CN105523520A - 一种微机电系统运动传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其是指一种微机电系统运动传感器的制备方法，包括释放工艺，所述释放工艺的具体步骤包括：在形成有顶金属电极的硅片上进行光刻工序，用于获得与梳齿电极和质量块对应的光刻图形；再利用深硅刻蚀工序将所述光刻图形转移至所述硅片上，最后去除具有所述光刻图形的光刻胶。本发明可有效解决微机电活动结构释放工艺中的黏附问题。

Description

一种微机电系统运动传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及微机电系统的技术领域，尤其涉及微机电硅片的释放工艺的改进方法。

背景技术

在现有的微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem，简称MEMS)运动传感器的释放悬浮结构工艺中，通常采用湿法腐蚀释放的工艺，湿法腐蚀工艺容易造成释放后的悬浮结构和衬底发生黏附作用造成器件的失效。湿法腐蚀用的腐蚀液，需要回收进行无害化处理，无疑又增加了生产成本。

微电子机械系统通常包括弹簧、悬臂梁、薄膜、铰链和齿轮等微/纳型基本单元,在这些典型结构的制造过程中,由于微型机械的表面积与体积之比相对提高,表面效应和尺寸效应增强,相邻构件或构件与基体间经常发生粘附。黏附是指两个光滑表面相接触时，在表面力的作用下彼此粘连在一起的现象。这里所指的表面力可以是范德华力、表面张力、毛细管力、静电吸附力等。表面张力是由于在表面上或表面附近的分子聚合力的不平衡而形成的一种液体特征。其结果是液体平面趋于收缩,并具有类似于展开的弹性膜特性的特征。微悬臂梁器件厚度较小并包含微小间隙,微结构的释放后,此时清洗液的表面张力足够大,能使得悬浮的微悬臂梁结构被拖动产生显著的形变,造成微悬臂梁结构与硅基底相接触,造成持久的粘附。

用氢氟酸腐蚀牺牲层、释放多晶硅微结构、干燥时，由于硅片表面薄层水的表面张力使两片亲水、间隙在微米/纳米数量级的硅片粘合。在体硅溶片工艺和各种表面工艺中，当水或其他液体烘干挥发时，会因为表面张力的作用使两个相邻的表面有彼此靠近甚至相互接触的趋势。除了水的表面张力外，硅表面的化学状态对微结构间的粘合程度也有很大影响：表面氧化层厚度大、水接触角小、梁分开长度短、粘合功大，就容易粘合；反之，就不易发生粘附现象。在牺牲层释放后的微结构清洗干燥过程中,截留在结构间隙处液体的表面张力引起毛细引力；牺牲层释放之后干燥过程并非一蹴而就，困在悬空微结构下的液体需要更多时间除去,湿气在结构间隙处吸附形成液桥，也会引起毛细引力。和毛细引力相比，范德华力和静电引力的值较小，但没有液体存在或间距极小时,范德华力和静电引力的作用明显增强。在蚀刻后的清洗和干糙过程中,由于液体连接的内外表面间Laplace压差,截留的毛细液体可使微结构下拉与基体接触。

例如，传统制作惯性传感器悬浮梁及质量块的方法有以下过程：参见图1(a)～(b)所示，先在衬底30上沉积一层牺牲层50，再进行光刻使牺牲层50图形化。然后沉积并图形化结构层10。结合图1(c)所示，最后在释放工艺中将牺牲层50在溶液中腐蚀掉，使结构层10释放。其中，牺牲层50去除常常采用化学溶剂来完成，然后再采用自然蒸发或强制蒸发的后处理方法对结构层10或芯片进行干燥。但是，干燥过程并非一蹴而就，将牺牲层在溶液中腐蚀时，如果不采用特殊的工艺过程，往往造成结构层10与衬底30发生黏附作用，如附图1(d)所示，进而使得结构层10在烘干工艺中失效。此外，结构层厚度受表面沉积材料厚度的限制，影响了器件的灵敏度、抗冲击性能等等。

为了防止此种粘附的产生,目前采用的干燥释放工艺主要有:1)冷凝升华干燥法,即将刻蚀牺牲层的腐蚀液先冷凝后升华以消除其液相,但液相冷凝后有很大的体积变化,这个变化引起的应力可能破坏样品。2)超临界干燥法,即在室温和高压下用液态CO₂取代清洗液，在临界温度时CO₂从液体到超临界流体的转变不涉及液-气界面。3)蒸发释放法,它是在高温下干燥清洗液,由于此时表面张力作用下截留的液体不稳定性,实验观察发现也可减少粘附。但这些方法操作复杂，并且在使用中的黏附问题仍然一直威胁微机械的可靠性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种微机电系统运动传感器的制备方法可有效解决MEMS活动结构释放工艺中的黏附问题。

这种微机电系统运动传感器的制备方法，包括释放工艺，其特征在于，具体步骤包括：在形成有顶金属电极的硅片上进行光刻工序，用于获得与梳齿电极和质量块对应的光刻图形；

再利用深硅刻蚀工序将所述光刻图形转移至所述硅片上，最后去除具有所述光刻图形的光刻胶。

其中，在所述释放工艺之前还包括前期制作工艺，具体步骤如下：

步骤一：提供一正面刻蚀有图案的硅片，令所述硅片正面与一衬底进行键合；

步骤二：在所述硅片背面进行硅片厚度加工；

步骤三：在所述步骤二获得硅片背面沉积金属层，并利用光刻工序刻蚀所述金属层，获得形成在硅片上的顶金属电极。

其中，所述步骤二的厚度加工包括：抛光和打磨。

其中，所述金属层是通过磁控溅射法沉积形成的。

有益效果：

本发明提出的微机电系统运动传感器的制备工艺操作简单，成本低。一方面，本发明提出的释放工艺没有引入牺牲层，可有效解决微机电活动结构释放过程中的黏附问题；另一方面，通过减薄抛光工艺控制悬浮结构的厚度，避免了器件层厚度受表面沉积材料厚度的限制，提高了器件的灵敏度、抗冲击性能。

附图说明

图1为现有技术的微机电系统运动传感器的制备方法流程图。

图2为本发明微机电系统运动传感器制备方法的步骤二～步骤二流程图。

图3为本发明微机电系统运动传感器制备方法的步骤三～步骤四流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作详细说明。

本发明提供一种微机电系统运动传感器的制备方法，例如，可用于形成微机械惯性传感，其详细工艺阐述如图2所示：

步骤一：选择一高掺杂的单晶硅片1作为结构层材料。该高掺杂的单晶硅是为了提高硅的导电性，对掺杂的元素没有限制。单晶硅的断裂强度大，能够使悬臂梁质量块振动时具有良好的疲劳寿命。此外，高掺杂硅还具有良好的导电性。

将所述硅片1进行清洗，去除表面的有机污染物和金属杂质。利用光刻工序进行第一次光刻，即在所述硅片正面涂覆第一光刻胶21并形成深硅刻蚀的光刻图形，其中第一光刻胶21可采用AZ6130；通过深硅刻蚀将光刻图形转移至所述硅片1正面，使所述硅片1具有合适深度的凹槽11，作为可动电极和质量块等悬浮结构(例如，空腔)所对应设置的图案，参见图2(a)～(b)所示。

然后，提供一掺杂有钠离子、钾离子的玻璃衬底3进行清洗；将上述硅片1刻蚀有图案的正面，与所述衬底3进行阳极键合，形成具有空腔的、用于后续制备悬浮结构的“硅-玻璃工程衬底”，参见图2(c)所示

步骤二：对步骤一种获得的“硅-玻璃工程衬底”进行加工。即对所述硅片3的背面进行抛光和打磨以减薄硅片3厚度，参见图2(d)所示，以此来控制后续的可动电极和质量快的厚度，进而控制器件的灵敏度和初始电容。

步骤三：在完成以上步骤二的硅片3背面利用磁控溅射工艺沉积一层厚度符合设计要求的金属层4(例如厚度一般为200nm的金属铝，只要能与硅形成欧姆接触的金属均可，其厚度也是根据实际应用需要可以调整。)，参见图3(a)所示，该金属层4用于与加速度计的电连接。

然后进行第二次光刻工序，即在金属层4上涂覆第二光刻胶22(例如为AZ5214光刻胶)，并在第二光刻胶22上刻蚀出与电连接结构对应的光刻图形，继而刻蚀所述金属层4，获得形成在硅片上的顶金属电极41。所述顶金属电极41可例如为金属线，以使梳齿电极(图中未示出)与电连接垫(这里的电连接垫是指器件跟外电路连接是的引线处，图中未示出)之间形成有效的电连接。

步骤四：在形成有顶金属电极41的硅片1上进行第三次光刻工序，用于获得与梳齿电极和质量块对应的光刻图形。其中，第三光刻胶23可例如为AZ6130光刻胶。

再利用深硅刻蚀工序将所述与梳齿电极和质量块对应的光刻图形转移至所述硅片1上，最后采用氧等离子体清洗去除所述第三光刻胶23，在衬底3正面将具有悬浮结构的硅片1释放，避免了活动结构释放工艺中的黏附问题。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (4)

1.一种微机电系统运动传感器的制备方法，包括释放工艺，其特征在于，所述释放工艺的具体步骤包括：在形成有顶金属电极的硅片上进行光刻工序，用于获得与梳齿电极和质量块对应的光刻图形；

再利用深硅刻蚀工序将所述光刻图形转移至所述硅片上，最后去除具有所述光刻图形的光刻胶。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述释放工艺之前还包括如下步骤：

步骤一：提供一正面刻蚀有图案的硅片，令所述硅片正面与一衬底进行键合；

步骤二：在所述硅片背面进行硅片厚度加工；

步骤三：在所述步骤二获得硅片背面沉积金属层，并利用光刻工序刻蚀所述金属层，获得形成在硅片上的顶金属电极。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二的厚度加工包括：打磨和抛光。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述金属层是通过磁控溅射法沉积形成的。