CN111717885B - 一种硅基微纳结构柔性化加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅基微纳结构柔性化加工方法，包括步骤1)在硅衬底正面制作由硅基功能单元形成的硅基功能阵列；2)在硅基功能单元之间的硅衬底正面制作由聚对二甲苯构成的全柔性连接结构；3)需要电学互连时，在聚对二甲苯表面制作硅基功能单元之间的电学互连；4)对硅衬底背面进行减薄及化学机械抛光，直至露出柔性连接结构；5)在硅衬底背面保型淀积聚对二甲苯进行柔性裹覆，完成硅基微纳结构的柔性化加工。本发明的方法既可以使硅材料优越的电学性能得到充分发挥，也可以进行高可靠性柔性电子器件的规模化制造，同时，也将保证所制备的柔性电子器件在可穿戴设备、电子皮肤、智能医疗等领域的高适应性、高可靠性应用。
Description
技术领域
本发明涉及微纳加工领域，具体涉及一种基于聚对二甲苯微机电系统工艺(Parylene MEMS工艺)的硅基微纳结构柔性化加工方法。
背景技术
随着电子设备向可穿戴、可植入和人机交互等智能化方向的逐步发展，传统的刚性电子器件正寻求着柔性化加工方法。应运而生的柔性电子技术融合了材料学、力学、微电子学、仿生学等多学科知识，被认为是电子行业的未来。有别于传统的基于刚性材料和刚性基底的电子器件，柔性电子技术将有机或无机材料集成于可弯曲或可拉伸的柔性衬底上实现电子器件的柔性化和多功能化，在健康医疗、穿戴式智能设备、航空航天、军事国防等方面具有广泛的需求和应用。
目前柔性电子器件的制备主要可划分为两种技术路线：一种是利用本征柔性的有机高分子材料、有机半导体等有机材料通过印刷和表面修饰技术制备柔性电子器件；另一种是将超薄无机材料转印至柔性或弹性基底实现无机半导体材料的柔性化。对于前一种路线，有机功能材料的制备是核心。得益于有机材料优越的柔性和延展性，这种方案无需特殊的柔性化工艺，在大气环境中即可完成印刷、图形化、薄膜化成型等工序，形成柔性功能电路。然而有机半导体材料的劣势在于其载流子迁移率不高，无法制备开关速度快、驱动电流大、带宽高、功耗低的高性能柔性电子电路。如美国斯坦福大学Zhenan Bao课题组最新报道的柔性有机半导体薄膜，在拉伸至原长度两倍的过程中可保持1.5cm2V-1s-1的载流子迁移率，然而这仍然比传统体硅材料小3个数量级，其电路性能及复杂度与硅基集成电路无法比拟。同时，基于有机半导体材料的柔性电子制备尚未形成稳定的规模化制备工艺，市面上的商用产品仍然存在良品率低和使用寿命短等问题。对于后一种路线，超薄无机材料(如硅纳米薄膜、纳米带、纳米线等)的引入在一定程度上提高了器件的性能，但超薄(厚度百纳米量级)的器件结构存在界面失效和断裂的力学问题，其与柔性衬底的粘附性问题也会导致柔性电子器件较差的可靠性。同时，超薄无机材料的制备和转移依赖于印刷和转印技术，与现有规模制造工艺(集成电路工艺)无法兼容。
为此，需要发明一种基于硅材料的、与现有规模制造工艺兼容的柔性化加工方法，可实现高性能、高可靠性、功能复杂、集成度高、可规模化制造的硅基柔性电子器件，弥补现有技术的不足。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于Parylene MEMS工艺的硅基微纳结构柔性化加工方法。通过在硅基功能单元间引入由杨氏模量小、生物兼容性良好的Parylene填充的柔性槽，使刚性结构离散化并形成柔性连接，可以实现硅基电子器件(包括硅基集成电路、传感器等)的柔性化。该方法保留了硅材料优越电学性能且与传统的MEMS和IC工艺兼容，可实现高可靠性硅基柔性电子电路的规模化制造。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种硅基微纳结构柔性化加工方法，包括以下步骤：
1)在硅衬底正面制作由硅基功能单元形成的硅基功能阵列；
2)在硅基功能单元之间的硅衬底正面制作由聚对二甲苯构成的全柔性连接结构；
3)需要电学互连时，在聚对二甲苯表面制作硅基功能单元之间的电学互连；
4)对硅衬底背面进行减薄及化学机械抛光，直至露出柔性连接结构；
5)在硅衬底背面保型淀积聚对二甲苯进行柔性裹覆，完成硅基微纳结构的柔性化加工。
进一步地，步骤1)中所述硅基功能单元为在硅衬底上通过微纳加工技术实现的硅基微机电系统芯片、集成电路芯片或其他微纳结构。
进一步地，硅基功能单元的形状可为正方形、正三角形、正六边形等多种可密排的规则图形，以满足多轴向的柔性贴合需求。
进一步地，步骤2)所述全柔性连接结构的制作，具体步骤为：在硅衬底正面制作硅基功能单元之间的高深宽比微槽区域，高深宽比微槽区域由若干高深宽比微槽形成；在硅基功能单元与高深宽比微槽区域正面保型淀积聚对二甲苯，填充满高深宽比微槽区域的空隙至形成平整表面；采用氧等离子体刻蚀工艺，将硅衬底表面的聚对二甲苯刻蚀干净使高深宽比微槽露出；通过光刻和深反应离子刻蚀去除高深宽比微槽区域内的硅微柱；然后再淀积一定厚度的聚对二甲苯使去除硅微柱后形成的微槽完全填充，获得由聚对二甲苯构成的全柔性连接结构。
进一步地，所述高深宽比微槽区域为以正方形等间隔排列的图形为掩模而刻蚀形成的网格状微槽。
进一步地，通过HSE刻蚀硅基功能单元之间的硅衬底，刻蚀深度为100μm，得到宽度为10μm的高深宽比微槽。
进一步地，采用化学气相沉积法在硅基功能单元与高深宽比微槽区域正面淀积聚对二甲苯，聚对二甲苯在硅基功能单元表面的厚度为5μm。
进一步地，通过光刻和HSE刻蚀将高深宽比微槽区域内的硅微柱全部去除。
进一步地，采用化学气相沉积法在硅基功能单元与高深宽比微槽区域正面再淀积聚对二甲苯，聚对二甲苯在硅基功能单元表面的厚度为5μm。
进一步地，步骤3)所述硅基功能单元之间的电学互连的制作，具体步骤为：通过光刻和氧等离子体刻蚀去除硅基功能单元表面电极引脚处的聚对二甲苯以形成引线孔；对硅基功能单元与高深宽比微槽区域进行光刻并溅射金属层，由剥离工艺制备互连引线，去除光刻胶后获得所述金属引线；再次淀积一定厚度的聚对二甲苯作为电隔离保护；最后进行光刻和氧等离子体刻蚀去除金属引线引脚处的聚对二甲苯，以获得金属引线与外界的引线接口。
本发明的有益效果是：使用与现有规模制造工艺兼容的Parylene MEMS工艺制备了柔性硅基微纳结构，其柔性特征能满足大曲率多轴柔性贴合需求。本发明提出的柔性化加工方法既可以使体硅材料优越的电学性能得到充分发挥，也可以进行高可靠性柔性电子器件的规模化制造，同时，所使用的聚合物聚对二甲苯固有的柔性和生物兼容性也将保证所制备的柔性电子器件在可穿戴设备、电子皮肤、智能医疗等领域的高适应性、高可靠性应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为根据本发明硅基微纳结构柔性化加工方法实施的柔性硅基功能阵列结构示意图(以10×10正方形阵列为例)；
图2为高深宽比微槽的结构示意图(以正方形硅微柱形成的网格状微槽为例)；
图3a为制备硅基功能单元的示意图；
图3b为刻蚀高深宽比微槽的示意图；
图3c为淀积聚对二甲苯填充高深宽比微槽的示意图；
图3d-3f为制备硅基功能单元间全柔性连接结构的示意图；
图3g为制作金属引线的示意图；
图3h为制作金属引线与外界的引线接口的示意图；
图3i为柔性硅基功能阵列减薄的示意图；
图3j为硅基功能阵列柔性裹覆的示意图；
图中：1—硅基功能单元；2—聚对二甲苯；3—高深宽比微槽；4—硅微柱；5—引脚；6—金属引线；7—金属引线与外界的引线接口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提出的硅基微纳结构柔性化加工方法，结合附图和实施例进行详细说明。需要说明的是，下述实施例并非对本发明保护范围的限制，在下述实施例的基础上本领域技术人员能够实现本发明记载的其他实施方式。
本实施例提出的硅基微纳结构柔性化加工方法所能实现的n×m柔性硅基功能阵列如图1所示，图1中n＝m＝10。其中硅基微纳结构为硅基功能单元1，具体可为硅基微机电系统(MEMS)芯片或集成电路(IC)芯片，相邻两个硅基功能单元间以由聚对二甲苯2填充的高深宽比微槽3相连，阵列上下表面也保型淀积了一定厚度的聚对二甲苯2。
高深宽比微槽3的结构如图2所示，其中硅微柱4以相同间隔排列，以便在保型淀积一定厚度的聚对二甲苯时所有的高深宽比微槽3都能同时填充满。
本实施例的硅基微纳结构柔性化加工方法具体实施步骤如下：
1)制备硅基功能单元1：在硅衬底正面制作硅基功能单元1，用于硅基功能单元间电学互连的引脚5位于硅基功能单元1表面，如图3a所示；
2)在硅基功能单元1之间的硅衬底正面进行光刻形成高深宽比微槽区域：通过HSE刻蚀硅基功能单元1之间的硅衬底，刻蚀深度为100μm，得到若干宽度为10μm的高深宽比微槽3，若干高深宽比微槽3形成高深宽比微槽区域，如图3b所示；
3)填充高深宽比微槽3：采用CVD(化学气相沉积)法在硅基功能单元1与高深宽比微槽区域正面淀积聚对二甲苯，聚对二甲苯在硅基功能单元1表面的厚度为5μm，如图3c所示；
4)制备全柔性连接结构：通过氧等离子体干法刻蚀回刻，去除硅基功能单元1与高深宽比微槽区域表面的聚对二甲苯，直至高深宽比微槽区域内的硅微柱4表面全部露出，如图3d所示；通过光刻和HSE刻蚀将高深宽比微槽区域内的硅微柱4全部去除，如图3e所示；在硅基功能单元1与高深宽比微槽区域正面进行第二次CVD法淀积聚对二甲苯，聚对二甲苯在硅基功能单元1表面的厚度为5μm，使硅基功能单元1之间形成全柔性连接，如图3f所示；
5)制作金属引线6：在硅基功能单元1正面进行光刻和氧等离子体刻蚀，暴露出硅基功能单元的引脚5与引线的互连通孔(引线孔)，对硅基功能单元与高深宽比微槽区域进行光刻并溅射金属层，由剥离工艺制备互连引线，去除光刻胶后获得具有电互连功能的所述金属引线，如图3g所示；
6)制作金属引线与外界的引线接口7：采用CVD法继续淀积聚对二甲苯5μm，作为电隔离保护；在金属引线6正面进行光刻和氧等离子体刻蚀，形成金属引线与外界的引线接口7，如图3h所示；
7)柔性硅基功能阵列减薄：对硅衬底背面进行氧等离子体刻蚀，将前面步骤所淀积的聚对二甲苯刻蚀干净，并进行CMP减薄，使硅衬底背面减薄至高深宽比微槽区域露出，如图3i所示；
8)硅基功能阵列柔性裹覆：在硅衬底背面采用CVD法淀积聚对二甲苯使功能阵列背面形成柔性裹覆，如图3j所示，最终获得所述的柔性硅基微纳结构。
本发明中的硅基功能单元的形状不限于图1中的正方形；高深宽比微槽的结构也不限于图2中的正方形网格状结构；高深宽比微槽内的聚合物(聚对二甲苯)也可以采用其他可化学气相沉积的柔性材料代替。
以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种硅基微纳结构柔性化加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在硅衬底正面制作由硅基功能单元形成的硅基功能阵列；
2)在硅基功能单元之间的硅衬底正面制作由聚对二甲苯构成的全柔性连接结构；
3)需要电学互连时，在聚对二甲苯表面制作硅基功能单元之间的电学互连；
4)对硅衬底背面进行减薄及化学机械抛光，直至露出柔性连接结构；
5)在硅衬底背面保型淀积聚对二甲苯进行柔性裹覆，完成硅基微纳结构的柔性化加工；
步骤2)所述全柔性连接结构的制作，具体步骤为：在硅衬底正面制作硅基功能单元之间的高深宽比微槽区域，高深宽比微槽区域由若干高深宽比微槽形成；在硅基功能单元与高深宽比微槽区域正面保型淀积聚对二甲苯，填充满高深宽比微槽区域的空隙至形成平整表面；采用氧等离子体刻蚀工艺，将硅衬底表面的聚对二甲苯刻蚀干净使高深宽比微槽露出；通过光刻和深反应离子刻蚀去除高深宽比微槽区域内的硅微柱；然后再淀积一定厚度的聚对二甲苯使去除硅微柱后形成的微槽完全填充，获得由聚对二甲苯构成的全柔性连接结构；
采用化学气相沉积法在硅基功能单元与高深宽比微槽区域正面再淀积聚对二甲苯，聚对二甲苯在硅基功能单元表面的厚度为5μm。
2.如权利要求1所述的硅基微纳结构柔性化加工方法，其特征在于：步骤1)中所述硅基功能单元为在硅衬底上通过微纳加工技术实现的硅基微机电系统芯片或集成电路芯片。
3.如权利要求1所述的硅基微纳结构柔性化加工方法，其特征在于：硅基功能单元的形状为正方形、正三角形或正六边形。
4.如权利要求1所述的硅基微纳结构柔性化加工方法，其特征在于：所述高深宽比微槽区域为以正方形等间隔排列的图形为掩模而刻蚀形成的网格状微槽。
5.如权利要求1所述的硅基微纳结构柔性化加工方法，其特征在于：通过HSE刻蚀硅基功能单元之间的硅衬底，刻蚀深度为100μm，得到宽度为10μm的高深宽比微槽。
6.如权利要求1所述的硅基微纳结构柔性化加工方法，其特征在于：通过光刻和HSE刻蚀将高深宽比微槽区域内的硅微柱全部去除。
7.如权利要求1所述的硅基微纳结构柔性化加工方法，其特征在于，步骤3)所述硅基功能单元之间的电学互连的制作，具体步骤为：通过光刻和氧等离子体刻蚀去除硅基功能单元表面电极引脚处的聚对二甲苯以形成引线孔；对硅基功能单元与高深宽比微槽区域进行光刻并溅射金属层，由剥离工艺制备互连引线，去除光刻胶后获得金属引线；再次淀积一定厚度的聚对二甲苯作为电隔离保护；最后进行光刻和氧等离子体刻蚀去除金属引线引脚处的聚对二甲苯，以获得金属引线与外界的引线接口。
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2020
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