CN1060821C - 多层硅微机械结构的掩模－无掩模腐蚀技术 - Google Patents

Abstract

本发明是加工多层硅微机械结构的掩模—无掩模各向异性腐蚀技术。已有技术采用掩模淀积，光刻和在掩模限制下的硅各向异性腐蚀，用以制作多层结构时工艺复杂而且不能形成较深的结构，有很大的局限性。本发明利用了KOH腐蚀液对有掩模腐蚀形成的<110>方向硅台阶作无掩模腐蚀时{311}面取代原{111}侧面的特性和相对台阶之间的相互作用，可同时产生多个可位于任意深度的新层面。因此可制成现有技术无法加工的多层硅微机械结构。

Description

多层硅微机械结构的掩模-无掩模腐蚀技术

本发明属硅体微机械加工的各向异性腐蚀技术。

传统的各向异性腐蚀技术加工硅微机械结构的基本步骤是：先在硅片表面淀积或生成一薄层抗腐蚀的掩模(常用材料为SiO₂和Si₃N₄薄膜)，然后通过光刻技术在掩模上开出腐蚀的窗口，然后将硅片在各向异性腐蚀液中腐蚀。显然，一次“掩模淀积-掩模光刻-腐蚀”的过程只能产生一个新的结构层面，即腐蚀的底面。若要求实现有多个层面的结构时，就要多次重复“掩模淀积-光刻-腐蚀”的过程。用这样的方法加工多层结构时不仅工艺复杂，而且在经过腐蚀的硅片表面进行光刻时工艺上会遇到很大的困难。因此传统的微机械加工技术在加工多层复杂结构时有很大的局限性。图1说明传统的各向异性腐蚀技术加工形成一个二层微机械结构的过程。其中第一次腐蚀只能为浅腐蚀，第二次腐蚀可以为深腐蚀。一般浅腐蚀深度限制在10μm左右，如果太深，就要引起以后光刻工艺的困难。原则上浅腐蚀也可以重复多次，但多次浅腐蚀的总深度也受到上述限制，否则同样会引起光刻的困难。

由上可见，传统的掩模各向异性腐蚀技术存在很大的局限性：(1)每一个层面的产生都要经过“淀积-光刻-腐蚀”的过程。(2)一旦腐蚀深度达到一定的限度，进一步光刻就十分困难，因此除了最后一次腐蚀可形成一个深的层面之外，其它层面都只能十分接近硅片的原始表面。可参见文献：H．Seidel，L．Csepregi，A．Heuberger，H．Baumgartel，Anisotropic etching of crystalline silicon in alkaline solutions．Ⅰ &Ⅱ，Journal of Electrochamical Society，Vol．137(1990)pp．3612-3632。

本发明的目的是寻求一种形成多层复杂硅微机械结构的各向异性腐蚀新方法。

硅的各向异性腐蚀是指硅的一些腐蚀液如KOH水溶液等对硅的不同晶面的腐蚀速率差别很大，因而具有良好的晶面选择性。一般{100}晶面和{110}晶面的腐蚀速率远大于{111}晶面的腐蚀速率，可以达到100∶1以上。

利用硅的各向异性腐蚀加工硅微机械结构的一般方法是采用掩模腐蚀技术。即在{100}硅片表面上淀积或生长一层抗腐蚀的薄膜作为掩模，并经过光刻在掩模上开出以&#60110&#62方向为边的腐蚀窗口，然后进行各向异性腐蚀，在{100}面向下腐蚀的同时，侧面腐蚀终止在慢腐蚀面{111}晶面上，这样腐蚀出来的图形如图2所示。图中{111}侧面和{100}底面的夹角为

当腐蚀窗口宽度w较小而腐蚀深度h超过窗口宽度w的 $1/\sqrt{2}$ 倍时，相对两侧的{111}侧面将在向下延伸处相交而使腐蚀停止，此时底面消失，形成V形沟槽，如图3所示。

在有掩模腐蚀一定深度形成台阶之后，中止腐蚀并去掉腐蚀掩模，接着再进行腐蚀，那么接着进行的这段时间的腐蚀，被称为无掩模腐蚀。

我们发现将由有掩模腐蚀形成的&#60110&#62方向的硅台阶表面的掩模层去除后再用KOH溶液进行无掩模腐蚀时，原来由有掩模腐蚀形成的{111}侧面从台阶的上边棱开始受到{311}快腐蚀面的侵削，如图4所示。由于{311}面腐蚀速率比{100}面的腐蚀速率快，所以{311}侧面与上表面形成的棱在无掩模腐蚀的过程中向后退移，该退移量为：

$L=\&lsqb;\left(\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_3}{\sin \mathrm{\&theta;}}\right)-\mathrm{ctg\&theta;}\&rsqb;d\&ap;(2.345{\mathrm{\&gamma;}}_3-2.12)d---\left(1\right)$

其中 为{311}侧面与水平的(001)底面之间的夹角。d为无掩模腐蚀深度。γ₃为{311}与(001)面的腐蚀速率比。γ₃的值可由实验方法测定，我们已根据实验得到KOH溶液25～60％(wt％)浓度范围内无掩模腐蚀台阶上边棱退移量与向下腐蚀深度之比值。利用该比值，根据公式(1)，推导出KOH溶液对(311)面与对(100)面腐蚀速率的比值γ₃与KOH溶液浓度之间的关系。在该浓度范围内KOH对{311}与(001)面的腐蚀速率比γ₃如图5所示。

由图4可见对一个台阶进行无掩模腐蚀时，尽管{111}侧面逐渐被{311}面所替换，但上下台面总是以同样速率向下腐蚀推移，他们之间的高度差不变，也没有产生新的水平层面。本发明要利用掩模-无掩模腐蚀技术制作多层结构，要在无掩模腐蚀过程中产生出新的层面还必须利用相对台阶之间的相互作用。

在一个边沿&#60110&#62方向的狭长矩形掩模窗口内，先用有掩模腐蚀形成的深度为h，截面如图4中实线所示的结构。去掉作为掩模的氧化层，进行无掩模腐蚀，腐蚀一段时间后形成剖面如图中的虚线所示的结构。

即在掩模腐蚀形成{111}侧面后，再进行无掩模腐蚀时，{111}面会逐渐被快腐蚀面{311}面所代替，如图4所示。而在{311}侧面从上部开始逐渐取代{111}侧面的同时，原有的{111}侧面的下部也随着底面的腐蚀而向下延伸。因窗口宽度w和有掩模腐蚀深度h的不同可以出现以下二种情况：

1)在w较大而h较小的情况下，在{311}面取代{111}侧面的过程中，底面宽度减小但始终存在。底面宽度在{111}侧面完全消失时达到最小值，以后底面宽度因{311}侧面的退移而重新加大。

2)在w较小而h较大时，在{311}侧面取代{111}侧面的过程中{111}侧面先在下部相交形成尖底而暂时停止向下腐蚀，此时尖底相对原始表面的深度为 $w/\sqrt{2},$ 直到{311}侧面完全取代{111}侧面后，随着{311}侧面的退移，底部重新出现平的底面并继续向下腐蚀。由于有过暂时的终止腐蚀，重新出现的底面其深度将小于总的腐蚀深度，是一个新的层面。

可以证明，对于一定的掩模宽度W，存在一个临界的有掩模腐蚀深度h₀。在h＜h₀时，出现上述第一种情况，不会产生新的层面。而在h＞h₀时，则会出现上述第二种情况，会产生新的层面。临界值h₀的表式为：

$h_0=(\frac{1}{\mathrm{tg\&alpha;}}-\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{\&gamma;}}_3})w\&ap;(0.71-0.43/{\mathrm{\&gamma;}}_3)w---\left(2\right)$

对后一种情况，当无掩模腐蚀深度为d₁时，V形尖底的{111}面正好完全为{311}面所完全代替。随后就是新层面的出现。

$d_1=\sqrt{\frac{2}{11}}\frac{W}{{\mathrm{\&gamma;}}_3}\&ap;\frac{0.426w}{{\mathrm{\&gamma;}}_3}---\left(3\right)$ 因此，新产生的层面相对上腐蚀面的高度差h₁为：

$h_1=\frac{W}{\sqrt{2}}-d_1=h_0---\left(4\right)$ 而新台面与腐蚀底面的高度差h₂为：

$h_2=h+d_1-\frac{w}{\sqrt{2}}=h-h_0---\left(5\right)$

综上所述，对一定的腐蚀窗口宽度w，可以得到一个有掩模腐蚀的临界腐蚀深度h₀。如果有掩模腐蚀深度h大于h₀，那么在无掩模腐蚀时，在{311}面还未完全取代{111}面时，{111}面已在底面相交形成“V”形槽而在底面处终止腐蚀，直到无掩模腐蚀深度d达到d₁时，{311}面完全取代{111}面时重新出现平的底面。这个底面就是一个新层面。这样就用无掩模腐蚀形成了新的层面。而在芯片上足够大的腐蚀区中，对应的h₀很大，h总小于h₀，就不会因{111}面形成“V”形槽面终止腐蚀，底面的深度就是总的腐蚀深度h+d，窗口区形成新层面的深度就要比总的腐蚀深度浅。可以证明它们的深度差就是h-h₀。

当硅片上同时有多个不同宽度w₁，w₂，…的腐蚀窗口时，每个窗口对应着不同的临界有掩模腐蚀深度h₀₁，h₀₂，…。在掩模-无掩模腐蚀后，每一个h_0i＜h的腐蚀窗口处都会产生出一个新层面。他们的深度各不相同，由各自的宽度w_i和有掩模腐蚀深度所决定。这样就可用无掩模腐蚀方便地形成多层结构。

本发明利用上述特性，其原理还可进一步通过图6加以说明。图6(a)所示为一个(001)硅片表面上已光刻出边沿&#60110&#62晶向的长条形腐蚀掩模窗口。窗口区域宽度为w，该处将产生新的台面。图中右侧是去除了掩模的宽阔区域，用以与窄窗口区作对比，在这区域不会产生新台面而只能形成腐蚀底面。

对光刻后的硅片先在KOH或其它各向异性腐蚀液中进行深为h的有掩模腐蚀，形成的截面如图6(b)中的粗折线b₁-a₁所示。然后去除表面的掩模，再在氢氧化钾溶液中进行无掩模腐蚀。在此过程中，{311}快腐蚀面出现在台阶的上沿并逐步削去原{111}台阶侧面。只要h相对于w足够大，则台阶底部会在{311}面完全取代{111}侧面之前形成V型槽停止腐蚀。即两个相对的{111}侧面相交，如图中细折线b₂-a₂所示。当{311}面完成了对{111}侧面的取代时由图中粗折线b₃-a₃所示，此时无掩模腐蚀深度为d₁。

在此之后原已停止腐蚀一段时间的窄窗口区域腐蚀底部将随台阶{311}侧面的横向退移而恢复向下腐蚀。值得指出的是在图中右侧较宽的腐蚀区域，向下腐蚀一直在进行而从未停止过。所以在窄窗口处底面重新出现并恢复向下腐蚀以后，其腐蚀深度将比右侧大区域浅了h₂。这样在窄窗口区就出现了一个中间高度的层面。在以后的腐蚀过程中该中间层面随{311}侧面的退移而越变越宽，由b₄-a₄所示。

当无掩模腐蚀深度d等于d₁时新台面开始出现，此后它随着腐蚀深度的进一步加深而加宽，因此在总的腐蚀深度为d时新台面的宽度为：

L=2[(γ₃/sinθ)-ctgθ](d-d₁)≈(4．69γ₃-4．24)(d-d₁)      (6)其中d₁是无掩模腐蚀初始阶段{311}完全取代{111}侧面是的腐蚀深度。由此可见，在形成新台面后，上腐蚀面和新台面之间的台阶高度差为：

$h_1=\frac{w}{\sqrt{2}}-d_1=h_0---\left(7\right)$ 新台面与腐蚀底面之间的高度差为

h₂=h-h₁=h-h₀                           (8)即原台阶深度h现已被新层面划分为h₁和h₂这样两个台阶高度。在有的区域需要将上腐蚀面作为一个层面保留。而在不需要的地方也可以利用上腐蚀面两侧的{311}侧面的相对侵削作用而将其削除，从而使新台面直接与腐蚀底面相邻接，如图中折线b₅-a₅所示，为此在设计掩模时应使该部分宽度b较小并且无掩模腐蚀深度d足够大。推导得到削平两个窗口之间的中间台面的条件为无掩模腐蚀深度达到d_f值：

$d_f=\sqrt{\frac{2}{11}}\frac{W}{{\mathrm{\&gamma;}}_3}+\frac{b+W}{2({\mathrm{\&gamma;}}_3\sqrt{\frac{11}{2}}-\frac{3}{\sqrt{2}})}---\left(9\right)$ 在d达到d_f而使中间台面被削平后，新产生台面宽度扩大到w+b并在以后保持不变。

本发明使用的各向异性腐蚀液是KOH溶液，浓度一般在20-60％wt，腐蚀温度一般在40-80℃。腐蚀深度的控制采用时间控制技术。这是一种已有技术，是该领域的技术常识，本发明对此没有特殊要求。关于时间控制腐蚀深度的方法可参见本发明现有技术背景中列出的文献。

在许多情况下，需要在部分区域保留腐蚀前的原始硅片表面，如用作结构的外框架等，则可以采用复合掩模的方法，如图7所示。图中边框内的多层(四层)结构是由同一次光刻掩模决定的。为确定边框又附加了一次掩模光刻。但这两次光刻是连续进行的，两次光刻之间没有插入硅腐蚀工艺。光刻后的腐蚀也是连续进行的，中间也没有插入光刻工艺。

在发现对掩模腐蚀形成的硅台阶结构作无掩模各向异性腐蚀时产生新层面的基本原理和有关规则的基础上，本发明提出了在一层光刻掩模或复合掩模的基础上通过连续的有掩模腐蚀和无掩模腐蚀来形成多个较深的结构层次的新方法。可以通过掩模设计，有掩模腐蚀深度h和无掩模腐蚀深度d来控制各个结构层的深度和位置。使用不同宽度的掩模窗口图形设计可以形成不同深度的多个层面，也可以使用若干相同宽度的掩模窗口图形的并行排列设计来加大某一层面的宽度。

由于采用了新的工艺和设计原理，本发明在形成多层结构时

1)避免了光刻和腐蚀工艺的交叉进行。掩模腐蚀和无掩模腐蚀是接连进行的，中间不插入光刻。形成多层结构的信息存储在腐蚀前的光刻掩模之中。

2)可以同时形成多个新层面，各个层面的深度和位置可控。新层面的深度可在整个腐蚀深度范围内。

因此，该发明突破了传统各向异性腐蚀技术在加工能力上的局限性，为硅微机械结构加工工艺的改进和新型结构的开发提供了一个有力的工具。该技术具有广泛的实用价值。预期的应用领域有：

(1)形成接近深腐蚀底面的多层台阶结构。

(2)形成接近深腐蚀底面的浅岛和浅梁结构。

(3)同一芯片上同时加工出有不同膜厚的多个硅杯用于多量程压力传感器。

(4)在同一芯片上同时制作出有不同梁厚的梁岛结构用于多量程加速度开关阵列。

(5)有过载保护结构的浅岛微压传感器芯片。

(6)利用较平缓的{311}腐蚀面作为侧面以减少应力集中效应，提高压力传感器的破坏压强。

图1是重复使用“掩模淀积-掩模光刻-腐蚀”有掩模腐蚀硅的方法形成二层微机械结构的过程示意图。

图2是硅的有掩模各向异性腐蚀形成侧面为{111}面的方形坑的示意图。

图3是有掩模腐蚀形成侧面为{111}面的V形槽的示意图。

图4是无掩模腐蚀时{311}侧面取代原有{111}侧面的示意图。

图5是{311}与{100}面的腐蚀速率比值γ₃与KOH浓度的关系的实验结果。

图6是无掩模腐蚀产生新层面的过程：(a)掩模(b)产生新层面的过程。

图7是利用掩模-无掩模腐蚀制作多层结构的实例(a)掩模设计图形(b)制成的多层阶梯结构的扫描电镜照片。

实例

图7为应用该技术制成的一种多层阶梯结构。其中图7(a)为掩模设计图形。浅阴影部分为用于有掩模腐蚀的热生长的SiO₂层；而外围的深阴影部分为SiO₂层之上的LPCVD Si₃N₄掩模层，用于在无掩模腐蚀时保留结构外框处的硅片表面不受腐蚀，该Si₃N₄掩模与多层新台面的产生无关，它只是用来限制进行无掩模腐蚀的区域。设计中共使用了两种宽度的掩模窗口图形，宽度w₁和w₂分别为130μm和70μm。图中右下部分的较宽阔的窗口将产生腐蚀底面。

在厚为240μm的N型(001)硅片上淀积SiO₂和Si₃N₄后再连续对Si₃N₄和SiO₂进行光刻以形成图7(a)所示的SiO₂／Si₃N₄复合掩模后，使用40％的KOH溶液在50℃下进行95μm的有掩模腐蚀，然后用氢氟酸把SiO₂掩模腐蚀掉而保留结构外框的Si₃N₄掩模。接着进行深度为120μm的无掩模腐蚀，就形成了一个多层阶梯台面结构，图7(b)为结构的扫描电镜的照片。所产生的各个台阶高度和各个台面宽度均由上述的各表达式计算。其中除结构外框的硅片表面和腐蚀底面以外，还有三层台面产生：第一层高度为35μm由w₁窗口的h₂决定，第二层高为27μm由w₁对应的h₀₁和w₂对应的h₀₂之差决定，第三层高为33μm由w₂窗口的h₁决定。

以最下一层台阶为例，其台阶高度由宽度为w₁=130μm的窗口相应的h₂值决定。对40％KOH溶液，采用γ₃=1．71。将以上数据和h=95μm代入公式(2)和(7)，得到：

h₂≈95-0．456×130=35．7(μm)，与实测值吻合。

Claims (4)

1．一种多层硅微机械结构的“掩模-无掩模”腐蚀技术，用KOH水溶液对单晶硅片进行“掩模-无掩模”腐蚀，在(001)硅片上制作边棱沿&#60110&#62晶向的多层硅微机械结构，其特征在于预先设计光刻掩模图形以及掩模和无掩模腐蚀深度的数据，然后，先对表面有边沿&#60110&#62方向的矩形腐蚀掩模或复合掩模的窗口内的硅片在KOH腐蚀液中进行有掩模腐蚀，再去除表面掩模，继续在KOH腐蚀液中进行无掩模腐蚀，同时形成深度不同的与掩模图形相应的多层立体结构，掩模设计根据以下公式进行。 $h_0=(\frac{1}{\mathrm{tg\&alpha;}}-\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{\&gamma;}}_3})w\&ap;(0.71-0.43/{\mathrm{\&gamma;}}_3)w$

其中h₀是形成新层面所要求的有掩模腐蚀深度的临界值，γ₃为{311}面与(001)面的腐蚀速率比，w是有掩模腐蚀窗口的宽度，α是有掩模腐蚀是形成的{111}侧面与(001)底面的夹角

θ是{311}面与水平(001)面之间的夹角，

根据某层面相对底面的高度的要求h₂决定有掩模腐蚀的深度h为：

h=h₀+h₂；

在于在满足上述条件下，在无掩模腐蚀深度达到一个特定的值d₁时，{311}侧面正好完全取代原有的{111}侧面：

$d_1=\sqrt{\frac{2}{11}}\frac{W}{{\mathrm{\&gamma;}}_3}\&ap;0.426w/{\mathrm{\&gamma;}}_3$

在无掩模腐蚀深度d大于d₁时，底部出现夹于{3ll}侧面之间的新层面，这个新层面的的宽度为：

$L=2\&lsqb;\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_3}{\sin \mathrm{\&theta;}}-\frac{1}{\tan \mathrm{\&theta;}}\&rsqb;(d-d_1)\&ap;(4.69{\mathrm{\&gamma;}}_3-4.24)(d-d_1)$

其中d₁为{311}侧面完全取代{111}侧面时的无掩模腐蚀深度，由上式决定无掩模腐蚀的深度d。

2．根据权利要求1所述的多层硅微机械结构的“掩模-无掩模”腐蚀技术，其特征在于当无掩模腐蚀深度d大于无掩模腐蚀初始阶段使{311}侧面完全取代{111}侧面的无掩模腐蚀深度d₁时，上腐蚀面和新台面之间的高度差h₁为：

h₁=h₀

新台面和腐蚀底面之间的高度差h₂为：

h₂=h-h₁

3．根据权利要求1所述的多层硅微机械结构的腐蚀技术，其特征在于无掩模各向异性腐蚀液是KOH溶液，其浓度为20～60％wt腐蚀温度在40℃至80℃。腐蚀深度按公知的时间控制技术进行。腐蚀过程中也可以利用公知的{111}侧面与{001}底面夹角为54．74°的条件用光学方法测量实际的腐蚀深度技术以实现更准确的控制。

4．根据权利要求1所述的多层硅微机械结构的腐蚀技术，其特征在于在原始硅片表面采用SiO₂和Si₃N₄复合掩模。用Si₃N₄掩模限制无掩模腐蚀的范围。

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