CN110386587A - 一种基于ald技术的硅湿法腐蚀掩膜方法 - Google Patents

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杨芳
张大成
郭俊敏
姜博岩
李婷
罗葵
王玮
范泽新
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00388—Etch mask forming
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00436—Shaping materials, i.e. techniques for structuring the substrate or the layers on the substrate
    • B81C1/00523—Etching material
    • B81C1/00539—Wet etching

Abstract

本发明提供一种基于ALD技术的硅湿法腐蚀掩膜方法，其步骤包括：准备待腐蚀的硅片；采用ALD技术在所述硅片表面上淀积一层硅湿法腐蚀掩膜；对所述掩膜进行减薄，直至露出下方的硅片表面；利用湿法腐蚀溶液对所述硅片进行腐蚀，获得微结构。本发明利用ALD技术制备硅湿法腐蚀掩膜，淀积温度低，残余应力小，制备的掩膜材质致密，保形覆盖性好，抗腐蚀时间长，可以实现对带有金属、不能经受高温或应力敏感、有高深宽比结构或可动结构的硅片的腐蚀保护。

Description

一种基于ALD技术的硅湿法腐蚀掩膜方法
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工技术领域，涉及一种基于ALD技术的硅湿法腐蚀掩膜方法。
背景技术
经过几十年的技术进步，兼容CMOS技术的硅工艺已经无可争议地成为MEMS(MicroElectro Mechanical System，微电子机械系统)器件的主流制造技术。在硅MEMS工艺中，采用氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液进行硅的各向异性湿法腐蚀是制造三维微结构的有效技术手段，尤其在低成本、批量制造方面具有不可替代的优势。这种硅湿法腐蚀工艺需要掩膜对不希望腐蚀的区域进行掩蔽保护，业内最常用的掩膜材料是氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)，在某些特殊场合还会使用金(Au)、铂(Pt)、碳化硅(SiC)或高分子有机物(例如Protek)等。受掩膜制备工艺和材料自身化学特性的影响，现有的掩蔽方法存在一定不足，具体表现在：
1.以低压化学气相淀积(LPCVD)、氧化为代表的高温淀积工艺，其生长的氧化硅、氮化硅膜层致密，可以有效抵挡KOH和TMAH的腐蚀，但是LPCVD氮化硅膜应力较大，容易开裂，尤其当基片表面有高低起伏或颗粒粘污的时候，氮化硅膜极易脱落，造成钻蚀和图形破坏。此外，LPCVD氮化硅的工艺温度通常在630-780℃，氧化的温度甚至达到1000℃以上，这么高的淀积温度不允许基片上有不耐热的材料(例如金属)或结构，不能兼容对热工艺敏感的基片。
2.以等离子体增强化学气相淀积(PECVD)为代表的低温淀积工艺，虽然可以获得低应力的氧化硅、氮化硅膜，但是膜层致密性差，一般不适合作为湿法腐蚀的钝化层，而且该方法对高深宽比结构的覆盖能力有限。
3.金、铂类金属掩膜受制备方法的限制，一般针孔率较高，掩蔽效果差。
4.碳化硅和Protek对金属的粘附不好，基片表面有较大高低起伏时覆盖较差，掩膜不能图形化且去除困难。
综上所述，因为现有掩蔽方法存在一系列影响湿法腐蚀工艺能力和工艺质量的问题，导致湿法腐蚀工艺的应用范围受到一定限制，使很多有创意的MEMS微结构无法实现。在此背景下，探索新的掩膜材料对硅湿法腐蚀这一传统工艺更好地适应MEMS技术发展具有重要的现实意义。
ALD(Atomic Layer Deposition，原子层淀积)技术于1977年由芬兰人T.Suntola和J.Anston发明，它利用表面饱和反应(surface saturation reactions)将物质以单原子膜形式一层一层生长在基片表面，工作温度低(室温到400℃)。早期ALD技术主要用于淀积平板显示器上ZnS:Mn等场致发光薄膜，1985年以后，Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物的生长引起了人们的关注，但是由于其复杂的表面化学反应，这方面的研究并未取得实质性的突破，且ALD生长速率慢，限制了其在工程中的应用。直到90年代中期，随着微电子和深亚微米芯片技术的发展，特征尺寸越来越小，ALD技术的优势逐渐凸显出来：与其他淀积方法相比，ALD能精确控制薄膜厚度和组分，生长的薄膜与衬底有陡直的界面并有很好的保形性，即使对于深宽比高达100:1的结构也可实现良好的覆盖。
目前ALD的主流应用是做硅基集成电路的核心器件金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的高K栅介质，将ALD方法制备的薄膜用作硅各向异性湿法腐蚀的掩膜的研究未见报道，属于一项全新的探索。
各向异性湿法腐蚀作为硅基MEMS工艺的一项基础工艺和关键工艺，如果能借助ALD技术的优势，突破现有掩膜技术或材料的束缚，就可提高硅湿法腐蚀这一常规工艺的适用性和灵活性，拓展MEMS器件结构多样性，同时也能扩宽ALD技术的应用范围。
发明内容
为克服现有技术不足，本发明提供一种基于ALD技术的硅湿法腐蚀掩膜方法，利用ALD技术制备硅湿法腐蚀掩膜，淀积温度低，残余应力小，制备的掩膜材质致密，保形覆盖性好，抗腐蚀时间长，可以实现对带有金属、不能经受高温或应力敏感、有高深宽比结构或可动结构的硅片的腐蚀保护。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于ALD技术的硅湿法腐蚀掩膜方法，其步骤包括：
1)准备待腐蚀的硅片；
2)采用ALD技术在所述硅片表面上淀积一层硅湿法腐蚀掩膜；
3)对所述掩膜进行减薄，直至露出下方的硅片表面；
4)利用湿法腐蚀溶液对所述硅片进行腐蚀，获得微结构。
进一步地，所述硅片表面含有金属结构，其采用的金属材质包括铝、钛等。
进一步地，所述硅片表面包括槽道、微盲孔、微柱、台阶、针尖等结构，其表面起伏不小于10μm。
进一步地，所述硅片表面含有可动结构，其包括微梁、梳齿、微镜等。
进一步地，所述掩膜的材料包括氧化铪(HfO2)。
进一步地，淀积所述掩膜的温度为200-395℃。
进一步地，所述掩膜的厚度理论上不受限制，考虑到工艺成本，较佳地为
进一步地，对所述掩膜进行减薄的工艺包括图形化工艺，该图形化工艺包括光刻、刻蚀。
进一步地，所述湿法腐蚀溶液为KOH溶液或TMAH溶液。
与传统方法相比，本发明利用ALD技术制备掩膜，淀积温度低，可对不能经受高温工艺的硅片提供腐蚀保护；掩膜保形覆盖性好，可对硅片待保护面的三维微结构进行有效覆盖和防护；掩膜残余应力小，在进行湿法腐蚀时，不会发生脱落、钻蚀，适用于应力敏感器件的制造。由于ALD掩膜的这些特性，可避免腐蚀溶液对硅片待保护结构的破坏。把ALD方法制备的薄膜作为硅湿法腐蚀的掩膜，一方面在一定程度上突破了现有掩膜技术对湿法腐蚀方法应用范围的束缚，另一方面也给主流应用集中在集成电路高K材料制造的ALD技术提供了进入MEMS行业的可能性。
附图说明
图1A至图1C为实施例1的硅片湿法腐蚀示意图。
图2A至图2C为实施例2的硅片湿法腐蚀示意图。
图3A至图3C为实施例3的硅片湿法腐蚀示意图。
图4A至图4D为实施例4的硅片湿法腐蚀示意图。
图中：1-硅片，2-金属结构，3-ALD氧化铪掩膜，4-槽道，5-悬臂梁，6-空腔。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
实施例1
本实施例提供一种基于ALD技术的硅湿法腐蚀掩膜方法，在使用KOH溶液作为湿法腐蚀溶液对硅片待腐蚀面(下表面)进行减薄处理时，利用ALD技术淀积氧化铪薄膜来对硅片待保护面(上表面)进行保护，具体步骤如下：
1)在硅片1待保护面通过光刻和腐蚀(或剥离)的方法制作金属结构2，硅片1选用N型单晶硅片，厚度400μm，电阻率2-4Ω·cm，金属为铝，厚度如图1A所示；
2)在硅片1待保护面制作掩膜，通过ALD技术淀积氧化铪掩膜3，淀积温度为250℃，厚度为如图1B所示；
3)利用KOH溶液对硅片1待腐蚀面进行减薄，硅片1余厚200μm，如图1C所示，图中虚线表示减去的厚度。
实施例2
本实施例提供一种基于ALD技术的硅湿法腐蚀掩膜方法，具体步骤如下：
1)在硅片1待保护面利用深反应离子刻蚀槽道4，硅片1选用N型单晶硅片，厚度400μm，电阻率2-4Ω·cm，槽道深度120μm，如图2A所示；
2)在硅片1待保护面制作掩膜，通过ALD技术淀积氧化铪掩膜3，淀积温度为300℃，厚度为如图2B所示；
3)利用KOH溶液对硅片1待腐蚀面进行减薄，硅片1余厚200μm，如图2C所示，图中虚线表示减去的厚度。
实施例3
本实施例提供一种基于ALD技术的硅湿法腐蚀掩膜方法，具体步骤如下：
1)在硅片1待保护面制作硅悬臂梁5，硅片1选用N型单晶硅片，厚度400μm，电阻率2-4Ω·cm，硅梁厚30μm，长度250μm，宽度50μm，如图3A所示；
2)在硅片1待保护面制作掩膜，通过ALD技术淀积氧化铪掩膜3，淀积温度为100℃，厚度为如图3B所示；
3)利用TMAH溶液对硅片1待腐蚀面进行减薄，硅片1余厚200μm，如图3C所示，图中虚线表示减去的厚度。
实施例4
本实施例提供一种基于ALD技术的硅湿法腐蚀掩膜方法，具体步骤如下：
1)在硅片1上表面通过光刻和腐蚀(或剥离)的方法制作金属结构2，硅片1选用N型单晶硅片，厚度400μm，电阻率2-4Ω·cm，金属为铝，厚度如图4A所示；
2)在硅片1上表面制作掩膜，通过ALD技术淀积氧化铪掩膜3，淀积温度为250℃，厚度为如图4B所示；
3)利用光刻和刻蚀去除待腐蚀区域的氧化铪掩膜3，露出硅片1上表面，如图4C所示；
4)利用KOH溶液对硅片1待腐蚀区域进行腐蚀，形成倒梯形空腔，腐蚀深度180μm，如图4D所示。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员可对技术方案进行修改或者等同替换，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种基于ALD技术的硅湿法腐蚀掩膜方法，其步骤包括：
准备待腐蚀的硅片；
采用ALD技术在所述硅片表面上淀积一层硅湿法腐蚀掩膜；
对所述掩膜进行减薄，直至露出下方的硅片表面；
利用湿法腐蚀溶液对所述硅片进行腐蚀，获得微结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅片表面含有金属结构，其采用的金属材质包括铝、钛。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅片表面包括槽道、微盲孔、微柱、台阶、针尖结构，其表面起伏不小于10μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅片表面含有可动结构，该可动结构包括微梁、梳齿、微镜。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩膜的材料包括氧化铪。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，淀积所述掩膜的温度为200-395℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩膜的厚度为
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述掩膜进行减薄的工艺包括图形化工艺，该图形化工艺包括光刻、刻蚀。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿法腐蚀溶液为KOH溶液或TMAH溶液。
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