CN105540531A - 网状氮化硅薄膜微桥阵列的制备方法 - Google Patents

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黄远
颜平
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Abstract

本发明公开了一种网状氮化硅薄膜微桥阵列的制备方法。本发明首先在已抛光过的硅片表面上生成一层氮化硅薄膜，并在氮化硅薄膜上旋涂一层光刻胶，然后利用紫外光光刻技术将掩模图案转移到光刻胶上；接着以光刻胶图案作为掩膜图案刻蚀氮化硅薄膜，除去光刻胶，获得氮化硅薄膜微桥桥面图案；再然后以氮化硅薄膜图案作为电感耦合等离子刻蚀法的掩膜图案，待对硅片进行等离子刻蚀后，得到一种矩形腔体阵列；最后采用湿法刻蚀矩形腔体阵列的腔壁，形成一种以硅支柱结构支撑下的网状氮化硅薄膜微桥阵列。本发明不需要金属填充层，能够比较容易地控制支撑柱的高度，而且电感耦合等离子刻蚀与湿法刻蚀操作相对简单，整套工艺流程简单易行。

Description

网状氮化硅薄膜微桥阵列的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种基于微机电技术领域的制备方法，具体是一种网状氮化硅薄膜微桥阵列的制备方法。
背景技术
随着微机电系统技术的迅速发展，越来越多的薄膜材料被应用于MEMS器件中，制作成MEMS器件的微机械结构。氮化硅薄膜是一种重要的精细陶瓷薄膜材料，具有很多优良的性能，如抗冲击力强、硬度高、抗腐蚀、耐高温、化学惰性与绝缘性好、光电性能优良等特点，因此被广泛的应用于微电子领域、微机械制造、光电子工业、太阳能电池、陶瓷切削加工工具、材料表面改性以及航天航空等领域。
微桥结构不仅可以用于分析薄膜材料的力学特性，还可以用于实现微电子器件(如探测器)与衬底之间的高热阻，提高器件的信噪比。如今，为了提高微电子器件的精准度和可靠性，微电子器件在越做越小的同时，也在朝着集成化、阵列化发展。传统的微桥及微桥阵列的制备过程较为复杂，常常需要金属填充层，用于制作支撑柱。但这些金属支撑柱不仅会增加微桥阵列的制备成本，而且还会影响微电子器件的精准度，其耐高温性也受制于所用金属的熔点。因此，一种以非金属且耐高温材料制成的支撑柱为支撑的薄膜微桥阵列的制备方法便显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明得目的在于提供一种以硅支柱结构支撑下的网状氮化硅薄膜微桥阵列的制备方法，并将电感耦合等离子刻蚀和湿法刻蚀工艺相结合，方法步骤相对简单易行。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明提供一种网状氮化硅薄膜微桥阵列的制备方法，具体步骤如下：
(1)在抛光过的硅片表面上生成一层氮化硅薄膜，并旋涂一层光刻胶；
(2)利用紫外光光刻技术将掩模图案转移到光刻胶上；
(3)以光刻胶图案作为掩膜图案，使用氮化硅刻蚀液刻蚀氮化硅薄膜，除去光刻胶，获得氮化硅薄膜微桥桥面图案；
(4)以氮化硅薄膜微桥桥面图案作为电感耦合等离子刻蚀法的掩膜图案，对硅片进行刻蚀，获得一种矩形腔体阵列；
(5)通过湿法刻蚀贯穿矩形腔体阵列的腔壁，形成一种以硅支柱结构支撑下的网状氮化硅薄膜微桥阵列。
上述步骤(1)中：硅片厚度为300～500μm；氮化硅薄膜是利用化学气相沉积法制备，厚度为300～1000nm；光刻胶为正光刻胶或者负光刻胶，采用旋涂方式涂覆，并加热固化。
上述步骤(2)中，掩膜图案为矩形阵列(使用的光刻胶为正光刻胶时)或一种网孔为矩形阵列的网状图案(使用的光刻胶为负光刻胶时)。由于光刻胶经紫外光照射后，其分子结构被破坏，在显影液中的溶解性发生变化(正光刻胶增大或负光刻胶减小)。因此，掩膜图案可以经过紫外光光刻工艺(包括紫外光曝光与显影液显影两个过程)从掩膜板上转移到光刻胶上。
上述步骤(3)中，氮化硅刻蚀液为氢氟酸溶液；氮化硅薄膜微桥桥面图案为一种网孔为矩形阵列的网状氮化硅薄膜图案。
上述步骤(4)中，电感耦合等离子刻蚀是以SF6和C4F8分别作为刻蚀气体和保护气体，气体流量与刻蚀时间均根据刻蚀深度设定；矩形腔体阵列为一种横截面与上述氮化硅薄膜微桥桥面图案相同或相似的矩形腔体阵列。
上述步骤(5)中，湿法刻蚀是指将已完成的带有硅基底的矩形腔体阵列放入湿法刻蚀液中，对其进行湿法各向异性刻蚀，贯穿矩形腔体阵列的腔壁。湿法刻蚀液选自氢氧化钾溶液、EPW溶液或者四甲基氢氧化铵溶液中任意一种。
本发明中，得到的网状氮化硅薄膜微桥阵列以硅支柱结构为支撑，氮化硅薄膜桥面厚度为300～1000nm。
本发明与现有的氮化硅微桥阵列制备方法相比，不需要金属填充层，能够比较容易地控制支撑柱的高度，而且电感耦合等离子刻蚀与湿法刻蚀操作相对简单，整套工艺流程简单易行。
附图说明
图1是制备氮化硅薄膜后的结构示意图。
图2是旋涂光刻胶后的结构示意图。
图3是矩形腔体阵列的结构示意图。
图4是网状氮化硅薄膜微桥阵列的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实例具体包括以下几个步骤：
第一步：取一片晶向100的硅片1，厚为500μm，并进行抛光、洗净。然后将硅片1放入1100℃的高温环境中与氨气(NH3)反应，使其表面上生成一层氮化硅薄膜2，厚度为500nm，如图1所示。
第二步：在氮化硅薄膜2上旋涂一层2.5μm厚的光刻胶3(OFPR-800，450cp)，如图2所示。
第三步：将硅片1放入光刻机(KarlSUSS，MA-8)内，利用已制备完成的紫外光掩模板，进行紫外光光刻。掩膜图案为50×50的180μm×180μm正方形阵列，正方形间的间距为20μm。光刻胶3经照射后的部分溶解度变大，经过显影液(NMD-3)显影后，掩模图案转移到光刻胶3上。
第四步：以光刻胶3图案作为掩膜图案，氢氟酸(HF)溶液作为刻蚀液，对氮化硅薄膜2进行刻蚀。同时还需要对非刻蚀面进行保护，待刻蚀完成后，去除光刻胶3，氮化硅薄膜2上便形成了微桥桥面的图案。
第五步：以SF6(六氟化硫)气体作为刻蚀气体，C4F8(八氟环丁烷)气体作为保护气体，气体流量的设置均为13cm3/min，氮化硅薄膜2作为掩膜，对硅片1进行电感耦合等离子刻蚀。所能达到的刻蚀速率为0.5μm/min，刻蚀100min后得到的是带硅基底的50×50方格腔体阵列，如图3所示。方格腔体的边长为180μm，腔体深度为50μm，腔壁厚度为20μm。
第六步：对硅片1的非刻蚀面进行保护，进行湿法各向异性刻蚀，贯穿方格腔体阵列的腔壁，实现以硅支柱结构支撑下的网状氮化硅薄膜微桥阵列的制备。这一过程可以用以下三种方法实现：
方法1：将硅片1置入80℃的氢氧化钾溶液中，对硅片1进行湿法各向异性刻蚀。氢氧化钾溶液的重量百分比浓度为40％，刻蚀时间为7min。待刻蚀完成后，便会出现如图4所示的结构，方格腔体阵列的腔壁被贯穿，相邻的氮化硅薄膜微桥彼此相连，形成一种以硅支柱结构支撑下的网状氮化硅薄膜微桥阵列。
方法2：将硅片1置入115℃的EPW(乙二胺-邻苯二酚-水)溶液中，对硅片1进行湿法各向异性刻蚀。EPW溶液由乙二胺(NH2(CH2)2NH2)、邻苯二酚(C6H4(OH)2)和水(H2O))构成，刻蚀时间为5min。为了保证EPW溶液在刻蚀过程中的均匀度，每隔30秒需要搅拌一次。此外刻蚀过程中还需增设冷凝回流装置，以防止乙二胺挥发，对人体造成伤害。待刻蚀完成后，便会出现如图4所示的结构，方格腔体阵列的腔壁被贯穿，相邻的氮化硅薄膜微桥彼此相连，形成一种以硅支柱结构支撑下的网状氮化硅薄膜微桥阵列。
方法3：将硅片1置入80℃的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液中，对硅片1进行湿法各向异性刻蚀。氢氧化钾溶液的重量百分比浓度为25％，刻蚀时间为10min。待刻蚀完成后，便会出现如图4所示的结构，方格腔体阵列的腔壁被贯穿，相邻的氮化硅薄膜微桥彼此相连，形成一种以硅支柱结构支撑下的网状氮化硅薄膜微桥阵列。
综上所述，以上三种方法均可实现制备网状氮化硅薄膜微桥阵列，但方法2中的EPW溶液有剧毒，而且易挥发，对人体伤害较大。而方法3中的TMAH溶液毒性较低，但价格较高，且会在刻蚀表面上形成表面小丘，影响表面光滑度。除此之外，TMAH溶液的刻蚀速率会随着溶液浓度的增加而降低，刻蚀深度不易控制。
相比之下，方法1最为合适作为制备网状氮化硅薄膜微桥阵列的方法。氢氧化钾溶液的配制较为简单，对硅片1的刻蚀速率也较为容易控制，得到的硅刻蚀面的光滑度也较好，而且对人体造成的伤害最小。同时通过控制刻蚀过程的温度和时间，很容易得到悬于硅支撑柱的氮化硅薄膜桥面，成品率较高，一致性也较好。
最后，通过方法1获得的网状氮化硅薄膜微桥阵列的桥面尺寸180μm×20μm×400nm，硅支柱结构的尺寸为20μm×20μm×50μm。

Claims (7)

1.一种网状氮化硅薄膜微桥阵列的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在抛光过的硅片表面上生成一层氮化硅薄膜，并旋涂一层光刻胶；
(2)利用紫外光光刻技术将掩模图案转移到光刻胶上；
(3)以光刻胶图案作为掩膜图案，使用氮化硅刻蚀液刻蚀氮化硅薄膜，除去光刻胶，获得氮化硅薄膜微桥桥面图案；
(4)以氮化硅薄膜微桥桥面图案作为电感耦合等离子刻蚀法的掩膜图案，对硅片进行刻蚀，获得一种矩形腔体阵列；
(5)通过湿法刻蚀贯穿矩形腔体阵列的腔壁，形成一种以硅支柱结构支撑下的网状氮化硅薄膜微桥阵列。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中：所述硅片厚度为300～500μm；所述氮化硅薄膜是利用化学气相沉积法制备，厚度为300～1000nm；所述光刻胶为正光刻胶或者负光刻胶。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述掩膜图案为矩形阵列或一种网孔为矩形阵列的网状图案。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述氮化硅刻蚀液为氢氟酸溶液；所述氮化硅薄膜微桥桥面图案为一种网孔为矩形阵列的网状氮化硅薄膜图案。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述电感耦合等离子刻蚀是以SF6和C4F8分别作为刻蚀气体和保护气体；所述矩形腔体阵列为一种横截面与上述氮化硅薄膜微桥桥面图案相同或相似的矩形腔体阵列。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，进行湿法刻蚀时，湿法刻蚀液选自氢氧化钾溶液、EPW溶液或者四甲基氢氧化铵溶液中任意一种。
7.根据权利要求1-6之一所述的制备方法，其特征在于，得到的网状氮化硅薄膜微桥阵列以硅支柱结构为支撑，氮化硅薄膜桥面厚度为300～1000nm。
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