CN109250682A - 一种悬浮梁-膜结构的制备方法 - Google Patents

一种悬浮梁-膜结构的制备方法 Download PDF

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张林超
齐虹
李玉玲
吴作飞
李鑫
田雷
张岩
张鹏
陈静
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Abstract

一种悬浮梁‑膜结构的制备方法,属于压力传感器制备领域。解决了采用光刻胶或聚酰亚胺作为牺牲层制备悬浮梁‑膜表面不光滑，导致悬浮梁‑膜的长期稳定性和一致性差及采用硅片的湿法腐蚀工艺制备悬浮梁‑膜结构边缘不整齐，容易断裂且悬浮梁‑膜材料受限的问题。本发明利用生长出来的多孔硅层作为牺牲层，制备出来的多孔硅层表面光滑，因此，长在其上的悬浮梁‑膜结构层均匀且光滑，保证了悬浮梁‑膜结构层的长期稳定性及一致性；另一方面，只对多孔硅层释放窗口和悬浮梁‑膜结构层下方所对应的多孔硅层进行腐蚀，不腐蚀悬浮梁‑膜结构层，因此，使其制备的悬浮梁‑膜结构层更加的整齐，不易断裂。本发明主要用于传感器的制备。

Description

一种悬浮梁-膜结构的制备方法
技术领域
本发明属于压力传感器制备领域。
背景技术
传感器制作过程中，经常会用到悬浮梁-膜结构的制备。现有悬浮梁-膜的制备主要有两种方法，第一种是采用光刻胶或聚酰亚胺作为牺牲层制备悬浮梁-膜的工艺方法，这种方法制备的牺牲层厚度仅有5-6μm，限制悬浮梁-膜变化范围且在牺牲层上制备的梁-膜表面不光滑，从而导致悬浮梁-膜的长期稳定性、一致性差。同时，采用这种方法制备过程中不能经过高温，限制悬浮梁-膜的材料选取，应用较少。
另一种是采用硅片的湿法腐蚀工艺制备悬浮梁-膜结构。该方法通过硅片的湿法腐蚀，将硅片区域完全腐蚀掉，保留介质膜，形成悬膜梁-膜结构，这种方法制备的悬浮梁-膜结构，需要将硅片腐蚀完全，但是在腐蚀过程中，介质膜也会被腐蚀，导致制作悬浮梁-膜所需的介质膜厚度不均匀，悬浮梁-膜结构边缘不整齐，容易断裂，且介质膜只能采用SiO2/Si3N4材料，限制悬浮梁-膜的应用。且在制作过程中需要采用双面对准光刻工艺，使得悬浮梁-膜制备存在很大的误差，悬浮梁-膜结构尺寸一致性差。
因此，亟需提供一种解决采用光刻胶或聚酰亚胺作为牺牲层制备悬浮梁-膜表面不光滑，导致悬浮梁-膜的长期稳定性、一致性差及采用硅片的湿法腐蚀工艺制备悬浮梁-膜结构边缘不整齐，容易断裂且悬浮梁-膜材料受限的新型制备方法。
发明内容
本发明是为了解决采用光刻胶或聚酰亚胺作为牺牲层制备悬浮梁-膜表面不光滑，导致悬浮梁-膜的长期稳定性和一致性差及采用硅片的湿法腐蚀工艺制备悬浮梁-膜结构边缘不整齐，容易断裂且悬浮梁-膜材料受限的问题，本发明提供了一种悬浮梁-膜结构的制备方法。
一种悬浮梁-膜结构的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、采用P型单晶硅片作为衬底基片，并对该衬底基片进行清洗；
步骤二、在清洗后的衬底基片上生长出氧化层；
步骤三、在氧化层上生长出钝化层；
步骤四、对钝化层和氧化层进行光刻，使其在钝化层和氧化层上形成悬浮梁-膜释放区；
步骤五、使悬浮梁-膜释放区下方所对应的衬底基片浅表层形成多孔硅层；
步骤六、在多孔硅层上方的悬浮梁-膜释放区内生长出悬浮梁-膜结构层；
步骤七、对悬浮梁-膜结构层进行光刻，使其在悬浮梁-膜结构层的左右两侧上形成两个多孔硅层释放窗口；
步骤八、腐蚀掉多孔硅层，在悬浮梁-膜结构层和衬底基片之间形成多孔硅层释放区，完成悬浮梁-膜结构的制备。
优选的是，所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法，还包括步骤五一，步骤五一位于步骤五和步骤六之间，且步骤五一具体为：
利用氢氟酸与无水乙醇形成的混合浓度为15％的溶液去除衬底基片上剩余的钝化层和氧化层。
优选的是，步骤一中，衬底基片为电阻率为0.01Ω·cm至0.02Ω·cm的P型双抛单晶硅片。
优选的是，步骤三中，在氧化层上生长出钝化层的实现方式为：采用LPCVD方法实现。
优选的是，步骤五中，使悬浮梁-膜释放区下方所对应的衬底基片上形成多孔硅层的具体实现方式为：
利用电化学腐蚀方式对悬浮梁-膜释放区下方所对应的衬底基片进行电化学腐蚀，从而使悬浮梁-膜释放区下方所对应的衬底基片上形成多孔硅层。
优选的是，所述利用电化学腐蚀方式对悬浮梁-膜释放区下方所对应的衬底基片进行电化学腐蚀，从而使悬浮梁-膜释放区下方所对应的衬底基片上形成多孔硅层的具体过程为：
采用电流密度为50mA/cm2、氢氟酸与无水乙醇形成的电解液，对悬浮梁-膜释放区下方所对应的衬底基片进行电化学腐蚀30min，从而使悬浮梁-膜释放区下方所对应的衬底基片上形成多孔硅层。
优选的是，所述电解液的浓度百分比为15％。
优选的是，步骤六中，在多孔硅层上方生长出悬浮梁-膜结构层的实现方式为：利用PECVD、电子束蒸发或真空镀膜实现。
优选的是，步骤八中，腐蚀两个多孔硅层释放窗口和悬浮梁-膜结构层下方所对应的多孔硅层采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液实现。
优选的是，氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液的质量百分比为0.5％。
优选的是，氧化层的厚度为至钝化层的厚度为至悬浮梁-膜结构层的厚度为1-3μm。
本发明带来的有益效果是，本发明利用生长出来的多孔硅层作为牺牲层，制备出来的多孔硅层表面光滑，因此，长在其上的悬浮梁-膜结构层均匀，且光滑，保证了悬浮梁-膜结构层的长期稳定性及一致性；另一方面，只对多孔硅层释放窗口和悬浮梁-膜结构层下方所对应的多孔硅层进行腐蚀，不腐蚀悬浮梁-膜结构层，因此使其制备的悬浮梁-膜结构层更加的整齐，不易断裂。
现有技术中悬浮梁-膜结构层一般采用二氧化硅层，且制备的过程中采用质量百分比为40％，温度80℃的氢氧化钾进行腐蚀，该氢氧化钾腐蚀可腐蚀金属及半导体材料，限制了悬浮梁-膜结构层的制备材料。
本发明悬浮梁-膜结构层可由绝缘层(包括二氧化硅层、氮化硅层)、金属层(包括金、铬、铂、铝、钛等金属层)和半导体层(如硅层)中的任意一种、两种或三种结构层的叠加构成，不受材料的限制；且所述的绝缘层(包括二氧化硅层、氮化硅层)可采用PECVD等方式制备、金属层(包括金、铬、铂、铝、钛等金属层)可采用电子束蒸发、真空镀膜、磁控溅射等方式制备、半导体层(如硅层)可采用外延等方式制备。
本发明不受腐蚀液温度限制，能够在常温下进行制作，且制备悬浮梁-膜结构层不受材料的限制，可以采用多种结构，增加悬浮梁-膜结构的应用领域；
采用本方法制备的悬浮梁-膜结构具有稳定性高、一致性好、不受材料限制、不受工艺条件限制等优点、并且具有易于制备、集成化、成品率高和批量生产性。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的制备流程图；P-Si表示P型单晶硅片；
图2为通过图1制备出的悬浮梁-膜结构的轴向剖视图；
图3为图2的俯视图；
图4为具体实施方式二所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的制备流程图；P-Si表示P型单晶硅片；
图5为通过图4制备出的悬浮梁-膜结构的轴向剖视图；
图6为图5的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图1至图6和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：参见图1至3说明本实施方式，本实施方式所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、采用P型单晶硅片作为衬底基片1，并对该衬底基片1进行清洗；
步骤二、在清洗后的衬底基片1上生长出氧化层2；
步骤三、在氧化层2上生长出钝化层3；
步骤四、对钝化层3和氧化层2进行光刻，使其在钝化层3和氧化层2上形成悬浮梁-膜释放区4；
步骤五、使悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1浅表层形成多孔硅层5；
步骤六、在多孔硅层5上方的悬浮梁-膜释放区4内生长出悬浮梁-膜结构层6；
步骤七、对悬浮梁-膜结构层6进行光刻，使其在悬浮梁-膜结构层6的左右两侧上形成两个多孔硅层释放窗口7；
步骤八、腐蚀掉多孔硅层5，在悬浮梁-膜结构层6和衬底基片1之间形成多孔硅层释放区8，完成悬浮梁-膜结构的制备。
本实施方式，本发明制备方法不受腐蚀液温度限制，能够在常温下进行制作，且制备悬浮梁-膜结构层6不受材料的限制，可以采用多种结构，增加悬浮梁-膜结构的应用领域；
现有技术中悬浮梁-膜结构层一般采用二氧化硅层，且制备的过程中采用质量百分比为40％，温度80℃的氢氧化钾进行腐蚀，该氢氧化钾腐蚀可腐蚀金属及半导体材料，限制了悬浮梁-膜结构层的制备材料。
本发明悬浮梁-膜结构层6可由绝缘层(包括二氧化硅层、氮化硅层)、金属层(包括金、铬、铂、铝、钛等金属层)和半导体层(如硅层)中的任意一种、两种或三种结构层的叠加构成，不受材料的限制；且所述的绝缘层(包括二氧化硅层、氮化硅层)可采用PECVD等方式制备、金属层(包括金、铬、铂、铝、钛等金属层)可采用电子束蒸发、真空镀膜、磁控溅射等方式制备、半导体层(如硅层)可采用外延等方式制备。
原理说明：本发明利用生长出来的多孔硅层5作为牺牲层，制备出来的多孔硅层5表面光滑，因此，长在其上的悬浮梁-膜结构层6均匀，且光滑，保证了悬浮梁-膜结构层6的长期稳定性及一致性；另一方面，只对多孔硅层释放窗口7和悬浮梁-膜结构层6下方所对应的多孔硅层5进行腐蚀，不腐蚀悬浮梁-膜结构层6，因此使其制备的悬浮梁-膜结构层6更加的整齐，不易断裂。
具体实施方式二：参见图4至6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的区别在于，还包括步骤五一，步骤五一位于步骤五和步骤六之间，且步骤五一具体为：
利用氢氟酸与无水乙醇形成的混合浓度为15％的溶液去除衬底基片1上剩余的钝化层3和氧化层2。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式中，利用氢氟酸与无水乙醇形成的混合浓度为15％的溶液去除衬底基片1上剩余的钝化层3和氧化层2，该混合溶液只对钝化层3和氧化层2进行腐蚀，对多孔硅层5无任何影响，保证了多孔硅层5的光滑度和平整度，使其作为基底，为制备的悬浮梁-膜结构层6提供更好的制备环境，从而保证了制备的悬浮梁-膜结构层6的均匀度、光滑度和平整度。
本实施方式中，氢氟酸为溶质，无水乙醇为溶剂。
具体实施方式三：参见图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的区别在于，步骤一中，衬底基片1为电阻率为0.01Ω·cm至0.02Ω·cm的P型双抛单晶硅片。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式，采用电阻率为0.01Ω·cm至0.02Ω·cm的P型双抛单晶硅片，此种参数的单晶硅片可以形成孔径均匀的多孔硅层5，保证悬浮梁-膜结构完美释放。
具体实施方式四：参见图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的区别在于，步骤三中，在氧化层2上生长出钝化层3的实现方式为：采用LPCVD方法实现。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式中，LPCVD的英文全称Low Pressure Chemical Vapor Deposition，中文翻译为低压力化学气相沉积。
采用LPCVD方法在氧化层2上生长出钝化层3，操作简单便于实现。
具体实施方式五：参见图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的区别在于，步骤五中，使悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1上形成多孔硅层5的具体实现方式为：
利用电化学腐蚀方式对悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1进行电化学腐蚀，从而使悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1上形成多孔硅层5。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式中，利用电化学腐蚀方式对悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1进行电化学腐蚀，操作简单便于实现。
具体实施方式六：参见图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的区别在于，所述利用电化学腐蚀方式对悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1进行电化学腐蚀，从而使悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1上形成多孔硅层5的具体过程为：
采用电流密度为50mA/cm2、氢氟酸与无水乙醇形成的电解液，对悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1进行电化学腐蚀30min，从而使悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1上形成多孔硅层5。其它与具体实施方式五相同。
本实施方式中，提供了一种对悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1进行电化学腐蚀的一种具体操作过程，该具体操作过程保证了悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1上形成多孔硅层5的孔隙率、光滑度、均匀度和平整度，同时保证了悬浮梁-膜释放时所需多孔硅层5的厚度。
具体实施方式七：参见图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的区别在于，所述电解液的浓度百分比为15％。其它与具体实施方式六相同。
本实施方式中，电解液的浓度百分比为15％，保证了悬浮梁-膜释放区4下方所对应的衬底基片1上形成多孔硅层5的孔隙率、光滑度、均匀度和平整度。
具体实施方式八：参见图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的区别在于，步骤六中，在多孔硅层5上方生长出悬浮梁-膜结构层6的实现方式为：利用PECVD、电子束蒸发或真空镀膜实现。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式中，PECVD的英文全称为Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，中文翻译为等离子体增强化学气相沉积。
具体实施方式九：参见图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的区别在于，步骤八中，腐蚀两个多孔硅层释放窗口7和悬浮梁-膜结构层6下方所对应的多孔硅层5采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液实现。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：参见图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的区别在于，氧化层2的厚度为至钝化层3的厚度为至悬浮梁-膜结构层6的厚度为1-3μm。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式中，选用氧化层2的厚度为至钝化层3的厚度为至可以满足氧化层2与钝化层3之间应力匹配，增加步骤五中电化学腐蚀溶解的掩膜效果，并满足电化学腐蚀时间为30min的要求。选用悬浮梁-膜结构层6的厚度为1-3μm，此厚度的悬浮梁-膜不易断裂，有效提高采用悬浮梁-膜结构器件的灵敏度及可靠性。
具体实施方式十一：参见图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式九所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的区别在于，氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液的质量百分比为0.5％。其它与具体实施方式九相同。
本实施方式中，由于采用质量百分比浓度是0.5％的氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液腐蚀多孔硅层5，悬浮梁-膜结构释放完整，表面光滑，悬浮梁-膜结构边缘整齐，没有破损。
具体实施方式十二：参见图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式十所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法的区别在于，氧化层2的厚度为钝化层3的厚度为其它与具体实施方式十相同。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。

Claims (10)

1.一种悬浮梁-膜结构的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一、采用P型单晶硅片作为衬底基片(1)，并对该衬底基片(1)进行清洗；
步骤二、在清洗后的衬底基片(1)上生长出氧化层(2)；
步骤三、在氧化层(2)上生长出钝化层(3)；
步骤四、对钝化层(3)和氧化层(2)进行光刻，使其在钝化层(3)和氧化层(2)上形成悬浮梁-膜释放区(4)；
步骤五、使悬浮梁-膜释放区(4)下方所对应的衬底基片(1)浅表层形成多孔硅层(5)；
步骤六、在多孔硅层(5)上方的悬浮梁-膜释放区(4)内生长出悬浮梁-膜结构层(6)；
步骤七、对悬浮梁-膜结构层(6)进行光刻，使其在悬浮梁-膜结构层(6)的左右两侧上形成两个多孔硅层释放窗口(7)；
步骤八、腐蚀掉多孔硅层(5)，在悬浮梁-膜结构层(6)和衬底基片(1)之间形成多孔硅层释放区(8)，完成悬浮梁-膜结构的制备。
2.根据权利要求1所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法，其特征在于，还包括步骤五一，步骤五一位于步骤五和步骤六之间，且步骤五一具体为：
利用氢氟酸与无水乙醇形成的混合浓度为15％的溶液去除衬底基片(1)上剩余的钝化层(3)和氧化层(2)。
3.根据权利要求1所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法，其特征在于，步骤一中，衬底基片(1)为电阻率为0.01Ω·cm至0.02Ω·cm的P型双抛单晶硅片。
4.根据权利要求1所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法，其特征在于，步骤三中，在氧化层(2)上生长出钝化层(3)的实现方式为：采用LPCVD方法实现。
5.根据权利要求1所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法，其特征在于，步骤五中，使悬浮梁-膜释放区(4)下方所对应的衬底基片(1)上形成多孔硅层(5)的具体实现方式为：
利用电化学腐蚀方式对悬浮梁-膜释放区(4)下方所对应的衬底基片(1)进行电化学腐蚀，从而使悬浮梁-膜释放区(4)下方所对应的衬底基片(1)上形成多孔硅层(5)。
6.根据权利要求5所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法，其特征在于，所述利用电化学腐蚀方式对悬浮梁-膜释放区(4)下方所对应的衬底基片(1)进行电化学腐蚀，从而使悬浮梁-膜释放区(4)下方所对应的衬底基片(1)上形成多孔硅层(5)的具体过程为：
采用电流密度为50mA/cm2、氢氟酸与无水乙醇形成的电解液，对悬浮梁-膜释放区(4)下方所对应的衬底基片(1)进行电化学腐蚀30min，从而使悬浮梁-膜释放区(4)下方所对应的衬底基片(1)上形成多孔硅层(5)。
7.根据权利要求6所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法，其特征在于，所述电解液的浓度百分比为15％。
8.根据权利要求1所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法，其特征在于，步骤六中，在多孔硅层(5)上方生长出悬浮梁-膜结构层(6)的实现方式为：利用PECVD、电子束蒸发或真空镀膜实现。
9.根据权利要求1所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法，其特征在于，步骤八中，腐蚀两个多孔硅层释放窗口(7)和悬浮梁-膜结构层(6)下方所对应的多孔硅层(5)采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液实现。
10.根据权利要求1所述的一种悬浮梁-膜结构的制备方法，其特征在于，氧化层(2)的厚度为至钝化层(3)的厚度为至悬浮梁-膜结构层(6)的厚度为1-3μm。
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