CN111071986A - 一种激光改性辅助制备碳化硅多级微结构的方法及一种加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体加工技术领域，提供了一种激光改性辅助制备碳化硅多级微结构的方法及一种加速度传感器。本发明在碳化硅基底表面制备图案化掩膜，对具有图案化掩膜的碳化硅基底进行局部激光辐照，激光辐照区域内无掩膜遮蔽的碳化硅发生改性，改性后的碳化硅刻蚀速率远高于未经激光辐照的单晶碳化硅，利用二者的刻蚀速率差，实现碳化硅多级微结构的一次性同步刻蚀。本发明提供的方法工艺简单，可操作性强，利用该方法能够制备出具有碳化硅多级微结构的传感元件和带有光纤孔的碳化硅传感基板，二者通过键合能够实现耐高温光学式碳化硅加速度传感器的制备，解决常规加速度传感器无法在高温恶劣环境下工作的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，特别涉及一种激光改性辅助制备碳化硅多级微结构的方法及一种加速度传感器。
背景技术
碳化硅是一种有着优越性能的第三代半导体，它的优势主要有：宽带隙、高热导率、高饱和漂移速率、高临界电场强度等，除了这些有益的电学性能，碳化硅还具有极佳的化学稳定性及耐高温、耐腐蚀等特性。以上特性使得碳化硅在高温、高频率、高压、大功率、强辐射等恶劣环境中有着重要的应用价值。
传统的加速度传感器通常是在硅基底上进行制备，该类传感器无法胜任800℃以上高温恶劣环境下加速度信号的采集。
碳化硅具有极佳的化学稳定性、耐腐蚀性，且耐高温性能好，可以实现在800℃以上恶劣环境下工作，但是碳化硅属于硬脆性材料，硬度仅次于金刚石，是一种难加工材料。目前对碳化硅的加工方法主要有电化学腐蚀、激光加工、微机械加工及等离子体刻蚀等。其中，对于碳化硅的微结构加工，等离子体刻蚀是一种切实可行的方法，但是仅利用等离子体刻蚀加工碳化硅多级微结构难度极大。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种激光改性辅助制备碳化硅多级微结构的方法及一种加速度传感器。本发明采用激光改性辅助制备碳化硅多级微结构，可实现碳化硅多级微结构的一次性同步刻蚀，制备方法简单、效率高；同时本发明提供的碳化硅加速度传感器可以解决传统加速度传感器无法在800℃以上高温环境中工作的难题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种激光改性辅助制备碳化硅多级微结构的方法，包括以下步骤：
(1)在碳化硅基底表面涂覆光刻胶并光刻，形成图案化光刻胶；
(2)在具有图案化光刻胶的碳化硅基底表面沉积反射薄膜层；
(3)将所述图案化光刻胶及沉积在图案化光刻胶表面的反射薄膜层剥离，在碳化硅基底上形成图案化掩膜；
(4)对具有图案化掩膜的碳化硅基底进行局部激光辐照，形成改性区域；
(5)对改性区域和未改性区域的碳化硅基底同时进行等离子体刻蚀，然后将图案化掩膜去除，得到碳化硅多级微结构。
优选的，所述碳化硅基底中的碳化硅为N型或P型，所述碳化硅的晶型为4H-SiC或6H-SiC。
优选的，所述光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶，所述光刻胶的涂覆厚度为5～10μm。
优选的，所述反射薄膜层由SiO2和SiN交替沉积得到，或由SiO2和ZrO2交替沉积得到，或由SiO2、SiN和ZrO2交替沉积得到；所述反射薄膜层的厚度为500nm～1.5μm。
优选的，所述激光辐照用激光的脉冲宽度为150飞秒～500纳秒，激光的波长为100nm～1064nm。
优选的，所述等离子体刻蚀为反应离子刻蚀或电感耦合反应离子刻蚀；所述等离子体刻蚀的气体组分为SF6-Ar、SF6-Ar-O2、CHF3-Ar或CHF3-Ar-O2。
本发明还提供了一种碳化硅加速度传感器传感元件，所述传感元件表面具有多级微结构，所述多级微结构由上述方案所述方法制备得到。
本发明还提供了一种碳化硅加速度传感器传感基板的制备方法，按照上述方案步骤(1)～(5)的方法，在碳化硅基底上刻蚀出盲孔和光纤孔，得到碳化硅加速度传感器传感基板。
本发明提供了上述方案所述制备方法制备的碳化硅加速度传感器传感基板。
本发明还提供了一种碳化硅加速度传感器，包括键合在一起的上述方案所述的碳化硅加速度传感器传感元件和上述方案所述的碳化硅加速度传感器传感基板。
有益效果：
(1)本发明在碳化硅基底表面制备图案化掩膜，然后通过激光辐照使无掩膜遮挡的碳化硅被改性，有掩膜遮挡的碳化硅则不受辐照影响，从而实现激光辐照区域内的图案化改性，图案化由掩膜控制，无需通过激光点移动扫描实现图案化，改性效率高，为高精度多级微结构制备提供基础。
(2)本发明通过激光辐照使得无掩膜遮挡的碳化硅性质发生转变，由晶体转换为非晶体以及硅氧化物等，转变后的材料易于去除，其刻蚀速率远高于未经激光辐照的单晶碳化硅，由于两者等离子体刻蚀的速率差，可以实现碳化硅多级微结构一次性同步刻蚀，极大提高碳化硅多级微结构的制备效率。
(3)本发明利用反射薄膜层作为掩膜，对碳化硅表面起到保护作用，在后续等离子体刻蚀等工艺过程中可以保证碳化硅多级微结构表面结构的完整性及较好的表面粗糙度。
(4)本发明还提供了一种碳化硅加速度传感器，该传感器的传感元件和传感基板均是使用该发明方法所制备，碳化硅的耐高温性能使得该传感器能实现在高温等严苛环境下加速度的测量。
附图说明
图1为本发明实施例中制备碳化硅多级微结构的流程示意图；
图2为碳化硅基底的示意图；
图3为表面具有图案化光刻胶的碳化硅基底的示意图；
图4为沉积反射薄膜层后的碳化硅基底的示意图；
图5为表面具有图案化掩膜的碳化硅基底的示意图；
图6为对表面具有图案化掩膜的碳化硅基底进行局部激光辐照的示意图；
图7为等离子体刻蚀后的碳化硅基底的示意图；
图8为去除图案化掩膜后得到的碳化硅多级微结构的示意图；
图9为制备碳化硅加速度传感器的步骤示意图；
图10为碳化硅加速度传感器的结构示意图。
图2～9中：1-碳化硅基底，2-图案化光刻胶，3-反射薄膜层，4-激光改性区域，5-碳化硅加速度传感器核心元件。
具体实施方式
本发明提供了一种激光改性辅助制备碳化硅多级微结构的方法，包括以下步骤：
(1)在碳化硅基底表面涂覆光刻胶并光刻，形成图案化光刻胶；
(2)在具有图案化光刻胶的碳化硅基底表面沉积反射薄膜层；
(3)将所述图案化光刻胶及沉积在图案化光刻胶表面的反射薄膜层剥离，在碳化硅基底上形成图案化掩膜；
(4)对具有图案化掩膜的碳化硅基底进行局部激光辐照，形成改性区域；
(5)对改性区域和未改性区域的碳化硅基底同时进行等离子体刻蚀，然后将图案化掩膜去除，得到碳化硅多级微结构。
本发明在碳化硅基底表面涂覆光刻胶并光刻，形成图案化光刻胶。在本发明中，所述碳化硅基底优选为碳化硅片或通过异质或同质外延生长的碳化硅材料；所述碳化硅基底中的碳化硅优选为N型或P型，碳化硅的晶型优选为4H-SiC或6H-SiC；在涂覆光刻胶前，本发明优选对碳化硅基底进行标准RCA清洗；在本发明中，所述光刻胶优选为正性光刻胶或负性光刻胶，所述光刻胶的涂覆厚度优选为5～10μm，更优选为6～8μm；所述涂覆的方法优选为旋涂；本发明对所述光刻的方法没有特殊要求，按照本领域技术人员熟知的方法进行即可，具体如紫外光刻或电子束光刻。
形成图案化光刻胶后，本发明在具有图案化光刻胶的碳化硅基底表面沉积反射薄膜层。在本发明中，所述反射薄膜层优选由SiO2和SiN交替沉积得到，或由SiO2和ZrO2交替沉积得到，或由SiO2、SiN和ZrO2交替沉积得到；所述交替沉积的次数优选为4次；所述反射薄膜层的厚度优选为500nm～1.5μm，更优选为1μm；在沉积反射薄膜层之前，本发明优选先沉积一层Cr种子层，以增强反射薄膜层与碳化硅的附着力；所述Cr种子层的厚度优选为20nm；本发明对所述沉积的具体条件没有特殊要求，按照本领域技术人员熟知的条件进行沉积即可。在本发明中，所述反射薄膜层具有较高的反射率，在后续的激光辐照过程中起到掩膜的作用。
沉积反射薄膜层后，本发明将图案化光刻胶及沉积在图案化光刻胶表面的反射薄膜层剥离，在碳化硅基底上形成图案化掩膜。本发明优选使用去胶液进行剥离，所述去胶液优选为丙酮；所述剥离的具体方法优选为：将沉积反射薄膜层后的碳化硅基底浸泡在去胶液中并施加超声，直至光刻胶完全剥离；光刻胶剥离后，附着在其上的反射薄膜层也被剥离，剩余的附着在碳化硅基底上的反射薄膜层形成图案，即为图案化掩膜。
得到图案化掩膜后，本发明对具有图案化掩膜的碳化硅基底进行局部激光辐照，形成改性区域。在本发明中，所述激光辐照用激光的脉冲宽度优选为150飞秒～500纳秒，更优选为200飞秒～450纳秒，激光的波长优选为100nm～1064nm，更优选为200nm～1000nm；本发明对所述激光辐照的扫描速率和扫描次数没有特殊要求，在本发明的具体实施例中，优选根据目标微结构的深度要求来选择扫描速率和扫描次数，激光辐照的扫描速率越低、扫描次数越多，无掩膜区域的碳化硅改性深度越大，后续的刻蚀深度也就越大。本发明对所述激光辐照的区域没有特殊要求，根据预定多级微结构的图案进行确定即可，本发明通过激光辐照使辐照区域无掩膜遮挡的碳化硅性质发生转变，由晶体转换为非晶体以及硅氧化物等。
激光辐照完成后，本发明对改性区域和未改性区域的碳化硅基底同时进行等离子体刻蚀。在本发明中，所述等离子体刻蚀优选为反应离子刻蚀或电感耦合反应离子刻蚀；所述等离子体刻蚀的气体组分优选为SF6-Ar、SF6-Ar-O2、CHF3-Ar或CHF3-Ar-O2；本发明对所述刻蚀气体组分中各个气体的流量比没有特殊要求，按照本领域技术人员熟知的流量比进行设置即可；所述等离子体刻蚀的压力优选为56mTorr，刻蚀功率优选为400W；在本发明中，激光辐照形成的碳化硅改性区域刻蚀速率明显增加，比未改性区域碳化硅晶体的刻蚀速率快了一倍以上；利用两者刻蚀速率的差异，可以实现碳化硅多级微结构一次性同步刻蚀；并且由于掩膜的保护，等离子体轰击不到掩膜覆盖处的碳化硅，该表面不会被刻蚀，粗糙度能保持碳化硅基底原始的表面粗糙度，从而保证较好的表面完整性。
等离子体刻蚀完成后，本发明将图案化掩膜去除，得到碳化硅多级微结构。本发明优选使用氢氟酸溶液去除图案化掩膜；所述氢氟酸溶液的质量分数优选为2％；本发明优选将等离子体刻蚀后的碳化硅基底浸泡在氢氟酸溶液中，直至图案化掩膜完全去除；在浸泡过程中，本发明还优选施加超声辅助，以加快图案化掩膜的去除效率。
本发明提供了一种碳化硅加速度传感器传感元件，所述传感元件表面具有碳化硅多级微结构，所述碳化硅多级微结构由上述方案所述的方法制备得到；本发明提供的传感元件精度高，具有较好的表面完整性。
本发明还提供了一种碳化硅加速度传感器传感基板的制备方法，按照上述方案步骤(1)～(5)的方法，在碳化硅基底上刻蚀出盲孔和光纤孔，即可得到碳化硅加速度传感器传感基板。在本发明中，各个步骤的操作参数和上述方案相同，仅通过控制激光扫描的速率与扫描次数使改性深度增加，进而保证改性区域在一次性同步刻蚀过程中能形成通孔(即光纤孔)即可，所述激光扫描的速率和扫描次数根据碳化硅基底的厚度进行确定。
本发明提供了上述方案所述方法制备的碳化硅加速度传感器传感基板；本发明提供的碳化硅加速度传感器传感基板完整性好，与碳化硅加速度传感器传感元件键合后能够得到耐高温的碳化硅加速度传感器的核心元件。
本发明还提供了一种碳化硅加速度传感器，包括键合在一起的上述方案所述的碳化硅加速度传感器传感元件和上述方案所述的碳化硅加速度传感器传感基板；所述碳化硅加速度传感器优选还包括光纤，所述光纤从传感基板的光纤孔处接入；所述光纤用于采集并传输光谱干涉信号，经过解调后即可实现高温环境中加速度的测量。
在本发明中，将传感元件和传感基板键合即可得到本发明的碳化硅加速度传感器；所述键合的温度优选为1100℃，压力优选为50MPa，时间优选为3h；在键合之前，本发明优选将传感元件和传感基板进行预处理；所述预处理优选包括以下步骤：将传感元件和传感基板进行去离子水/乙醇溶液交替超声清洗，再在食人鱼溶液中进行水浴处理，然后烘干。在本发明中，所述去离子水/乙醇溶液交替超声清洗中去离子水和乙醇溶液的清洗次数均为3次，每次的清洗时间优选为5min；所述食人鱼溶液由质量分数98％的硫酸与质量分数30％的过氧化氢按照体积比3：1混合得到；所述水浴处理的温度优选为80℃，时间优选为10min。
下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
图1为本发明实施例中制备碳化硅多级微结构的流程示意图。
实施例1
图2～8为本实施例制备碳化硅多级微结构的过程图，其中1-碳化硅基底，2-图案化光刻胶，3-反射薄膜层，4-激光改性区域。
碳化硅多级微结构的制备过程如下：
(1)取一片单晶碳化硅衬底片作为基底1，如图2所示，然后进行标准的RCA清洗。
(2)利用AZ 4620正性光刻胶在碳化硅衬底片表面分步旋涂8μm后进行光刻图形化，得到图案化光刻胶2，如图3所示。
(3)利用磁控溅射沉积反射薄膜层3，分层交替沉积4组SiO2、SiN和ZrO2；在溅射沉积反射层前沉积20nm的Cr种子层以增强掩膜与碳化硅的附着力；反射薄膜层总厚度在1μm，如图4所示。
(4)利用丙酮外加超声浸泡剥离剩余光刻胶，形成具有高精度的反射薄膜层(图案化掩膜)，如图5所示。
(5)用365nm波长，200ps脉宽的脉冲激光器，借助样品移动台来实现对碳化硅基底的局部激光辐照，如图6所示，此时辐照区域中无掩层遮挡的碳化硅性质发生转变，由晶体转换为非晶体以及硅氧化物，形成改性区域4。
(6)将激光辐照后的样品进行反应性等离子体刻蚀，刻蚀气体及流量分别为SF6(100sccm)、Ar(10sccm)、O2(5sccm)；刻蚀压力56mTorr；刻蚀功率400W，形成碳化硅多级微结构，如图7所示；此时所述激光辐照形成的碳化硅改性区域刻蚀速率明显增加，达342nm/min，相比于碳化硅晶体的等离子体刻蚀速率(159nm/min)，效率提升115％左右。
(7)使用质量浓度为2％的氢氟酸溶液去除图案化掩膜，如图8所示。
实施例2
碳化硅加速度传感器的制备，制备过程如图9所示，图9中，1-碳化硅基底，2-图案化光刻胶，3-反射薄膜层，4-激光改性区域，5-碳化硅加速度传感器核心元件。
(1)传感元件的制备：具体制备过程如图9左侧所示，制备条件和实施例1一致，图案根据预定图案进行设置，得到表面具有多级微结构的碳化硅传感元件。
(2)传感基板的制备：具体制备过程如图9右侧所示，其他步骤和实施例1相同，仅在步骤(5)中增加激光扫描次数，使改性区域的改性深度增加，使刻蚀过程中改性区域能刻蚀出通孔即可，制备过程中的具体图案以及激光辐照区域根据预定盲孔和光纤孔的位置进行设置，得到碳化硅传感基板。
(3)传感元件和传感基板的键合：将具有盲孔和光纤孔的碳化硅传感基板和具有碳化硅多级微结构的传感元件进行去离子水/乙醇溶液交替超声清洗，各清洗3次，每次5分钟；然后在食人鱼溶液(质量分数98％的硫酸与质量分数30％的过氧化氢3：1混合)中水浴80℃处理10分钟；吹干后，在温度1100℃，压力50MPa的条件下，将传感元件和传感基板键合3小时，完成耐高温光学式碳化硅加速度传感器核心传感单元5的制备；
(4)将光纤从传感基板的光纤孔处接入，得到如图10所示结构的耐高温光学式碳化硅加速度传感器，通过光纤采集并传输光谱干涉信号，经过解调后实现高温环境中加速度的测量。
由以上实施例可以看出，本发明提供的方法可以实现碳化硅多级微结构的高效制备，解决了传统方法制备难度大、效率低等加工难题，利用该方法制备出带有碳化硅多级微结构的传感元件和带有光纤孔的碳化硅传感基板，通过键合技术，能够实现耐高温光学式碳化硅加速度传感器的制备，解决常规加速度传感器无法在高温恶劣环境下工作的局限性。本发明提供的方法工艺简单，可操作性强，为碳化硅多级微结构的制备及实用化提供了一种有效方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光改性辅助制备碳化硅多级微结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在碳化硅基底表面涂覆光刻胶并光刻，形成图案化光刻胶；
(2)在具有图案化光刻胶的碳化硅基底表面沉积反射薄膜层；
(3)将所述图案化光刻胶及沉积在图案化光刻胶表面的反射薄膜层剥离，在碳化硅基底上形成图案化掩膜；
(4)对具有图案化掩膜的碳化硅基底进行局部激光辐照，形成改性区域；
(5)对改性区域和未改性区域的碳化硅基底同时进行等离子体刻蚀，然后将图案化掩膜去除，得到碳化硅多级微结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳化硅基底中的碳化硅为N型或P型，所述碳化硅的晶型为4H-SiC或6H-SiC。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶，所述光刻胶的涂覆厚度为5～10μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反射薄膜层由SiO2和SiN交替沉积得到，或由SiO2和ZrO2交替沉积得到，或由SiO2、SiN和ZrO2交替沉积得到；所述反射薄膜层的厚度为500nm～1.5μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光辐照用激光的脉冲宽度为150飞秒～500纳秒，激光的波长为100nm～1064nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀为反应离子刻蚀或电感耦合反应离子刻蚀；所述等离子体刻蚀的气体组分为SF6-Ar、SF6-Ar-O2、CHF3-Ar或CHF3-Ar-O2。
7.一种碳化硅加速度传感器传感元件，其特征在于，所述传感元件表面具有多级微结构，所述多级微结构由权利要求1～6任意一项所述方法制备得到。
8.一种碳化硅加速度传感器传感基板的制备方法，其特征在于，按照权利要求1步骤(1)～(5)的方法，在碳化硅基底上刻蚀出盲孔和光纤孔，得到碳化硅加速度传感器传感基板。
9.权利要求8所述制备方法制备的碳化硅加速度传感器传感基板。
10.一种碳化硅加速度传感器，其特征在于，包括键合在一起的权利要求7所述的碳化硅加速度传感器传感元件和权利要求9所述的碳化硅加速度传感器传感基板。
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