CN106342072B - 基于soi硅片的mems制作及裂片方法 - Google Patents
基于soi硅片的mems制作及裂片方法Info
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Abstract
本发明公开了一种基于SOI硅片的MEMS制作及裂片方法，属于微机电系统制造领域。该方法首先在清洗后的SOI硅片底层硅14表面制作结构空腔20及裂片槽18的刻蚀掩膜16；利用感应耦合等离子体刻蚀设备对底层硅14进行刻蚀。由于Lag效应的存在，结构空腔20刻蚀到二氧化硅层12时裂片槽18没有刻蚀到二氧化硅层12，保证裂片槽18的剩余厚度，刻蚀结束后利用氢氟酸溶液腐蚀暴露出的二氧化硅层12；在SOI硅片顶层硅10表面制作结构掩膜22；结构刻蚀，形成可动的MEMS结构，去除结构掩膜22；利用前期制作的裂片槽18手工将SOI硅片掰开，形成分离的MEMS器件单元30。本方法避免了划片设备中振动、热、粉末及冷却水等对结构的影响，提高了工艺成品率，同时降低了工艺难度及工艺成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于SOI硅片的MEMS制作及裂片方法，属于微机电系统制造领域。
背景技术
在MEMS器件制造过程中，一张硅片上通常包含数百甚至上千个结构相同或不同的器件，为了实现器件的分离，在制造过程中需要采用划片工艺。划片是将整个硅片划切为多个小的单元，通常采用机械磨削或激光切割的方式。在划片的过程中会产生大量热、振动、粉末，另外需要大量流动的冷却液体，这些因素往往会降低结构强度甚至破坏加工好的可动结构，影响MEMS器件成品率。
SOI硅片作为一种新材料在MEMS器件加工中得到了广泛应用，SOI硅片由SOI顶层硅、二氧化硅层和S0I底层硅组成，各层的厚度均可以定制。采用SOI硅片加工的MEMS器件具有工艺可控性好、工艺一致性好、残余应力小等优点，因此，基于SOI硅片的MEMS制作方法也得到了广泛研究。
在利用SOI硅片及普通硅片在加工具有高深宽比结构的MEMS器件时均需要采用感应耦合等离子体刻蚀设备，该设备在刻蚀不同线宽的槽或孔结构时会出现一种Lag效应。参考图2，在硅片上利用感应耦合等离子体刻蚀加工不同宽度的槽，Lag效应的表现为线宽较小的槽的刻蚀速率比线宽较大的槽刻蚀速率慢，C.K.Chung等人在文章“High aspect ratio silicon trenchfabrication by inductively coupled plasma”的实验结果显示，2.2μm的槽刻蚀深度约72μm，而5.0μm的槽刻蚀深度约100μm，随着刻蚀深度的增加，Lag效应将会表现的更加明显。
发明内容
为克服现有技术中划片工艺影响MEMS器件成品率等问题，本发明提出一种利用感应耦合等离子体刻蚀所特有的Lag效应的基于SOI硅片的MEMS制作及裂片方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：参考图1A-图1F，本发明提出的基于SOI硅片的MEMS制作及裂片方法为：
首先，对SOI硅片进行清洗；
第二步，在SOI硅片底层硅14表面制作结构空腔20及裂片槽18的刻蚀掩膜16，刻蚀掩膜16的材料可以是二氧化硅或金属铝，设计裂片槽18宽度为2μm到20μm，结构空腔边长500μm到3000μm，图1B包含两个MEMS器件单元30；
第三步，利用感应耦合等离子体刻蚀设备对SOI硅片底层硅14进行刻蚀。由于Lag效应的存在，结构空腔20刻蚀到SOI硅片中间的二氧化硅层12时裂片槽18没有刻蚀到二氧化硅层12，剩余厚度为100μm到250μm。参考图1C，整个SOI硅片同时加工出了结构空腔20及裂片槽18，裂片槽18剩余的厚度能够保证整个SOI硅片具有足够的强度完成后续工艺。刻蚀结束后利用氢氟酸溶液腐蚀暴露出的二氧化硅层12；
第四步，参考图1D，在SOI硅片顶层硅10表面制作结构掩膜22，用于刻蚀可动结构，结构掩膜22材料可以是光刻胶、二氧化硅或金属铝；
第五步，参考图1E，结构刻蚀，形成可动的MEMS结构，刻蚀结束后去除结构掩膜22；
第六步，参考图1F，手工裂片，利用前期制作的裂片槽18手工将SOI硅片掰开，由于硅片本身的晶向使得裂片只会沿垂直方向，最终形成分离的MEMS器件单元30。
本发明的有益效果是：通过利用感应耦合等离子体刻蚀设备所特有的Lag效应制作MEMS器件结构及裂片槽18，避免了划片设备中振动、热、粉末及冷却水等对结构的影响，提高了工艺成品率，同时降低了工艺难度及工艺成本。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1A-1F是本发明提出的基于SOI硅片的MEMS制作及裂片方法流程。
图2是利用感应耦合等离子体刻蚀硅片上不同宽度的槽时出现的Lag效应示意图。
图中，10为SOI硅片顶层硅，12为二氧化硅层，14为SOI底层硅，16为刻蚀掩膜，18为裂片槽，20为结构空腔，22为结构掩膜，30为MEMS器件单元，40为硅片，42为槽。
具体实施方式
一种基于SOI硅片的微机械陀螺的制作及裂片方法流程：
参照图1，本发明所述的一种基于SOI硅片的微机械陀螺的制作及裂片方法流程为：选取SOI硅片，其中SOI顶层硅10厚度30μm、二氧化硅12厚度5μm、SOI底层硅14厚度400μm，常规清洗；第二步，在SOI硅片底层硅14表面制作结构空腔20及裂片槽18的刻蚀掩膜16，刻蚀掩膜16的材料为金属铝，结构空腔20边长2000μm，裂片槽18的宽度为10μm；第三步，利用感应耦合等离子体刻蚀设备对SOI硅片底层硅14进行刻蚀，由于Lag效应的存在，结构空腔20刻蚀到SOI硅片中间的二氧化硅层12时裂片槽18没有刻蚀到二氧化硅层12，剩余厚度为120μm，刻蚀结束后利用氢氟酸溶液腐蚀暴露出的二氧化硅层12；第四步，参考图1D，在SOI硅片顶层硅10表面制作结构掩膜22，结构掩膜22材料是光刻胶；第五步，参考图1E，结构刻蚀，形成可动的MEMS结构，刻蚀结束后通过氧等离子清洗去除结构掩膜22；第六步，参考图1F，手工裂片形成两个分离的MEMS器件单元30。
一种基于SOI硅片的微机械加速度计的制作及裂片方法流程：
参照图1，本发明所述的一种基于SOI硅片的微机械陀螺的制作及裂片方法流程为：选取SOI硅片，其中SOI顶层硅10厚度30μm、二氧化硅12厚度5μm、SOI底层硅14厚度400μm，常规清洗；第二步，在S01硅片底层硅14表面制作结构空腔20及裂片槽18的刻蚀掩膜16，刻蚀掩膜16的材料为二氧化硅，结构空腔20边长1000μm，裂片槽18的宽度为4μm；第三步，利用感应耦合等离子体刻蚀设备对SOI硅片底层硅14进行刻蚀，由于Lag效应的存在，结构空腔20刻蚀到SOI硅片中间的二氧化硅层12时裂片槽18没有刻蚀到二氧化硅层12，剩余厚度为210μm，刻蚀结束后利用氢氟酸溶液腐蚀暴露出的二氧化硅层12；第四步，参考图1D，在SOI硅片顶层硅10表面制作结构掩膜22，结构掩膜22材料是二氧化硅；第五步，参考图1E，结构刻蚀，形成可动的MEMS结构，刻蚀结束后通过氢氟酸溶液去除结构掩膜22；第六步，参考图1F，手工裂片形成两个分离的MEMS器件单元30。
Claims (3)
1.一种基于SOI硅片的MEMS制作及裂片方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，对SOI硅片进行清洗；
步骤二，在SOI硅片底层硅(14)表面制作结构空腔(20)及裂片槽(18)的刻蚀掩膜(16)，裂片槽(18)宽度为2μm到20μm，结构空腔(20)边长500μm到3000μm；
步骤三，利用感应耦合等离子体刻蚀设备对SOI硅片底层硅(14)进行刻蚀，同时加工出结构空腔(20)及裂片槽(18)，结构空腔(20)刻蚀到SOI硅片中间的二氧化硅层(12)时裂片槽(18)没有刻蚀到二氧化硅层(12)，剩余厚度为100μm到250μm，刻蚀结束后利用氢氟酸溶液腐蚀暴露出的二氧化硅层(12)；
步骤四，在SOI硅片顶层硅(10)表面制作结构掩膜(22)，用于刻蚀可动结构；
步骤五，结构刻蚀，形成可动的MEMS结构，刻蚀结束后去除结构掩膜(22)；
步骤六，手工裂片，利用前期制作的裂片槽(18)手工将SOI硅片掰开，形成分离的MEMS器件单元(30)。
2.一种如权利要求1所述的基于SOI硅片的MEMS制作及裂片方法，其特征在于，所述步骤二中刻蚀掩膜(16)的材料是二氧化硅或金属铝。
3.一种如权利要求1所述的基于SOI硅片的MEMS制作及裂片方法，其特征在于，所述步骤四中结构掩膜(22)材料是光刻胶、二氧化硅或金属铝。
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| CN108328570A (zh) * | 2018-01-31 | 2018-07-27 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种带有薄膜背腔结构的mems芯片裂片方法及支撑工装 |
| CN117810810A (zh) * | 2024-02-29 | 2024-04-02 | 山东省科学院激光研究所 | 一种垂直腔表面发射激光器及其制备方法 |
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