CN105621342A - 一种mems释放辅助结构及其制备方法 - Google Patents

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张华�
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Abstract

本发明涉及一种MEMS释放辅助结构及其制备方法，该结构包括底层，以及依次设置在底层上的第二牺牲层和第二结构层，底层靠近第二牺牲层的一侧设有若干凹槽，第二牺牲层延伸到凹槽中、并在各对应凹槽中分别形成空腔，且空腔中气压小于腐蚀环境中气压，第二结构层上设有连通外界和第二牺牲层的若干种腐蚀剂入口，且至少一种腐蚀剂入口为结构层通孔或释放辅助孔，底层为衬底或者在衬底上依次形成第一牺牲层和第一结构层而成。本发明的MEMS释放辅助结构，使得腐蚀剂通过空腔向四周腐蚀第二牺牲层材料，有效缩短释放长度，减少腐蚀时间。

Description

一种MEMS释放辅助结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种MEMS释放辅助结构及其制备方法。
背景技术
20世纪90年代以来，微机电系统(MEMS)技术发展迅猛，加速度计、硅麦克风、压力传感器、陀螺仪、磁场传感器、数字微镜等多种MEMS器件纷纷商业化成功，并逐步替代同类传统器件，意味着传感器已经进入MEMS时代。在MEMS加工方法中，释放工艺是使用最为广泛的加工工艺之一。目前在牺牲层释放，特别是大面积牺牲层释放时，为了缩短释放长度，减少腐蚀时间，通常的做法是在释放区域的结构层上设计一些腐蚀孔，这样液态或者气态腐蚀剂可以同时沿着这些腐蚀孔向内腐蚀牺牲层材料。
但是这些腐蚀孔或多或少会对器件的性能产生不利影响，比如，光反射器上的腐蚀孔不但会降低器件的反射系数，而且会导致衍射效应。所以在某些情况下，设计腐蚀孔并不是最佳选择，甚至不允许采用腐蚀孔。本发明所要解决的技术问题是在缩短释放长度，减少腐蚀时间的同时，有效减少释放时结构层需要设计的腐蚀孔数量，甚至可以不用设计腐蚀孔。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可以在缩短释放长度，减少腐蚀时间的同时，有效减少释放时结构层需要设计的腐蚀孔数量，甚至可以不用设计腐蚀孔的MEMS释放辅助结构。
本发明的一种MEMS释放辅助结构，其特征在于：包括底层，以及依次设置在所述底层上的第二牺牲层和第二结构层，所述底层靠近第二牺牲层的一侧设有若干凹槽，所述第二牺牲层延伸到所述凹槽中、并在各对应凹槽中分别形成空腔，且所述空腔中气压小于腐蚀环境中气压，所述第二结构层上设有连通外界和所述第二牺牲层的若干腐蚀剂入口，至少一种所述腐蚀剂入口为结构层通孔或释放辅助孔，所述底层为衬底或者在所述衬底上依次形成第一牺牲层和第一结构层而成。
进一步的，一种所述腐蚀剂入口为结构层通孔，另一种所述腐蚀剂入口为释放辅助孔。
进一步的，所述空腔内为真空。
进一步的，所述凹槽至少部分位于所述腐蚀剂入口的下方。
进一步的，所述凹槽为平行于底层延伸的条状。
进一步的，所述空腔顺着对应的凹槽也形成为条状。
进一步的，所述衬底为硅，所述第一、第二牺牲层为氧化硅，所述第一结构层为多晶硅或者氮化硅，所述第二结构层也为多晶硅或者氮化硅。
本发明还提供一种根据上述任一方案所述的一种MEMS释放辅助结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在所述底层上刻蚀所述凹槽；
(2)在所述底层刻蚀有凹槽的一侧生长所述第二牺牲层，第二牺牲层覆盖所述凹槽并形成对应的所述空腔；
(3)在所述第二牺牲层的上方沉积形成所述第二结构层，刻蚀形成所述腐蚀剂入口。
进一步的，步骤(1)之前，先在衬底上沉积形成第一牺牲层，然后在第一牺牲层上沉积形成第一结构层，从而形成所述底层，步骤(1)中通过在第一结构层上刻蚀贯通孔构成所述底层的凹槽。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明的MEMS释放辅助结构，腐蚀剂从腐蚀剂入口向内腐蚀第二牺牲层的材料，当腐蚀到空腔时，因空腔内的气压相对较低，气压差导致腐蚀剂迅速扩散填满整条空腔，继而向空腔的四周腐蚀，由于空腔分布在第二结构层下方，使得腐蚀剂可以同时向各个方向腐蚀第二牺牲层材料，有效缩短释放长度，减少腐蚀时间。
当底层由衬底上依次覆盖第一牺牲层和第一结构层而成时，腐蚀剂在腐蚀第二牺牲层的同时也会相应的腐蚀第一牺牲层。
2、空腔内为真空，气压远小于腐蚀剂所处的环境气压，可进一步增加腐蚀剂的扩散速率。
3、设置凹槽至少部分位于对应腐蚀剂入口的下方，则相应的空腔也形成在对应腐蚀剂入口的下方，从而使得腐蚀剂快速到达空腔，并且可以更好的向各个方向腐蚀第二牺牲层材料，更有效的缩短释放长度，减少腐蚀时间。
4、凹槽为平行于底层延伸的条状，同时令形成的空腔也为条状，覆盖到更多的第二牺牲层面积，从而有利于腐蚀剂更佳均匀的腐蚀第二牺牲层材料。
5、本发明MEMS释放辅助结构的制备方法，简单易操作，与标准CMOS工艺完全兼容，极具产业价值且易于推广。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
附图说明
图1是本发明实施例1的截面图；
图2是本发明实施例1的俯视图；
图3是本发明实施例2的截面图；
其中：1、衬底，11、凹槽，2、第二牺牲层，21、空腔，3、第二结构层，31、边界开口，32、释放辅助孔，4、第一牺牲层，5、第一结构层，51、贯通孔。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1-2，一种MEMS释放辅助结构，包括底层，以及依次设置在底层上的第二牺牲层2和第二结构层3，底层靠近第二牺牲层2的一侧设有三道凹槽，第二牺牲层2延伸到凹槽中、并在各对应凹槽中分别形成空腔21，且空腔21中气压小于腐蚀环境中气压，第二结构层3上设有连通外界和第二牺牲层2的两种各一个腐蚀剂入口，一个腐蚀剂入口具体为结构层通孔，另一个腐蚀剂入口具体为释放辅助孔32。其中结构层通孔更具体来说在本实施例中为边界开口31。
这里释放辅助孔32的设计对具有边界开口31的器件，在缩短释放长度方面起到锦上添花的作用。
具体的，底层为衬底1，凹槽具体为开设在衬底1上的凹槽11，空腔21内为真空，各凹槽11位于对应边界开口31的下方或者位于对应释放辅助孔32的下方。凹槽11具体为平行于底层延伸的条状，而空腔21顺着对应的凹槽11延伸方向也形成为条状。
本实施例的MEMS释放辅助结构中，衬底1为硅，第二牺牲层2为氧化硅，第二结构层3为多晶硅。
下面以实施例1MEMS释放辅助结构的制备方法为例来说明本发明MEMS释放辅助结构制备方法，但并不对本发明的MEMS释放辅助结构制备方法构成限制：
(1)在底层也即衬底1上光刻，刻蚀形成三道凹槽11。
(2)在衬底1刻蚀有凹槽11的一侧生长一层氧化硅形成第二牺牲层2，第二牺牲层2覆盖凹槽11并形成对应的空腔21，具体来说，覆盖到凹槽11里的氧化硅内部并非完全致密，因而会形成一条顺着凹槽11走向的空腔21。
(3)在第二牺牲层2的上方沉积多晶硅形成第二结构层3，并利用光刻在第二结构层3上刻蚀形成边界开口31和释放辅助孔32。
工作时，液态或者气态腐蚀剂从第二结构层3上的边界开口31和释放辅助孔32向内腐蚀第二牺牲层2材料，当腐蚀剂腐蚀到空腔21时，因空腔21内的真空度很高，而腐蚀剂所处的环境气压相对较高，气压差导致腐蚀剂迅速扩散填满整条空腔21，继而向空腔21的四周腐蚀，由于空腔21均匀分布在结构层下方，使得腐蚀剂可以同时向各个方向腐蚀第二牺牲层2材料，有效缩短释放长度，减少腐蚀时间。
实施例2
如图3，一种MEMS释放辅助结构，与实施例1的区别在于：底层为在衬底1上依次形成第一牺牲层4和第一结构层5而成。第一牺牲层4为氧化硅，第一结构层5为多晶硅。
本实施例的MEMS释放辅助结构的制备方法，与实施例1制备方法的区别在于：
步骤(1)之前，先在衬底1上沉积氧化硅形成第一牺牲层4，然后在第一牺牲层4上沉积多晶硅形成第一结构层5，从而形成底层，步骤(1)中底层上的凹槽具体由刻蚀在第一结构层5上的贯通孔51构成。
本实施例MEMS释放辅助结构的工作原理同实施例1，仅释放时，腐蚀剂会同时实现空腔21下方第一牺牲层4和空腔21上方第二牺牲层2的腐蚀。
需要说明的是，虽然实施例1-2中，第二结构层3上同时设置了结构层通孔和释放辅助孔32，但并不对本发明构成限制。例如第二结构层3上仅设置结构层通孔也是可行的，而对于不具备结构层通孔的器件，可单独设计释放辅助孔，即使释放辅助孔的设计会影响器件性能也没有关系，因为条形空腔21的存在，可以大大降低释放辅助孔的数量，从而控制这种影响在一定程度内。
虽然实施例1-2中，结构层通孔选用的也都是边界开口，但也不对本发明构成限制，还可以选用本领域通用的其它种类结构层通孔。
本发明所述的凹槽至少部分位于对应一个腐蚀剂入口的下方，这里的“下方”包括对应腐蚀剂入口的正下方，也可周向外延、并最多延伸相当于该腐蚀剂入口的正下方至相邻腐蚀剂入口距离的一半的距离。
腐蚀环境中气压也即腐蚀剂所处的环境气压。
腐蚀剂可以是气态或液态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种MEMS释放辅助结构，其特征在于：包括底层，以及依次设置在所述底层上的第二牺牲层和第二结构层，所述底层靠近第二牺牲层的一侧设有若干凹槽，所述第二牺牲层延伸到所述凹槽中、并在各对应凹槽中分别形成空腔，且所述空腔中气压小于腐蚀环境中气压，所述第二结构层上设有连通外界和所述第二牺牲层的若干种腐蚀剂入口，至少一种所述腐蚀剂入口为结构层通孔或释放辅助孔，所述底层为衬底或者在所述衬底上依次形成第一牺牲层和第一结构层而成。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS释放辅助结构，其特征在于：一种所述腐蚀剂入口为结构层通孔，另一种所述腐蚀剂入口为释放辅助孔。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS释放辅助结构，其特征在于：所述空腔内为真空。
4.根据权利要求3所述的一种MEMS释放辅助结构，其特征在于：所述凹槽至少部分位于对应一个所述腐蚀剂入口的下方。
5.根据权利要求4所述的一种MEMS释放辅助结构，其特征在于：所述凹槽为平行于底层延伸的条状。
6.根据权利要求5所述的一种MEMS释放辅助结构，其特征在于：所述空腔顺着对应的凹槽也形成为条状。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS释放辅助结构，其特征在于：所述衬底为硅，所述第一、第二牺牲层为氧化硅，所述第一结构层为多晶硅或者氮化硅，所述第二结构层也为多晶硅或者氮化硅。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种MEMS释放辅助结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在所述底层上刻蚀所述凹槽；
(2)在所述底层刻蚀有凹槽的一侧生长所述第二牺牲层，第二牺牲层覆盖所述凹槽并形成对应的所述空腔；
(3)在所述第二牺牲层的上方沉积形成所述第二结构层，刻蚀形成所述腐蚀剂入口。
9.根据权利要求8所述的一种MEMS释放辅助结构的制备方法，其特征在于，步骤(1)之前，先在衬底上沉积形成第一牺牲层，然后在第一牺牲层上沉积形成第一结构层，从而形成所述底层，步骤(1)中通过在第一结构层上刻蚀贯通孔构成所述底层的凹槽。
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