200nm的氮化硅膜层31，特别是低应力氮化硅膜层，再使用原子层沉积（ALD）法生长厚度约20nm的氧化铝膜层32。两层复合膜共同作为以后的刻蚀掩模层（参阅图3）。然后在此复合膜上涂上一层常规的光刻胶10，并在光刻胶层曝光掩模图形窗口区域，显影、坚膜后，用干法刻蚀去除暴露出的氮化硅/氧化铝复合薄膜。最后用Bosch深硅刻蚀法形成通孔或者空腔。其中，氧化铝膜层的硅刻蚀选择比如前文所述，而在氧化铝膜层被耗尽后，剩余的氮化硅层一方面可以在氧化铝耗尽后继续充当刻蚀掩模，另一方面因其低机械应力的的特性，还可尽量减小刻蚀掩模内部应力对亚微米硅通孔的损坏，进一步提升所形成通孔图形结构的精度。

另外，依据产品的要求和具体的图形，在本发明所提出的前述技术方案的基础上，还可通过适当改变等离子体刻蚀时的偏压功率，气体流量和气体比例，从而加快亚微米开口的刻蚀速率，增加刻蚀效率，并防止出现较大开口孔腔的侧壁垂直形貌变差等问题。

请再次参阅图1，在深硅刻蚀过程中，不同开口大小的孔腔在相同的刻蚀时间内刻蚀深度会不一样，这样会导致如下的问题，即：通常在大开口的孔腔已经形成通孔后，小开口的孔腔还需要继续刻蚀的情况，这样就会造成大开口的通孔过度刻蚀造成的侧壁垂直形貌变差。

因而，本案发明人提出了另一种较佳的实施方案，其通过在用以加工出精度较高的图形化通孔结构的硅片的背面进行预刻蚀，使得亚微米图形的刻蚀厚度减小到20μm左右，从而达到不同开口在相同刻蚀时间内达到同步通孔的效果。

请参阅图4，该工艺可以包括如下步骤：

S21.硅片正、背两面（第一面、第二面）的氧化铝膜层和光刻胶甩胶；

S22.硅片背面小面积光刻和氧化铝膜层干法刻蚀；

S23.硅片背面小面积深硅刻蚀；

S24.硅片背面大面积光刻和氧化铝膜层干法刻蚀；

S25.硅片背面大面积深硅刻蚀；

S26.硅片正面光刻和氮化硅/氧化铝复合薄膜干法刻蚀；

S27.硅片正面深硅刻蚀。

例如，在又一更为具体的案例中，可以在双面抛光的硅片的两面都生长氧化铝膜层，再在两面都涂上光刻胶，随后在正面待刻蚀亚微米部分图形的硅片的背面曝光相应面积的的窗口区域，并进行深硅刻蚀至一定深度，接着在更大范围的区域（或整个待刻蚀图形的相应的硅片的背面）曝光相应面积的窗口区域，并进行深硅刻蚀至一定深度，此时亚微米图案区域的厚度减少至20μm左右。并且，若有必要，对硅片背面预刻蚀的区域还可以分成更多的层次，其原则是保证不同尺寸的开口在相同刻蚀时间内达到同步通孔的效果。在硅片背面的预刻蚀完成后，在硅片的正面进行待刻蚀图案的光刻，并进行深硅刻蚀，其中硅片正面的通孔图形结构应与背面的预刻蚀窗口的定位对齐。例如，请参阅图5a-图5b，对于位于硅片正面的中间部位的较精细的待刻蚀图形结构，需要在硅片的背面作较深的预刻蚀（横条状阴影所分布的区域），而对于外围区域则预刻蚀较浅（斜条状阴影分布区域）。

通过采用前述预刻蚀工序，不但可以大大增加良品率，还可保证硅片整体的机械强度，因为假如硅片整体削薄至20μm后会非常易碎，很难操作。

再请参阅图6、7所示是利用本发明的方法所获不同精度的产品的光学显微照片，可见其均具有良好形貌和高精度，特别是，请参阅图7，利用本发明的方法，可以制备最小细节（亦可认为是“口径”）为100nm的通孔。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，其特征在于包括：

在硅基板上制作无机掩模层；

以光刻胶图形结构为掩模，对所述无机掩模层进行刻蚀；

以刻蚀后的无机掩模层作为掩模，利用干法刻蚀工艺刻蚀硅基板，在硅基板上形成通孔图形结构，

并且在所述干法刻蚀工艺中，对于口径在2μm以下的开口部，在常温下所述无机掩模层的硅刻蚀选择比在1：1000以上，而且在对所述硅基板上与通孔图形结构中口径最小处相应区域的刻蚀深度达到设定深度之前，所述无机掩模层未被完全刻蚀除去。

2.根据权利要求1所述超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，其特征在于，在所述干法刻蚀工艺中，对于口径在100nm～2μm的开口部，在常温下所述无机掩模层的硅刻蚀选择比在1：1000～1：10000。

3.根据权利要求1所述超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，其特征在于所述无机掩模层主要由金属和/或非金属材料形成，所述非金属材料包括氧化铝和/或氮化硅。

4.根据权利要求1所述超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，其特征在于所述无机掩模层的厚度为10nm～100nm。

5.根据权利要求1所述超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，其特征在于还包括：

6.根据权利要求5所述超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，其特征在于包括：

7.根据权利要求6所述超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤：

8.根据权利要求1、6或7所述超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，其特征在于在所述干法刻蚀工艺中，所采用的刻蚀气体选自含氟气体超高精密硅基通孔图形结构，所述含氟气体至少选自SF₆或C₄F₈。

9.根据权利要求7所述超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，其特征在于步骤（3）包括：选用湿法刻蚀或干法刻蚀工艺对硅基板的第二面进行刻蚀。

10.根据权利要求7所述超高精密硅基通孔图形结构的制备方法，其特征在于步骤（3）包括：将所述硅基板第二面上与所述通孔图形结构相应区域整体刻蚀形成槽型结构。