CN113104806B - 一种mems器件复合金属牺牲层的制备方法 - Google Patents

一种mems器件复合金属牺牲层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了MEMS制造领域的一种MEMS器件复合金属牺牲层的制备方法，主要包括底部图形平坦化、多层金属复合及图形化等步骤。采用本发明的技术方案，可以实现极低间隙的牺牲层和触点制备，并且控制精度高、触点底部形貌好，从而提高MEMS器件的工艺一致性和成品率。

Description

一种MEMS器件复合金属牺牲层的制备方法
技术领域
本发明涉及MEMS器件制造领域，特别涉及一种低间距高平整度MEMS器件复合金属牺牲层制备方法。
背景技术
随着通信技术的发展，电子产品逐渐向小型化和多功能方向发展，MEMS(微电子机械系统)由于具有微型化、智能化、多功能、高集成度等一系列优点，在军事与民用领域得到广泛应用。
MEMS器件的制备过程包括通过氧化、沉积、光刻、电镀、腐蚀等工艺在基板表面形成底层薄膜图形，然后进行牺牲层的制备，再通过氧化、沉积、光刻、电镀、腐蚀等工艺在牺牲层上形成上层图形，最后通过牺牲层释放工艺去除牺牲层获得悬浮结构，完成MEMS器件中可动结构的制备。在整个MEMS器件制备流程中，牺牲层制备工艺是极其关键的一步，MEMS器件中悬浮结构的高度间距、平坦型、一致性主要受到牺牲层制备工艺的影响。目前常用的牺牲层技术由于底部金属线条的起伏，难以实现低间距的同时保证平坦型，同时对于带触点结构悬浮结构，其触点高度的一致性难以控制，最终影响MEMS器件的性能一致性和可靠性。在此背景下，本文发明了一种通过缝隙填充、异种金属材料结合的方式实现低间距、高平整度、高一致性的MEMS牺牲层制备技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种实现低间距、高平整度、高一致性的MEMS悬浮结构的复合金属牺牲层制备方法。
本发明采用的技术方案为：
一种MEMS器件复合金属牺牲层制备方法，包括以下步骤：
(1)将需要做牺牲层的MEMS基板进行金属膜层的溅射，其中溅射金属的种类与MEMS基板上底层金属的种类不同，溅射膜层厚度与MEMS基板上底层金属图形的厚度相同；
(2)在步骤(1)处理后的MEMS基板表面旋涂光刻胶，通过曝光和显影，使光刻胶覆盖悬浮结构下的非底层金属区域，其他区域的溅射膜层裸露出来；
(3)将步骤(2)处理后的MEMS基板去除裸露的步骤1溅射的金属膜层，刻蚀干净后将MEMS基板取出进行去离子水喷淋清洗，并氮气吹干，再去除MEMS基板表面的光刻胶，完成第一层牺牲层制备，实现底层金属平坦化填充层；
(4)将步骤(3)处理后的MEMS基板进行金属膜层的溅射，其中溅射金属的种类与MEMS基板上底层金属的种类不同，溅射膜层厚度为MEMS器件中触点的间隙距离；
(5)在步骤(4)处理后的MEMS基板表面旋涂光刻胶，通过曝光和显影裸露出悬浮结构锚区的金属膜层，悬浮结构区域的溅射膜层实现光刻胶覆盖；
(6)将步骤(5)处理后的MEMS基板去除裸露的步骤4溅射的金属膜层，刻蚀干净后将MEMS基板取出进行去离子水喷淋清洗，并氮气吹干，再去除MEMS基板表面的光刻胶，完成第二层牺牲层制备；
(7)将步骤(6)处理后的MEMS基板进行金属膜层的溅射，其中溅射金属种类与步骤4的金属膜层种类不同，溅射膜层厚度为悬浮结构中触点的高度；
(8)在步骤(7)处理后的MEMS基板表面旋涂光刻胶，通过曝光和显影裸露出悬浮结构锚区和触点区域的金属膜层，悬浮结构区域的溅射膜层实现光刻胶覆盖；
(9)将步骤(8)处理后的MEMS基板去除裸露的步骤7溅射的金属膜层，刻蚀干净后将MEMS基板取出进行去离子水喷淋清洗，并氮气吹干，再去除MEMS基板表面的光刻胶，完成第三层牺牲层制备；
完成MEMS器件复合金属牺牲层的制备。
其中，第一层牺牲层所用的金属是钛、是铜或铝；第二层牺牲层所用的金属是铜、镍或铝；第三层牺牲层所用的金属是钛、铬或铝。
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：
1、与通过CMP方式实现牺牲层平坦化的方式相比，采用溅射金属填充底层金属缝隙的平坦化方式，避免繁琐的机械化学抛光工序，对设备依赖度小，同时降低了CMP引入的膜层损伤隐患；
2、与光刻胶等有机类牺牲层相比，采用溅射工艺制备的金属牺牲层厚度均匀性和精度控制更高，同时对于后续工艺的温度兼容性更好，无需考虑后续工艺温度引起有机牺牲层材料变性无法释放等问题；
3、与单种类牺牲层相比，复合金属牺牲层利用溅射工艺高稳定性实现各膜层厚度精确控制，再结合不同金属的刻蚀液不同实现刻蚀自终止，精确控制刻蚀深度，可以实现极低间隙的牺牲层和触点制备，并且精度控制高、触点底部形貌好，提高了MEMS器件的工艺一致性。
4、工艺简便可靠。
附图说明
图1为本发明第一层金属牺牲层制备过程的剖面图；
图2为本发明第一层金属牺牲层结构示意图；
图3为本发明第二层金属牺牲层制备过程的剖面图；
图4为本发明两层金属复合牺牲层结构示意图；
图5为本发明第三层金属牺牲层制备过程的剖面图；
图6为本发明三层金属复合牺牲层结构示意图；
图7为本发明采用复合金属牺牲层制备的MEMS悬浮结构示意图；
图8为本发明牺牲层释放后的MEMS悬浮结构示意图；
其中，图中注释分别代表以下结构：1为MEMS器件基板，2为MEMS器件底层金属图形，3为第一层金属牺牲层，用于底层金属平坦化，4为第二层金属牺牲层，用于定义触点间距a，5为第三层金属牺牲层，用于定义触点厚度b，6为MEMS为器件的悬浮结构，7为MEMS器件悬浮结构锚区，8为MEMS器件悬浮结构触点。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明作进一步说明。
一种MEMS器件复合金属牺牲层制备方法，包括以下步骤：
1、将需要做牺牲层的MEMS基板1放入溅射台进行金属膜层301的溅射，其中溅射金属的种类与MEMS基板1上底层金属2的种类不同，溅射膜层厚度与MEMS基板1上底层金属图形2的厚度相同；
实施例中，将带有底层金属图形2的MEMS基板1放入磁控溅射台中，溅射金属膜层301，金属种类为Ti，溅射功率350W，溅射气压0.5Pa，溅射厚度0.3um。
2、在步骤1处理后的MEMS基板表面旋涂光刻胶，通过曝光和显影，使光刻胶覆盖悬浮结构下的非底层金属区域，其他区域的溅射膜层裸露出来，完成刻蚀掩膜层302的制备。
实施例中，将步骤1处理后的MEMS基板取出，使用匀胶机在MEMS基板表面旋涂光刻胶3μm～5μm，之后置于热板上进行110℃4～5min前烘处理；将前烘后的MEMS基板取出，用曝光机进行曝光；将曝光后的MEMS基板放入显影液中显影形成光刻胶结构，之后进行水洗并用氮气枪吹干；将吹干后的MEMS基板放入等离子去胶机中去除残胶；将MEMS基板取出，置于热板上进行100℃20min～30min后烘处理，完成图1所示刻蚀掩膜层302制备。
3、将步骤2处理后的MEMS基板放入刻蚀液中，腐蚀去除裸露的步骤1溅射的金属膜层，刻蚀干净后将MEMS基板取出进行去离子水喷淋清洗，氮气吹干，再用丙酮等有机溶剂去除MEMS基板表面的光刻胶，完成第一层牺牲层3制备，实现底层金属平坦化填充层；
实施例中，将步骤2处理后的MEMS基板放入等离子清洗机中处理进行表面金属活化，之后放入1.5％HF溶液中进行刻蚀，刻蚀25s～30s后取出MEMS基板用去离子水喷淋清洗10min，并用氮气枪将MEMS基板吹干；将刻蚀后的MEMS基板放入丙酮中浸泡3遍，每遍浸泡时间为4min～5min；将MEMS基板从丙酮中取出，放入乙醇溶液中浸泡3min～5min；将MEMS基板从乙醇溶液中取出，用去离子水喷淋清洗10min；用氮气枪将LTCC基板吹干，完成图2所示第一层金属牺牲层结构3的制备，实现底层金属的平坦化。
4、将步骤3处理后的MEMS基板放入溅射台进行金属膜层401的溅射，其中溅射金属的种类与MEMS基板底层金属的种类不同，溅射膜层厚度决定了MEMS器件中触点的间隙距离；
实施例中，将步骤3处理后的MEMS基板放入磁控溅射台中，溅射金属膜层401，金属种类为Cu，溅射功率100W，溅射气压0.5Pa，溅射厚度0.4um。
5、在步骤4处理后的MEMS基板表面旋涂光刻胶，通过曝光和显影裸露出悬浮结构锚区7的金属膜层，悬浮结构区域的溅射膜层实现光刻胶覆盖，完成刻蚀掩膜层402的制备；
实施例中，将步骤4处理后的MEMS基板取出，使用匀胶机在MEMS基板表面旋涂光刻胶3μm～5μm，之后置于热板上进行110℃4～5min前烘处理；将前烘后的MEMS基板取出，用曝光机进行曝光；将曝光后的MEMS基板放入显影液中显影形成光刻胶结构，之后进行水洗并用氮气枪吹干；将吹干后的MEMS基板放入等离子去胶机中去除残胶；将MEMS基板取出，置于热板上进行100℃20min～30min后烘处理，完成图3所示刻蚀刻蚀掩膜层402制备。
6、将步骤5处理后的MEMS基板放入刻蚀液中，腐蚀去除裸露的步骤4溅射的金属膜层，刻蚀干净后将MEMS基板取出进行去离子水喷淋清洗，氮气吹干，再用丙酮等有机溶剂去除MEMS基板表面的光刻胶，完成第二层牺牲层4制备；
实施例中，将步骤5处理后的MEMS基板放入等离子清洗机中处理进行表面金属活化，之后放入FeCl3和HCl混合溶液中进行刻蚀，刻蚀30s～35s后取出MEMS基板用去离子水喷淋清洗10min，并用氮气枪将MEMS基板吹干；将刻蚀后的MEMS基板放入丙酮中浸泡3遍，每遍浸泡时间为4min～5min；将MEMS基板从丙酮中取出，放入乙醇溶液中浸泡3min～5min；将MEMS基板从乙醇溶液中取出，用去离子水喷淋清洗10min；用氮气枪将LTCC基板吹干，完成图4所示第二层金属牺牲层结构4的制备，裸露出悬浮结构的锚区7。
7、将步骤6处理后的MEMS基板放入溅射台中进行金属膜层501的溅射，其中溅射金属种类与步骤4金属膜层种类不同，溅射膜层厚度决定了悬浮结构中触点的高度；
实施例中，将步骤6处理后的MEMS基板放入磁控溅射台中，溅射金属膜层501，金属种类为Ti，溅射功率350W，溅射气压0.5Pa，溅射厚度0.6um。
8、在步骤7处理后的MEMS基板表面旋涂光刻胶，通过曝光和显影裸露出悬浮结构锚区7和触点8区域的金属膜层，悬浮结构区域的溅射膜层实现光刻胶覆盖，完成刻蚀掩膜层502的制备；
实施例中，将步骤7处理后的MEMS基板取出，使用匀胶机在MEMS基板表面旋涂光刻胶3μm～5μm，之后置于热板上进行110℃4～5min前烘处理；将前烘后的MEMS基板取出，用曝光机进行曝光；将曝光后的MEMS基板放入显影液中显影形成光刻胶结构，之后进行水洗并用氮气枪吹干；将吹干后的MEMS基板放入等离子去胶机中去除残胶；将MEMS基板取出，置于热板上进行100℃20min～30min后烘处理，完成图5所示刻蚀刻蚀掩膜层502制备。
9、将步骤8处理后的MEMS基板放入刻蚀液中，腐蚀去除裸露的步骤7溅射的金属膜层，刻蚀干净后将MEMS基板取出进行去离子水喷淋清洗，氮气吹干，再用丙酮等有机溶剂去除MEMS基板表面的光刻胶，完成第三层牺牲层5制备；
实施例中，将步骤8处理后的MEMS基板放入等离子清洗机中处理进行表面金属活化，之后放入1.5％HF溶液中进行刻蚀，刻蚀50s～55s后取出MEMS基板用去离子水喷淋清洗10min，并用氮气枪将MEMS基板吹干；将刻蚀后的MEMS基板放入丙酮中浸泡3遍，每遍浸泡时间为4min～5min；将MEMS基板从丙酮中取出，放入乙醇溶液中浸泡3min～5min；将MEMS基板从乙醇溶液中取出，用去离子水喷淋清洗10min；用氮气枪将LTCC基板吹干，完成图6所示第三层金属牺牲层结构5的制备，裸露出悬浮结构的锚区7和触点8。
完成MEMS器件复合金属牺牲层制备。
其中，第一层牺牲层所用的金属是钛、是铜或铝等；第二层牺牲层所用的金属是铜、镍或铝等；第三层牺牲层所用的金属是钛、铬或铝等。
本发明牺牲层采用的是不同种类金属的复合牺牲层结构；步骤1～步骤3中溅射、刻蚀工艺实现底层金属的缝隙平坦化填充；步骤4～步骤9中利用溅射工艺制备膜层的高均匀性和高厚度精度控制特点，实现触点间距和触点高度的精确灵活控制和高度一致性。
如图7所示，为本发明采用复合金属牺牲层制备的MEMS悬浮结构示意图，6为MEMS为器件的悬浮结构；最后进行牺牲层释放，形成如图8所示的MEMS悬浮结构。

Claims (2)

1.一种MEMS器件复合金属牺牲层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将需要做牺牲层的MEMS基板进行金属膜层的溅射，其中溅射金属的种类与MEMS基板上底层金属的种类不同，溅射膜层厚度与MEMS基板上底层金属图形的厚度相同；
(2)在步骤(1)处理后的MEMS基板表面旋涂光刻胶，通过曝光和显影，使光刻胶覆盖悬浮结构下的非底层金属区域，其他区域的溅射膜层裸露出来；
(3)将步骤(2)处理后的MEMS基板去除裸露的步骤1溅射的金属膜层，刻蚀干净后将MEMS基板进行去离子水喷淋清洗，并氮气吹干，再去除MEMS基板表面的光刻胶，完成第一层牺牲层制备，实现底层金属平坦化填充层；
(4)将步骤(3)处理后的MEMS基板进行金属膜层的溅射，其中溅射金属的种类与MEMS基板上底层金属的种类不同，溅射膜层厚度为MEMS器件中触点的间隙距离；
(5)在步骤(4)处理后的MEMS基板表面旋涂光刻胶，通过曝光和显影裸露出悬浮结构锚区的金属膜层，悬浮结构区域的溅射膜层实现光刻胶覆盖；
(6)将步骤(5)处理后的MEMS基板去除裸露的步骤4溅射的金属膜层，刻蚀干净后将MEMS基板取出进行去离子水喷淋清洗，并氮气吹干，再去除MEMS基板表面的光刻胶，完成第二层牺牲层制备；
(7)将步骤(6)处理后的MEMS基板进行金属膜层的溅射，其中溅射金属种类与步骤4的金属膜层种类不同，溅射膜层厚度为悬浮结构中触点的高度；
(8)在步骤(7)处理后的MEMS基板表面旋涂光刻胶，通过曝光和显影裸露出悬浮结构锚区和触点区域的金属膜层，悬浮结构区域的溅射膜层实现光刻胶覆盖；
(9)将步骤(8)处理后的MEMS基板去除裸露的步骤7溅射的金属膜层，刻蚀干净后将MEMS基板进行去离子水喷淋清洗，并氮气吹干，再去除MEMS基板表面的光刻胶，完成第三层牺牲层制备；
完成MEMS器件复合金属牺牲层的制备。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS器件复合金属牺牲层的制备方法，其特征在于，第一层牺牲层所用的金属是钛、是铜或铝；第二层牺牲层所用的金属是铜、镍或铝；第三层牺牲层所用的金属是钛、铬或铝。
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