CN106783577A - 一种采用湿法腐蚀工艺制作mems器件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，用于改善MEMS器件牺牲层释放工艺中的结构损伤，包括将硅片放置在湿法设备工艺腔中的工艺平台上，并随工艺平台一起旋转；将湿法刻蚀药液从硅片上方喷淋到硅片表面进行刻蚀工艺，其中湿法刻蚀药液由HF和与HF互溶的有机溶剂混合而成；将第一湿法清洗药液从硅片的上方喷淋到硅片表面对硅片进行初步清洗，并对硅片背面进行去离子水喷淋，其中第一湿法药液为由去离子水和有机溶剂混合而成；将第二湿法清洗药液从硅片上方喷淋到硅片表面对硅片进行二次清洗，硅片背面去离子水喷淋，其中第二湿法药液为由去离子水和有机溶剂混合而成；高温氮气喷淋硅片表面对硅片进行干燥。

Description

一种采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种采用湿法腐蚀工艺制作微机电系统(MEMS)的工艺，尤其涉及一种改善MEMS器件释放工艺中结构损伤的方法。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)，是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口和通信等于一体的微型器件或系统。MEMS是在微电子基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、刻蚀、非硅加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。
MEMS技术具有微小智能工艺兼容性好成本低等诸多优点，广泛应用于传感器汽车电子生物医疗等诸多领域。在MEMS制作过程中，通常采用腐蚀牺牲层的方式来形成一个空腔结构或者悬臂梁结构，从而实现MEMS器件的机械性能。具体地，MEMS制作的工艺步骤如下：
步骤S01：提供一个半导体衬底，在所述的半导体衬底上淀积牺牲层材料，通过刻蚀形成牺牲层图形；
步骤S02：在所形成的牺牲层图形上再生长上层薄膜材料，通过光刻工艺形成刻蚀开口，将上层薄膜图形刻蚀出来；
步骤S03：通过上层薄膜形成的刻蚀图形开口将牺牲层材料腐蚀，从而形成空腔或者悬臂梁结构。
本领域技术人员清楚，由于二氧化硅其易刻蚀性，刻蚀速率较快、对硅刻蚀选择比较高等优点成为牺牲层材料的主流选择之一，采用二氧化硅作为牺牲层材料，硅材料作为上层薄膜材料，通过湿法腐蚀二氧化硅材料完成空腔或者悬臂梁结构的制作。
然而，由于湿法腐蚀是一种液相的腐蚀工艺，而上层薄膜材料与半导体衬底层间距较小，在湿法腐蚀最后的干燥过程中，由于表面张力的影响，上层薄膜材料容易与半导体衬底层发生粘连甚至断裂，从而造成最终MEMS器件结构的破坏。因此，改善制造工艺和避免上层薄膜材料和基底层材料之间的粘连已成为目前业界急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，用于改善MEMS器件牺牲层释放工艺中结构损伤。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，包括如下步骤：
步骤S1：提供一个半导体衬底，在所述的半导体衬底上淀积牺牲层材料，通过刻蚀形成牺牲层图形；其中，所述牺牲层材料为二氧化硅；
步骤S2：在所形成的牺牲层图形上再生长上层薄膜材料，通过光刻工艺形成刻蚀开口，将上层薄膜图形刻蚀出来；
步骤S3：采用湿法腐蚀工艺，通过上层薄膜形成的刻蚀图形开口将牺牲层材料腐蚀，从而形成空腔或者悬臂梁结构；其具体包括：
步骤S31：将完成步骤S2工艺后的硅片放置在湿法设备工艺腔中的工艺平台上，并随所述工艺平台一起旋转；
步骤S32：将湿法刻蚀药液从硅片上方喷淋到所述硅片表面进行刻蚀工艺；其中，所述湿法刻蚀药液由HF和与HF互溶的有机溶剂混合而成；
步骤S33：将第一湿法清洗药液从所述硅片的上方喷淋到硅片表面对硅片进行初步清洗，并对硅片背面进行去离子水喷淋；其中，所述第一湿法药液为由去离子水和有机溶剂混合而成；
步骤S34：将第二湿法清洗药液从硅片上方喷淋到硅片表面对硅片进行二次清洗，硅片背面去离子水喷淋；其中，所述第二湿法药液为由去离子水和有机溶剂混合而成；
步骤S35：高温氮气喷淋硅片表面对硅片进行干燥。
优选地，所述湿法刻蚀药液、第一湿法药液和/或第二湿法清洗药液在使用前需预先在一个磁场缓冲区进行磁化，以初步减小所述湿法刻蚀药液、第一湿法药液和第二湿法清洗药液的表面张力；其中，磁化工艺的磁场强度为0-1000mT，工艺时间不少于2min。
优选地，所述湿法刻蚀药液中添加有表面活性剂。
优选地，所述步骤S33和步骤S34中的硅片背面去离子水喷淋为硅片背面热去离子水喷淋。
优选地，所述湿法刻蚀药液中的有机溶剂的表面张力小于30mN/m。
优选地，所述湿法刻蚀药液中的有机溶剂为异丙醇、甲醇、乙醇或丙酮。
优选地，所述第一湿法清洗药液中有机溶剂的表面张力小于30mN/m。
优选地，所述第一湿法清洗药液中去离子水与有机溶剂的体积比2:1～1:2。
优选地，所述第二湿法清洗药液中去离子水与有机溶剂的体积比1:2～1:10。
优选地，在步骤S35中，所述工艺平台的旋转速度为进行步骤33和步骤S34中的所述工艺平台的旋转速度的1.5～3倍。
从上述技术方案可以看出，本发明通过减小湿法刻蚀药液及后续清洗剂的表面张力，从而减小MEMS空腔或者悬梁结构的粘连或断裂，以确保MEMS器件结构的完整有效。
附图说明
图1为根据本发明一较佳实施例中的采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法流程示意图
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行详细的说明。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1为根据本发明一较佳实施例中的采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法流程示意图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1：提供一个半导体衬底，在半导体衬底上淀积牺牲层材料，通过刻蚀形成牺牲层图形；其中，牺牲层材料为二氧化硅。
步骤S2：在所形成的牺牲层图形上再生长上层薄膜材料，通过光刻工艺形成刻蚀开口，将上层薄膜图形刻蚀出来。
上述两个步骤同现有技术中的制作MEMS器件的方法相同，换句话说，现有技术中的制作任何牺牲层材料为二氧化硅的MEMS器件的前两步工艺步骤均可以用于本发明，并且在制作其它器件时，如果牺牲层材料为二氧化硅的MEMS器件时，也可以适用于本发明，在此不再赘述。
本发明的发明关键点是改善MEMS器件牺牲层释放工艺中结构损伤，因此，在后续的牲层释放工艺与现有技术相比就不同了。需要说明的是，现有技术的MEMS器件牺牲层释放工艺通常是在批量硅片在工艺槽中进行，而本发明的MEMS器件牺牲层释放工艺是单片硅片在工艺旋转平台上进行。
下面简述一下本发明的原理：
在本发明的实施例中，MEMS的空腔结构或者悬臂梁结构制作过程，牺牲层是采用湿法腐蚀工艺刻蚀干净的。本领域技术人员清楚，在进行湿法腐蚀工艺刻蚀过程中，当液体与固体接触时，液体与固体的表面张力互相作用使得它们之间的接触程度不同，即有润湿或者不润湿状态。固液接触角是判定润湿性好坏的依据。
当接触角等于0度时，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；当接触角小于90度时，可认为液体可润湿固体；当接触角大于90度小于180度时，可认为液体不润湿固体；当接触角等于180时，液体在固体表面凝聚成小球，完全不润湿。
在进行湿法腐蚀工艺刻蚀过程中，当湿法化学药液通过上层薄膜开口进入到腔体中时，由于湿法腐蚀的各向同性的特性，药液在纵向刻蚀的同时进行横向扩散，从而将上层薄膜下的牺牲层材料也刻蚀干净，从而形成空腔结构或者悬臂梁结构。但是上层薄膜与基底层的间距较小，在干燥过程中，液体表面张力的影响的会将上层薄膜往基底层拉，从而造成粘连、上层薄膜破裂或者悬臂连断裂的结果。
为了避免粘连现象的发生，本发明通过减小湿法刻蚀药液及后续清洗剂的表面张力，从而减小MEMS空腔或者悬梁结构的粘连或断裂，以确保MEMS器件结构的完整有效。
在本发明的实施例中，也就是步骤S3：其采用湿法腐蚀工艺，通过上层薄膜形成的刻蚀图形开口将牺牲层材料腐蚀，从而形成空腔或者悬臂梁结构；步骤S3具体可以包括如下步骤：
步骤S31：将完成步骤S2工艺后的硅片放置在湿法设备工艺腔中的工艺平台上，并随工艺平台一起旋转；即本发明中采用单片式湿法设备进行湿法工艺作业，硅片放置在湿法设备工艺腔中的旋转平台上。
需要说明的是，本发明所使用的湿法化学药液包括湿法刻蚀药液、第一湿法药液和第二湿法清洗药液。在作业前，湿法刻蚀药液、第一湿法药液和第二湿法清洗药液在使用前需预先在一个磁场缓冲区进行磁化，以初步减小湿法刻蚀药液、第一湿法药液和第二湿法清洗药液的表面张力。较佳地，磁化工艺的磁场强度为0-1000mT，工艺时间不少于2min。
步骤S32：将湿法刻蚀药液从硅片上方喷淋到硅片表面进行刻蚀工艺；其中，湿法刻蚀药液由HF和与HF互溶的有机溶剂混合而成。
具体地，作业过程中，硅片随旋转平台旋转，湿法刻蚀药液通过硅片上方的喷嘴喷向硅片表面。该有机溶剂选用表面张力低且能与HF水溶液混溶的有机溶剂。在本发明的实施例中，该有机溶剂可以为低表面张力(小于30mN/m)且能与HF溶液互溶。在常温(20摄氏度)常压条件下，甲醇的表面张力是22.55mN/m，乙醇的表面张力是22.27mN/m，丙醇的表面张力是23.8mN/m，异丙醇的表面张力是21.7mN/m，正丁醇的表面张力是23.0mN/m，异丁醇的表面张力是23.0mN/m，丙酮的表面张力是23.7mN/m，甲基丙酮的表面张力是23.97mN/m，丁酮的表面张力是24.6mN/m等，均可以用于本发明的实施例中，较佳地，可以选用如异丙醇、甲醇、乙醇和丙酮等。
本领域技术人员清楚，表面活性剂一般由亲水性基团和亲油性基团组成，亲水基团指向水溶液，亲油基团指向液面外空气，这样液体-空气界面就被表面活性剂-空气界面所取代，从而降低了液体的表面张力。
在本发明的一些较佳的实施例中，该湿法刻蚀药液中可以添加有表面活性剂，有利于表面张力的降低，如十二烷二甲基氯化铵等季胺盐类阳离子表面活性剂；表面活性剂可以选择如十二烷二甲基氯化铵等季胺盐类阳离子表面活性剂。
步骤S33：将第一湿法清洗药液从硅片的上方喷淋到硅片表面对硅片进行初步清洗，并对硅片背面进行去离子水喷淋。
其中，第一湿法药液可以为由去离子水和有机溶剂混合而成，第一湿法清洗药液中有机溶剂的表面张力小于30mN/m。第一湿法清洗药液中去离子水与有机溶剂的体积比2:1～1:2。该有机溶剂可以与刻蚀药液中的有机溶剂相同，也可以不同。如不同时，则必须是该有机溶剂的表面张力低(小于30mN/m)，能与湿法刻蚀药液互溶，且易挥发的有机溶剂。此外，在进行第一湿法清洗药液作业时，硅片背面持续喷淋高温去离子水溶液，从而增加硅片和与硅片接触的第一湿法清洗药液的温度，进一步减小表面张力。
步骤S34：将第二湿法清洗药液从硅片上方喷淋到硅片表面对硅片进行二次清洗，硅片背面去离子水喷淋；其中，第二湿法药液为由去离子水和有机溶剂混合而成；在本发明的一些实施例中，第二湿法清洗药液和第一湿法清洗药液的组分相同，但是去离子水与有机溶剂的体积比1:2～1:10。
此外，在进行第二湿法清洗药液作业时，硅片背面也持续喷淋高温去离子水溶液，从而增加硅片和与硅片接触的第二湿法清洗药液的温度，进一步减小表面张力。
步骤S35：高温氮气喷淋硅片表面对硅片进行干燥。较佳地，在湿法清洗后，即在步骤S35中，增加硅片旋转速度，工艺平台的旋转速度为进行步骤33和步骤S34中的工艺平台的旋转速度的1.5～3倍，同时，在硅片表面进行高温氮气喷淋，以加速硅片干燥。
以上的仅为本发明的实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，用于改善MEMS器件牺牲层释放工艺中的结构损伤；其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：提供一个半导体衬底，在所述的半导体衬底上淀积牺牲层材料，通过刻蚀形成牺牲层图形；其中，所述牺牲层材料为二氧化硅；
步骤S2：在所形成的牺牲层图形上再生长上层薄膜材料，通过光刻工艺形成刻蚀开口，将上层薄膜图形刻蚀出来；
步骤S3：采用湿法腐蚀工艺，通过上层薄膜形成的刻蚀图形开口将牺牲层材料腐蚀，从而形成空腔或者悬臂梁结构；其具体包括：
步骤S31：将完成步骤S2工艺后的硅片放置在湿法设备工艺腔中的工艺平台上，并随所述工艺平台一起旋转；
步骤S32：将湿法刻蚀药液从硅片上方喷淋到所述硅片表面进行刻蚀工艺；其中，所述湿法刻蚀药液由HF和与HF互溶的有机溶剂混合而成；
步骤S33：将第一湿法清洗药液从所述硅片的上方喷淋到硅片表面对硅片进行初步清洗，并对硅片背面进行去离子水喷淋；其中，所述第一湿法药液为由去离子水和有机溶剂混合而成；
步骤S34：将第二湿法清洗药液从硅片上方喷淋到硅片表面对硅片进行二次清洗，硅片背面去离子水喷淋；其中，所述第二湿法药液为由去离子水和有机溶剂混合而成；
步骤S35：高温氮气喷淋硅片表面对硅片进行干燥。
2.根据权利要求1所述采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，其特征在于，所述湿法刻蚀药液、第一湿法药液和/或第二湿法清洗药液在使用前需预先在一个磁场缓冲区进行磁化以初步减小所述湿法刻蚀药液、第一湿法药液和第二湿法清洗药液的表面张力；其中，磁化工艺的磁场强度为0-1000mT，工艺时间不少于2min。
3.根据权利要求2所述采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，其特征在于，所述湿法刻蚀药液中添加有表面活性剂。
4.根据权利要求1所述采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，其特征在于，所述步骤S33和步骤S34中的硅片背面去离子水喷淋为硅片背面热去离子水喷淋。
5.根据权利要求1-4任意一个所述采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，其特征在于，所述湿法刻蚀药液中的有机溶剂的表面张力小于30mN/m。
6.根据权利要求5所述采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，其特征在于，所述湿法刻蚀药液中的有机溶剂为异丙醇、甲醇、乙醇或丙酮。
7.根据权利要求1-4任意一个所述采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，其特征在于，所述第一湿法清洗药液中有机溶剂的表面张力小于30mN/m。
8.根据权利要求1-4任意一个所述采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，所述第一湿法清洗药液中去离子水与有机溶剂的体积比2:1～1:2。
9.根据权利要求1-4任意一个所述采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，所述第二湿法清洗药液中去离子水与有机溶剂的体积比1:2～1:10。
10.根据权利要求1-4任意一个所述采用湿法腐蚀工艺制作MEMS器件的方法，在步骤S35中，所述工艺平台的旋转速度为进行步骤33和步骤S34中的所述工艺平台的旋转速度的1.5～3倍。
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