CN111646427A - 台阶结构的制作方法及振动检测装置 - Google Patents

台阶结构的制作方法及振动检测装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种台阶结构的制作方法及振动检测装置，该台阶结构的制作方法包括在晶圆的第一表面上湿法刻蚀出凹坑结构，在刻蚀出所述凹坑结构的所述晶圆的第一表面和所述凹坑结构上制作图形化掩膜层，所述图形化掩膜层形成至少暴露所述凹坑结构边缘的开口，以所述图形化掩膜层为掩膜，干法刻蚀所述晶圆，获得所述台阶结构；该振动检测装置包括该台阶结构。本发明的台阶结构的制作方法及振动检测装置的台阶结构的制作仅采用一次干法刻蚀，有效降低了台阶结构的制作中的干法刻蚀次数，降低了多次干法刻蚀之间的刻蚀干扰，保障了干法刻蚀的刻蚀效果，在一定程度上保障了晶圆的台阶结构的结构特性，进而保障了振动检测装置的良品率。

Description

台阶结构的制作方法及振动检测装置
技术领域
本发明涉及MEMS技术领域，特别涉及一种台阶结构的制作方法及振动检测装置。
背景技术
采用表面工艺制作的微机电系统(Micro-Electro-Mechnic System，MEMS)是以硅片为基体，通过多次薄膜淀积和图形加工制备形成的集微型机构、微型传感器、信号处理电路、信号控制电路以及微型执行器接口、通信和电源于一体的三维微机械结构。
随着MEMS的发展，对器件上的微结构的要求也越来越高，硅基衬底的加工从之前的单一的表面结构向更复杂的三维空间立体结构加工方向发展，其中，包括制作深槽隔离的台阶结构。
制作深槽隔离的台阶结构一般会需要进行多次干法刻蚀，且刻蚀要求高，每次的干法刻蚀后均要去除聚合物掩膜，如果掩膜去除的不干净，会影响后续干法刻蚀的刻蚀效果，进而影响刻蚀后的晶圆的台阶结构的结构特性。而该台阶结构的结构特性又将影响相应的MEMS的良品率。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种台阶结构的制作方法及振动检测装置，从而降低台阶结构的制作过程中的干法刻蚀次数，降低多次干法刻蚀前次刻蚀对后续刻蚀的干扰，保障干法刻蚀效果，保障刻蚀后的晶圆的台阶结构的结构特性，进而保障振动检测装置的良品率。
根据本发明的一方面，提供一种台阶结构的制作方法，其特征在于，包括：
在晶圆的第一表面上湿法刻蚀出凹坑结构，所述凹坑结构包括与所述晶圆的第一表面具有高度落差的底面；
在刻蚀出所述凹坑结构的所述晶圆的第一表面和所述凹坑结构上制作图形化掩膜层，所述图形化掩膜层形成至少暴露所述凹坑结构边缘的开口；
经由所述图形化掩膜层干法刻蚀所述晶圆，获得所述台阶结构。
可选地，所述湿法刻蚀为各向异性湿法刻蚀。
可选地，所述各向异性湿法刻蚀采用氢氧化钾刻蚀液。
可选地，所述图形化掩膜层为第一图形化光刻胶层。
可选地，所述图形化掩膜层包括硅氧化物或硅氮化物。
可选地，制作所述图形化掩膜层的步骤包括：
在刻蚀出所述凹坑结构的所述晶圆的第一表面和所述凹坑结构上采用化学气相淀积法淀积硅氧化物或硅氮化物，以获得硅氧化物层或硅氮化物层；
在所述硅氧化物层或所述硅氮化物层上制作第二图形化光刻胶层；
以所述第二图形化光刻胶层为掩膜刻蚀所述硅氧化物层或所述硅氮化物层，以获得所述图形化掩膜层。
可选地，所述图形化掩膜层还包括所述第二图形化光刻胶层。
可选地，在以所述第二图形化光刻胶层为掩膜刻蚀所述硅氧化物层或所述硅氮化物层后，清洗去除所述第二图形化光刻胶层。
可选地，所述第一图形化光刻胶层或所述第二图形化光刻胶层的光刻胶涂敷方式为喷涂涂敷。
可选地，所述晶圆的第一表面为晶面指数为100的晶面。
可选地，在俯视面上，所述凹坑结构的底面为方形，所述图形化掩膜层的开口包括形状与所述凹坑结构的底面的方形相似的内周线和圆形的外周线。
可选地，所述凹坑结构还包括连接所述底面和所述晶圆的第一表面的侧壁，且所述侧壁为底端偏向所述凹坑结构中心的倾斜侧壁。
可选地，所述侧壁与所述底面确定的平面的夹角为54.7度。
根据本发明的另一方面，提供一种振动检测装置，其特征在于，包括采用根据发明提供的所述台阶结构的制作方法制作的台阶结构。
本发明提供的台阶结构的制作方法包括在晶圆的第一表面上湿法刻蚀出凹坑结构，在刻蚀出所述凹坑结构的所述晶圆的第一表面和所述凹坑结构上制作图形化掩膜层，所述图形化掩膜层形成至少暴露所述凹坑结构边缘的开口，经由所述图形化掩膜层干法刻蚀所述晶圆，获得所述台阶结构。其中，仅采用一次干法刻蚀，避免了前次干法刻蚀的掩膜去除不干净对后续干法刻蚀的干扰，保障了刻蚀后的晶圆的结构特性。同时，降低了台阶结构的制作中的干法刻蚀次数，降低了制作台阶结构的生产成本，且可降低干法刻蚀对晶圆的总热损伤，在一定程度上进一步保障了晶圆的台阶结构的结构特性。
以各向异性湿法刻蚀法刻蚀出凹坑结构，可以以较低的刻蚀成本获得面积较大、成形度较好的凹坑结构，且不易热损伤晶圆。
以氢氧化钾刻蚀液进行各向异性湿法刻蚀，可以提高刻蚀速度，降低湿法刻蚀对晶圆的损伤率，保障晶圆的结构特性。
以图形化光刻胶层为掩膜干法刻蚀晶圆以获取台阶结构，可简化步骤，提高生产速度。
以硅氧化物层或硅氮化物层作为图形化掩膜层，可以降低光刻胶的用量，在保障深槽刻蚀槽的掩膜要求的同时，降低成本。
以喷涂方式涂敷光刻胶，以保障光刻胶完全贴合覆盖制作有凹坑结构的晶圆。
凹坑结构的侧壁为倾斜侧壁，可保障图形化掩膜层贴合覆盖该凹坑结构的侧壁，保障对侧壁的刻蚀精度，且可以降低对侧壁的横向刻蚀，保障侧壁结构质量。
图形化掩膜层开口部分为刻蚀部分，该刻蚀部分的外周线为圆形，内周线为方形，可以保障刻蚀的深槽围绕凹坑结构的底面，形成全方位的台阶结构，同时降低干法刻蚀面积，降低干法刻蚀对晶圆的热形变影响，保障晶圆的结构特性。
图形化掩膜层开口部分的内周线为与凹坑结构的底面相似的图形，可以保障刻蚀后的凹坑结构的底面图形，进而保障台阶结构的台阶图形。
本发明提供的振动检测装置包括采用根据发明提供的所述台阶结构的制作方法制作的台阶结构，其结构精度高，可保障产品的良品率。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1A至图5B示出了根据本发明实施例的台阶结构的制作方法的各阶段的结构示意图；
图6示出了根据本发明实施例的台阶结构的制作方法的流程图；
图7示出了一种采用了本发明实施例的台阶结构的制作方法的振动检测装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1A至图5B示出了根据本发明实施例的台阶结构的制作方法的各阶段的结构示意图。图6示出了根据本发明实施例的台阶结构的制作方法的流程图。
如图6所示，本发明实施例的台阶结构的制作方法包括：
步骤S01：湿法刻蚀晶圆，在晶圆的第一表面上制作出凹坑结构；
步骤S02：在制作完凹坑图形的所述晶圆的第一表面上采用喷涂的方式涂敷光刻胶；
步骤S03：刻蚀所述光刻胶，获得图形化光刻胶层；
步骤S04：以所述图形化光刻胶层为掩膜，干法刻蚀所述晶圆，完成台阶结构的制作。
其中，图1A为俯视图，图1B为纵截面图，参照图1A和图1B，从晶圆100的第一表面110向下采用湿法刻蚀法刻蚀出一个凹坑结构，该凹坑结构包括底面120和侧壁130，在本实施例中，晶圆100为方片形，凹坑结构的侧壁130为倾斜侧壁，侧壁130的底端相比于顶端靠近凹坑结构的中心，其与底面120平面的一个夹角为54.7度。凹坑结构的横截面形状也为方形，可选地，与晶圆100的俯视图形相同，均为正方形。倾斜侧壁可以保障光刻胶完全覆盖晶圆100的第一表面110及凹坑结构的底面120和侧壁130上。其中，晶圆100可以是半导体衬底，例如硅衬底，其相对的第一表面和第二表面已完成相关的减薄处理。
较优地，使用氢氧化钾各向异性湿法在晶圆100上刻蚀出凹坑结构的，其刻蚀速度较采用其他各向异性刻蚀液的刻蚀速率快，可以降低刻蚀液对晶圆的其他部位的损伤。其中，晶圆100的第一表面110为晶面指数为100的晶面。而各向异性湿法刻蚀可以便于刻蚀出带倾斜侧壁的凹坑结构，凹坑结构的成形度较好。
该凹坑结构的侧壁130在后续的刻蚀中去除，其倾斜结构不会影响到最终台阶结构之间的侧壁，具体的刻蚀量根据最终台阶结构的结构要求进行选择，在本实施例中，侧壁130与第一表面110连接的部分全部刻蚀掉，而与底面120连接的少部分保留，即晶圆100的第一表面110对应的高层的台阶的周向纵截面为规则矩形(对应图5B中的第三区域103)。
再结合参照图2A和图2B，其中，图2A为俯视图，图2B为纵截面图，在制作完凹坑结构的晶圆100的第一表面采用喷涂的方式涂敷光刻胶，获得光刻胶层140。对应于已经制作出的凹坑结构，优选采用喷涂方式涂敷光刻胶，可以确保光刻胶完全贴合覆盖在晶圆100的第一表面110及凹坑结构的底面120和侧壁130上。
其中，在制作出凹坑结构之后、制作光刻胶层140之前，还可以在晶圆100的第一表面制作一层硅氧化物或硅氮化物，并在后续的步骤中以该层硅氧化物或硅氮化物为图形化掩膜对晶圆100进行刻蚀，可以在需求刻蚀的刻蚀深度大的情况下，即干法刻蚀深腔时，无需因选择比问题喷涂过厚的光刻胶，其相比于直接采用大厚度的光刻胶为图形化掩膜层，可降低光刻胶层的厚度，降低光刻胶的用量，降低成本，同时保障深刻蚀槽的刻蚀对掩膜的要求，保障刻蚀效果。
化学气相淀积法制作的硅氧化物层或硅氮化物层的厚度均匀，不会受到如同光刻胶的流体性质的影响而向凹坑结构的底面聚集，影响图形化掩膜层的厚度均匀度。
再结合参照图3A和图3B，其中，图3A为俯视图，图3B为纵截面图，以一层硬掩膜版为掩膜，刻蚀光刻胶层140，获得图形化光刻胶层，在本实施例中，该图形化光刻胶层包括第一部分141和第二部分142，第一部分141和第二部分142的间距大于零，第一部分141位于晶圆100的外围区域，第二部分142位于凹坑结构的部分区域，第一部分141和第二部分142之间包括开口143，开口143至少暴露凹坑结构的边缘部分。
第一部分141的外周线为与晶圆100相同的方形，内周线(即开口143的外周线)为圆形，第二部分142为与凹坑结构的横截面图案相同的方形，即开口143的内周线为该方形。第一部分141和第二部分142的中间部分对应刻蚀部分，该刻蚀部分的外周线为圆形，内周线为方形，可以在保障一定的内外隔离度的情况下减小该刻蚀部分的在俯视面上的尺寸，降低后续干法刻蚀的刻蚀面积，降低干法刻蚀对晶圆的热形变影响，保障晶圆的结构特性。
其中，在本实施例中，在晶圆100俯视面上，第二部分142的图案尺寸大于凹坑结构的底面120的尺寸，且图形相似，凹坑结构的底面对应于制作的台阶结构的一个基本面，应当保证最终获得的台阶结构的各部分尺寸，设计第二部分142的图案尺寸大于凹坑结构120的尺寸，可以保障最终的台阶结构的尺寸，图形相似可以保障最终的台阶结构的图案要求。
再结合参照图4A和图4B，其中，图4A为俯视图，图4B为纵截面图，以图形化光刻胶层的第一部分和第二部分为掩膜，以干法刻蚀法刻蚀晶圆100，其中，图形化光刻胶层的第一部分141对应晶圆的第三区域103，第二部分142对应晶圆的第一区域101，刻蚀掉的部分对应晶圆的第二区域102，第二区域102在俯视面上的面积对应干法刻蚀的刻蚀面积。
其中，如果对应在制作出凹坑结构之后、制作光刻胶层140之前在晶圆100的第一表面制作了一层硅氧化物或硅氮化物，则在该步骤的刻蚀台阶结构之前，可以先以图形化光刻胶层为掩膜刻蚀该硅氧化物层或硅氮化物层，然后清洗该晶圆100，清洗掉光刻胶层，然后以该刻蚀后的图形化的硅氧化物层或硅氮化物层为掩膜刻蚀晶圆100，以制作出台阶结构。还可以不清洗掉光刻胶，以图形化光刻胶层和该图形化的硅氧化物层或硅氮化物层为掩膜刻蚀晶圆110，在后续的步骤中一同去除掩膜，并且可以提升掩膜的厚度质量。
再结合参照图5A和图5B，其中，图5A为俯视图，图5B为纵截面图，刻蚀出台阶结构后，去除图形化光刻胶层，获得具有台阶结构的晶圆，其中，晶圆100的第一区域101的厚度小于第三区域103的厚度，第一区域101和第三区域103之间间隔着晶圆100的第二区域102，第二区域102为刻蚀掉的刻蚀槽(即深槽)，厚度不同的第一区域101和第三区域103构成台阶结构。第二区域102的深槽的刻蚀深度可根据实际要求进行选择。其中，如果对应在制作出凹坑结构之后、制作光刻胶层140之前在晶圆100的第一表面制作了一层硅氧化物或硅氮化物的可选方案，则在刻蚀出台阶结构后，去除光刻胶的步骤将成为去除硅氧化物层或硅氮化物层。
在本实施例中，以一个台阶结构的制作为例进行说明，本发明的台阶结构的制作方法也可以适用于在晶圆上同时制作多个台阶结构，其同样仅采用一次干法刻蚀，降低干法刻蚀之间的干扰，保障干法刻蚀效果，且可以降低成本，其刻蚀过程中的晶圆变形程度小，结构特性有保障。
图7示出了一种采用了本发明实施例的台阶结构的制作方法的振动检测装置的结构示意图。同时结合本文上述说明，该振动检测装置200包括衬底层210、振膜结构220和背极板230，振膜结构220包括振膜221、牺牲层222和质量块223。
其中，衬底层210对应于晶圆100刻蚀后的第三区域103，质量块223对应于晶圆100刻蚀后的第一区域101。对应于该振动检测装置200，晶圆100的第二区域102的刻蚀贯穿晶圆100，以分离出晶圆100的第一区域101获得质量块223。
质量块223连接牺牲层222，牺牲层222连接振膜221，即质量块223随振膜221振动，振膜221在边缘位置连接至衬底层210。背极板230和振膜结构220构成电容极板，在两者之间形成振腔。
质量块223的下表面2231对应于晶圆100的凹坑结构的底面120，衬底层210的下表面211对应于晶圆100的上表面110，质量块223和衬底层210形成台阶结构，两者之间形成一定的高度差，提供质量块233的振动空间。
即本发明的台阶结构的制作方法可以适用于振动检测装置的生产制作，其制作出的台阶结构的结构数据精确，即对应的质量块的数据精确，结构特性良好，可以保障振动检测装置的良品率或提高良品质量。
本发明的台阶结构的制作方法包括以湿法刻蚀在晶圆上刻蚀出一个凹坑结构，再在晶圆上涂敷光刻胶，并图形化该光刻胶获得图形化光刻胶层，以图形化光刻胶层为掩膜，干法刻蚀晶圆，获得台阶结构，然后再去除光作为掩膜的图形化刻胶层，获得具有台阶结构的晶圆。其中，仅采用一次干法刻蚀，规避了多次干法刻蚀中的前次刻蚀的聚合物掩膜的去除残留对后续干法刻蚀的影响，保障了干法刻蚀的刻蚀效果。同时，仅用一次干法刻蚀，可以降低晶圆处于干法刻蚀的高温环境的时间，降低晶圆的受热时间，降低晶圆的受热变形程度，保障晶圆的台阶结构的特性。
各向异性湿法刻蚀晶圆获得凹坑结构，利于凹坑结构的倾斜侧壁的结构成形，可以获得质量较好的刻蚀凹坑，同时对于需求刻蚀面积较大的晶圆，相比于干法刻蚀，可以降低成本，且降低了干法刻蚀次数，降低了生产成本，还降低了晶圆在干法刻蚀中的不利热形变产生率、产生量，在一定程度上保障了晶圆的结构特性。进一步地，采用氢氧化钾刻蚀液进行刻蚀，刻蚀速度快，可提高生成效率，且降低了刻蚀时间，也降低刻蚀液对晶圆其他部分的腐蚀率，在一定程度上保障了晶圆的结构特性。
其中，还可以在制作完凹坑结构的晶圆的第一表面化学气相淀积硅氧化物或硅氮化物，并图形化该硅氧化物层或硅氮化物层作为硬掩膜，干法刻蚀晶圆，以制作台阶结构，可以在需求刻蚀深度深的刻蚀中以硅氧化物层或硅氮化物层为硬掩膜进行刻蚀，而硅氧化物层或硅氮化物层的图形化以光刻胶层为掩膜刻蚀获取，可以降低使用的光刻胶层厚度，降低高成本的光刻胶的用量，降低成本，同时保障深槽刻蚀槽的刻蚀对掩膜的要求，保障刻蚀质量。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (14)

1.一种台阶结构的制作方法，其特征在于，包括：
在晶圆的第一表面上湿法刻蚀出凹坑结构，所述凹坑结构包括与所述晶圆的第一表面具有高度落差的底面；
在刻蚀出所述凹坑结构的所述晶圆的第一表面和所述凹坑结构上制作图形化掩膜层，所述图形化掩膜层形成至少暴露所述凹坑结构边缘的开口；
经由所述图形化掩膜层干法刻蚀所述晶圆，获得所述台阶结构。
2.根据权利要求1所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，
所述湿法刻蚀为各向异性湿法刻蚀。
3.根据权利要求2所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，
所述各向异性湿法刻蚀采用氢氧化钾刻蚀液。
4.根据权利要求1所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，
所述图形化掩膜层为第一图形化光刻胶层。
5.根据权利要求1所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，
所述图形化掩膜层包括硅氧化物或硅氮化物。
6.根据权利要求5所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，制作所述图形化掩膜层的步骤包括：
在刻蚀出所述凹坑结构的所述晶圆的第一表面和所述凹坑结构上采用化学气相淀积法淀积硅氧化物或硅氮化物，以获得硅氧化物层或硅氮化物层；
在所述硅氧化物层或所述硅氮化物层上制作第二图形化光刻胶层；
以所述第二图形化光刻胶层为掩膜刻蚀所述硅氧化物层或所述硅氮化物层，以获得所述图形化掩膜层。
7.根据权利要求6所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，
所述图形化掩膜层还包括所述第二图形化光刻胶层。
8.根据权利要求6所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，
在以所述第二图形化光刻胶层为掩膜刻蚀所述硅氧化物层或所述硅氮化物层后，清洗去除所述第二图形化光刻胶层。
9.根据权利要求4或6所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，
所述第一图形化光刻胶层或所述第二图形化光刻胶层的光刻胶涂敷方式为喷涂涂敷。
10.根据权利要求1所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，
所述晶圆的第一表面为晶面指数为100的晶面。
11.根据权利要求1所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，
在俯视面上，所述凹坑结构的底面为方形，所述图形化掩膜层的开口包括形状与所述凹坑结构的底面的方形相似的内周线和圆形的外周线。
12.根据权利要求1或11所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，
所述凹坑结构还包括连接所述底面和所述晶圆的第一表面的侧壁，且所述侧壁为底端偏向所述凹坑结构中心的倾斜侧壁。
13.根据权利要求12所述的台阶结构的制作方法，其特征在于，
所述侧壁与所述底面确定的平面的夹角为54.7度。
14.一种振动检测装置，其特征在于，包括采用根据权利要求1至13任一项所述的台阶结构的制作方法制作的台阶结构。
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