CN112141999B - 一种mems器件的制造方法及mems器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS器件的制造方法及MEMS器件，涉及微电子机械系统技术领域，用于在制造具有悬空结构的MEMS器件时提高刻蚀图形的尺寸精度，提升MEMS器件的品质。所述MEMS器件的制造方法包括：提供一基底，基底上形成有第一牺牲层；去除第一牺牲层位于预定区域内的部分，形成凹槽；预定区域为悬空结构与基底之间的区域；在凹槽内形成第二牺牲层，第二牺牲层的上表面与第一牺牲层的上表面平齐，第二牺牲层的致密性低于第一牺牲层的致密性；在第一牺牲层和第二牺牲层上形成悬空结构层，悬空结构层包括位于第一牺牲层上的支撑结构、以及位于第二牺牲层上的悬空结构；去除第二牺牲层，释放悬空结构。所述MEMS器件的制造方法用于制造具有悬空结构的MEMS器件。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统技术领域，尤其涉及一种MEMS器件的制造方法及MEMS器件。
背景技术
在制造具有悬空结构的微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，缩写为MEMS)时，一般会采用热氧化工艺或淀积工艺，在硅衬底上形成二氧化硅层。接着在二氧化硅层上形成悬空结构，并通过HF释放蚀刻工艺去除二氧化硅层位于悬空结构下方的部分，从而释放悬空结构。
但是，在去除二氧化硅层位于悬空结构下方的部分时，难以控制刻蚀图形的尺寸精度，使得MEMS器件的品质较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MEMS器件的制造方法及MEMS器件，用于在制造具有悬空结构的MEMS器件时提高刻蚀图形的尺寸精度，提升MEMS器件的品质。
为了实现上述目的，本发明提供了一种MEMS器件的制造方法，该MEMS器件用于制造具有悬空结构的MEMS器件，该MEMS器件的制造方法包括：
提供一基底，基底上形成有第一牺牲层；
去除第一牺牲层位于预定区域内的部分，形成凹槽；预定区域为悬空结构与基底之间的区域；
在凹槽内形成第二牺牲层，第二牺牲层的上表面与第一牺牲层的上表面平齐，第二牺牲层的致密性低于第一牺牲层的致密性；
在第一牺牲层和第二牺牲层上形成悬空结构层，悬空结构层包括位于第一牺牲层上的支撑结构、以及位于第二牺牲层上的悬空结构；
去除第二牺牲层，释放悬空结构。
与现有技术相比，本发明提供的MEMS器件的制造方法中，在提供了其上形成有第一牺牲层的基底后，可以按照悬空结构的规格，将第一牺牲层位于后续形成的悬空结构下方的部分替换为第二牺牲层，该第二牺牲层的上表面与下表面平齐。并且，该第二牺牲层的致密性低于第一牺牲层的致密性，即与第一牺牲层相比，第二牺牲层的结构更为疏松。基于此，在第二牺牲层上形成悬空结构后，在去除第二牺牲层的过程中，刻蚀剂不仅可以对第二牺牲层的表面进行刻蚀，还可以通过第二牺牲层所具有的空隙进入到第二牺牲层的内部，加快第二牺牲层的刻蚀速率。相反的，因第一牺牲层的结构更为致密，刻蚀剂对第一牺牲层的刻蚀速率较低。在此情况下，因第二牺牲层的抗蚀性比第一牺牲层的抗蚀性低，故刻蚀剂可以按照预设方案快速去除暴露在悬空结构下方的第二牺牲层，而不会对支撑结构覆盖的第一牺牲层造成较大影响，使得位于悬空结构下方的刻蚀图形的尺寸精度得以提高，从而可以提升MEMS器件的品质。
本发明还提供了一种MEMS器件，该MEMS器件具有悬空结构，该MEMS器件采用上述技术方案提供的MEMS器件的制造方法制造形成。
与现有技术相比，本发明提供的MEMS器件的有益效果与上述技术方案提供的MEMS器件的制造方法的有益效果相同，此处不再赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有形成具有悬空结构的MEMS器件的一步骤示意图；
图2为现有形成具有悬空结构的MEMS器件的另一步骤示意图；
图3为本发明实施例提供的MEMS器件的制造方法流程图；
图4为本发明实施例中提供一基底后结构示意图；
图5为本发明实施例中形成凹槽后结构示意图；
图6为本发明实施例中形成第二牺牲材料层后结构示意图；
图7为本发明实施例中形成第二牺牲层后结构示意图；
图8为本发明实施例中形成预形成层后结构示意图；
图9为本发明实施例中形成悬空结构层后结构示意图；
图10为本发明实施例中释放悬空结构后结构示意图。
附图标记：
11为硅衬底，12为二氧化硅层，13为悬空结构；
21为基底，22为第一牺牲层，23为凹槽，24为第二牺牲材料层，241为第二牺牲层，25为预形成层，26为悬空结构层，261为支撑结构，262为悬空结构。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，缩写为MEMS)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。在实际的应用场景中，多种MEMS传感器、MEMS执行器等MEMS器件具有悬空结构。在制造上述具有悬空结构的MEMS器件时，一般采用牺牲层释放工艺来实现悬空结构的制造。
图1为现有形成具有悬空结构的MEMS器件的一步骤示意图。图2为现有形成具有悬空结构的MEMS器件的另一步骤示意图。参见图1和图2，在实际的制造过程中，一般会选择二氧化硅层作为上述牺牲层。具体的，首先在硅衬底11上形成二氧化硅层12。接着在二氧化硅层12上形成一层多晶硅层，并对多晶硅层进行选择性刻蚀，形成由支撑结构和悬空结构13构成的悬空结构层。最后通过HF释放蚀刻工艺去除二氧化硅层12位于悬空结构13下方的部分，以释放悬空结构13。在上述制造过程中，为了提高二氧化硅层12所具有的绝缘特性，一般会采用热氧化工艺或淀积工艺，在硅衬底11上形成高致密性的二氧化硅层12。在此情况下，因高致密性的二氧化硅层12的面内释放速率一致。后续通过HF释放蚀刻工艺只能够对高致密性的二氧化硅层12进行各向同性刻蚀(图2中弧形虚线与弧形实线之间的区域为不该被去除的区域)，难以控制刻蚀图形的尺寸精度，使得MEMS器件的品质较差。同时，因二氧化硅层12的致密性较高，气相HF仅可以对二氧化硅层12的表面进行刻蚀，使得刻蚀速率较慢、释放时间较长，使得MEMS器件的制造效率较低。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种MEMS器件的制造方法，该MEMS器件的制造方法用于制造具有悬空结构的MEMS器件。其中，具有悬空结构的MEMS器件可以为MEMS传感器、MEMS执行器、MEMS扬声器等具有悬空结构的MEMS器件。
图3示出了本发明实施例提供的MEMS器件的制造方法流程图。参见图3，该MEMS器件的制造方法包括：
步骤101：参见图4，提供一基底21，基底21上形成有第一牺牲层22。具体的，该基底21可以包括硅衬底、以及形成在硅衬底表面的第一牺牲层22。其中，硅衬底可以为高阻硅衬底、常阻硅衬底或低阻硅衬底。硅衬底所具有的电阻率、以及硅衬底的厚度可以根据实际应用场景设置，此处不做具体限定。例如：硅衬底的电阻率可以为3000Ω*cm，硅衬底的厚度可以为400μm。
对于第一牺牲层来说，第一牺牲层所含有的材料需要与后续形成的悬空结构层所含有的材料之间具有一定的刻蚀选择比。例如：第一牺牲层可以为二氧化硅层。第一牺牲层的层厚决定了后续形成的悬空结构与基底上表面之间的距离，故可以根据实际应用场景中所要求的悬空结构与基底上表面之间的距离对第一牺牲层的层厚进行设置。例如：第一牺牲层的层厚可以为2μm。
示例性的，当基底包括硅衬底和二氧化硅层时，该二氧化硅层可以为采用热生长工艺或淀积工艺在衬底上形成的二氧化硅层，以提高二氧化硅层的致密性，使得二氧化硅层具有良好的绝缘特性。
步骤102：参见图5，去除第一牺牲层22位于预定区域内的部分，形成凹槽23。预定区域为悬空结构与基底21之间的区域。
示例性的，可以采用光刻工艺和反应离子刻蚀工艺，去除第一牺牲层位于预定区域内的部分，形成凹槽。具体的，可以先在第一牺牲层的上表面形成一层光刻胶。接着对光刻胶进行曝光和显影，形成光刻胶图形。该光刻胶图形暴露出来的区域为上述预定区域。基于此，在该光刻胶图形的掩膜作用下，采用反应离子刻蚀工艺，可以按照预设方案的要求仅去除第一牺牲层位于基底与后续形成的悬空结构之间的部分。而第一牺牲层位于预定区域之间的部分可以在光刻胶图形的保护下不受刻蚀的影响。
步骤103：参见图7，在凹槽23内形成第二牺牲层241。第二牺牲层241的上表面与第一牺牲层22的上表面平齐。第二牺牲层241的致密性低于第一牺牲层22的致密性。
具体的，第二牺牲层的上表面与第一牺牲层的上表面平齐，以便于后续在第一牺牲层和第二牺牲层上形成较为平整的悬空结构层。并且，为了便于后续释放在第二牺牲层上形成的悬空结构，第二牺牲层所含有的材料需要与悬空结构所含有的材料之间具有一定的刻蚀选择比。例如：第二牺牲层可以为二氧化硅层。
示例性的，上述在凹槽内形成第二牺牲层可以包括：
步骤103.1：参见图6，形成覆盖第一牺牲层22和凹槽23的第二牺牲材料层24。第二牺牲材料层24的层厚大于凹槽23的深度。
在实际的应用过程中，可以采用等离子体增强化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，缩写为PECVD)工艺，形成覆盖第一牺牲层和凹槽的第二牺牲材料层。此外，采用PECVD工艺形成膜层时，不同的工艺温度、射频功率和腔内压力会使得所形成的膜层的致密性不同。具体的，工艺温度降低会使得表面反应的速率降低，从而使得淀积膜层的致密性降低。另一方面，射频功率或腔内压力过大会使得淀积速率过快，进而可以使得膜层的结构疏松。在上述情况下，因后续会基于第二牺牲材料层获得第二牺牲层，故可以通过比形成第一牺牲层时所使用的工艺温度低的工艺温度来形成第二牺牲材料层，或者也可以在形成第二牺牲材料层时通过增大等离子体增强化学气相沉积设备的射频功率或腔内压力，以使得第二牺牲层的致密性低于第一牺牲层的致密性。
具体的，当采用等离子体增强化学气相沉积工艺形成第二牺牲材料层时，工艺温度、射频功率和腔内压力的具体数值可以根据实际应用场景中对第二牺牲层的致密性的要求进行设置，此处不做具体限定。
需要说明的是，为了进一步加快刻蚀剂对第二牺牲层的刻蚀速率，降低刻蚀剂全部去除第二牺牲层的刻蚀时间，确保后续对第二牺牲层进行刻蚀时不会对第一牺牲层造成较大影响，可以对第二牺牲层进行掺杂。例如：第二牺牲层可以为掺杂有磷的二氧化硅层。在此情况下，在第二牺牲层上形成悬空结构后，在去除第二牺牲层的过程中，可以采用刻蚀速率与杂质的掺杂浓度的变化趋势一致的刻蚀剂。也就是说，刻蚀剂的刻蚀速率随着杂质的掺杂浓度的升高而增大。基于此，因第一牺牲层的致密性较高、且其内未掺杂有杂质，故在去除第二牺牲层释放悬空结构的过程中，即使上述刻蚀剂在去除了部分第二牺牲层后会与暴露出来的第一牺牲层接触，也会因刻蚀剂对第一牺牲层的刻蚀速率较低，而不会在全部去除第二牺牲层的较短时间内对第一牺牲层造成较大影响。
步骤103.2：参见图7，对第二牺牲材料层24进行平坦化处理，以使第二牺牲材料层24的上表面与第一牺牲层22的上表面平齐。剩余第二牺牲材料层24形成第二牺牲层241。
示例性的，可以通过化学机械抛光工艺，自上而下对第二牺牲材料层进行平坦化处理，去除第二牺牲材料层位于凹槽外的部分，获得仅位于凹槽内的第二牺牲层。
步骤104：参见图9，在第一牺牲层22和第二牺牲层241上形成悬空结构层26，悬空结构层26包括位于第一牺牲层22上的支撑结构261、以及位于第二牺牲层241上的悬空结构262。
示例性的，上述在第一牺牲层和第二牺牲层上形成悬空结构层可以包括：
步骤104.1：参见图8，形成覆盖第一牺牲层22和第二牺牲层241的预形成层25。
在实际的应用过程中，可以根据所要制造的MEMS器件的要求设置预形成层的材质和层厚。例如：预形成层可以为多晶硅层，该多晶硅层的层厚可以为5μm。同时，可以采用外延工艺形成覆盖第一牺牲层和第二牺牲层的预形成层。
步骤104.2：参见图9，采用光刻工艺和反应离子刻蚀工艺，刻蚀预形成层25位于第二牺牲层241上的部分，获得悬空结构层26。
示例性的，可以在预形成层上形成一层光刻胶。接着根据所要制造的MEMS器件所具有的悬空结构的形状和规格，对光刻胶进行曝光和显影，形成光刻胶图形。然后在光刻胶图形的掩膜作用下，对预形成层位于第二牺牲层上的部分进行刻蚀，获得悬空结构层。
步骤105：参见图10，去除第二牺牲层241，释放悬空结构262。
在实际应用场景中，当第二牺牲层为二氧化硅层时，可以采用气相HF释放蚀刻工艺去除第二牺牲层，释放悬空结构。
本发明实施例提供的MEMS器件的制造方法中，在第二牺牲层上形成悬空结构后，在去除第二牺牲层的过程中，刻蚀剂不仅可以对第二牺牲层的表面进行刻蚀，还可以通过第二牺牲层所具有的空隙进入到第二牺牲层的内部，加快第二牺牲层的刻蚀速率。同理，因第一牺牲层的结构更为致密，刻蚀剂对第一牺牲层的刻蚀速率较低。在此情况下，因第二牺牲层的抗蚀性比第一牺牲层的抗蚀性低，故刻蚀剂可以按照预设方案快速去除暴露在悬空结构下方的第二牺牲层，而不会对支撑结构覆盖的第一牺牲层造成较大影响，使得位于悬空结构下方的刻蚀图形的尺寸精度得以提高，从而可以提升MEMS器件的品质。
本发明实施例还提供了一种MEMS器件，该MEMS器件具有悬空结构，该MEMS器件采用上述实施例提供的MEMS器件的制造方法制造形成。
与现有技术相比，本发明实施例提供的MEMS器件的有益效果与上述实施例提供的MEMS器件的制造方法的有益效果相同，此处不再赘述。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (8)
1.一种MEMS器件的制造方法，其特征在于，应用于制造具有悬空结构的MEMS器件，所述MEMS器件的制造方法包括：
提供一基底，所述基底上形成有第一牺牲层；
去除所述第一牺牲层位于预定区域内的部分，形成凹槽；所述预定区域为所述悬空结构与所述基底之间的区域；
在所述凹槽内形成第二牺牲层，所述第二牺牲层的上表面与所述第一牺牲层的上表面平齐，所述第二牺牲层的致密性低于所述第一牺牲层的致密性；所述第一牺牲层和所述第二牺牲层均为二氧化硅层；所述第二牺牲层为掺杂有磷的二氧化硅层；
在所述第一牺牲层和所述第二牺牲层上形成悬空结构层，所述悬空结构层包括位于所述第一牺牲层上的支撑结构、以及位于所述第二牺牲层上的悬空结构；
去除所述第二牺牲层，释放所述悬空结构。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述基底为硅衬底；
采用热生长工艺或淀积工艺在所述基底上形成所述第一牺牲层。
3.根据权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，采用气相HF释放蚀刻工艺去除所述第二牺牲层，释放所述悬空结构。
4.根据权利要求1～3任一项所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，采用光刻工艺和反应离子刻蚀工艺，去除所述第一牺牲层位于预定区域内的部分，形成所述凹槽。
5.根据权利要求1～3任一项所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述在所述凹槽内形成第二牺牲层，包括：
形成覆盖所述第一牺牲层和所述凹槽的第二牺牲材料层，所述第二牺牲材料层的层厚大于所述凹槽的深度；
对所述第二牺牲材料层进行平坦化处理，以使所述第二牺牲材料层的上表面与所述第一牺牲层的上表面平齐，剩余所述第二牺牲材料层形成所述第二牺牲层。
6.根据权利要求1～3任一项所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述在所述第一牺牲层和所述第二牺牲层上形成悬空结构层，包括：
形成覆盖所述第一牺牲层和所述第二牺牲层的预形成层；
采用光刻工艺和反应离子刻蚀工艺，刻蚀所述预形成层位于所述第二牺牲层上的部分，获得所述悬空结构层。
7.根据权利要求6所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述预形成层为多晶硅层；
采用外延工艺形成覆盖所述第一牺牲层和所述第二牺牲层的所述预形成层。
8.一种MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件具有悬空结构，所述MEMS器件采用如权利要求1～7任一项所述的MEMS器件的制造方法制造形成。
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