CN113184800A - 微机电系统器件的制造方法及微机电系统器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微机电系统器件的制造方法及微机电系统器件，方法包括：在晶圆的上表面形成图案化的光刻胶层，晶圆的材质为石英或玻璃；在图案化的光刻胶层暴露出的晶圆上表面形成种子层；在种子层上形成掩膜层；采用四氟化碳和氩气的混合气体对晶圆的上表面进行干法刻蚀，以在晶圆的上表面形成具有高深宽比的沟槽和/或槽孔形式的开口，开口之间形成的墙体构成多个微机电系统器件结构，墙体沿纵向的剖面呈倒锥形；采用湿法刻蚀去除掩膜层；将晶圆上的多个微机电系统器件结构分割成独立的微机电系统器件。实现制备的微机电系统器件具有高深宽比、高绝对深度，并且具有底部的刻蚀程度增大的侧壁形貌，改善结构器件侧壁的粗糙度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，更具体地，涉及一种微机电系统器件的制造方法及微机电系统器件。
背景技术
随着微机电系统(英文全称Micro Electro Mechanical System，简称MEMS)技术的发展，硅材料开始作为一种低成本、易加工的结构材料在微电子领域中兴起。
但作为一种功能材料，硅材料的性能还有很多方面的不足。由于半导体材料的传输损耗越小越好，品质因数Q越大越好，在新型MEMS器件——光电传输领域，很多各种各样的材料显示出比硅更好的性能。具体而言，在光波导、微波技术、传感器和生物芯片等技术领域，以氧化硅、石英和玻璃作基础材料的器件应运而生，其中玻璃材料又因其良好的微加工特性和较低廉的价格倍受青睐。
然而，目前的现有玻璃刻蚀技术所获得的高深宽玻璃微结构远远不能满足MEMS领域的需求，这就迫切地要求有适合获得高深宽微结构氧化硅、石英及玻璃材料的先进刻蚀设备和刻蚀方法的技术支持。不同于在硅片上热氧化或者PECVD生长淀积的二氧化硅，玻璃材料虽然其主要成分是二氧化硅，但还含有相当成分的B2O3、Na2O、Al2O3、K2O、CaO、ZrO2、Fe2O3、FeO、CaO等杂质成分。
玻璃刻蚀的现有技术主要分成湿法刻蚀液腐蚀和干法刻蚀，湿法刻蚀液只能实现各向同性刻蚀，无法获得高深宽比的微结构，而干法刻蚀目前的现有技术仍然存在侧壁角度不垂直、侧壁粗糙度大等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提出一种微机电系统器件的制造方法及微机电系统器件，实现制备的微机电系统器件的开口具有高深宽比、高绝对深度，并且具有底部的刻蚀程度增大的开口壁面形貌，改善结构器件壁面的粗糙度。
为实现上述目的，本发明提出了一种微机电系统器件的制造方法，包括：
针对上表面形成有图案化光刻胶层的晶圆，在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的上表面形成种子层，所述晶圆的材质为石英或玻璃；
在所述种子层上形成掩膜层；
去除所述图案化光刻胶层，以暴露出所述晶圆的上表面需要被刻蚀的区域；
采用四氟化碳和氩气的混合气体对所述晶圆的上表面需要被刻蚀的区域进行干法刻蚀，在所述晶圆的上表面形成沟槽和/或槽孔形式的开口，所述开口之间形成的墙体构成多个所述微机电系统器件，所述墙体沿纵向的剖面呈倒锥形；
通过湿法刻蚀去除所述掩膜层。
可选地，在所述采用湿法刻蚀去除所述掩膜层之后，还包括：
通过背面减薄或机械切割将互相连接的多个所述微机电系统器件分割成独立的微机电系统器件。
可选地，所述干法刻蚀的工艺参数包括：
腔压范围：1～30mTorr；
上电极功率范围：600～3000W；
下电极功率范围：50～500W；
基座冷却液温度范围：-15～10℃；
所述氩气的流量范围：10～100sccm；
所述四氟化碳的流量范围：10～100sccm。
可选地，所述在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的上表面形成种子层包括：
通过磁控溅射或热蒸镀在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的上表面形成所述种子层。
可选地，所述种子层包括第一金属层和位于所述第一金属层上的第二金属层，所述第一金属层的材质为铬，所述第二金属层的材质为金，所述第一金属层的厚度为1～10nm，所述第二金属层的厚度为10～100nm。
可选地，所述磁控溅射的工艺参数包括：
腔压范围：10～100mTorr；
上电极功率范围：750～3000W；
下电极功率范围：5～500W；
氩气流量范围：50～500sccm；
所述热蒸镀的工艺参数包括：
腔压范围：5×10-5～5×10-4Pa；
电流范围：1～20mA。
可选地，所述在所述种子层上形成掩膜层，包括：
通过电镀工艺在所述种子层上形成所述掩膜层。
可选地，所述掩膜层的材质为镍，所述掩膜层的厚度为5～15μm。
可选地，所述电镀工艺的参数包括：
电压范围：1～30V；
电流范围：1～100mA/cm2。
本发明还提出一种微机电系统器件，所述微机电系统器件采用以上所述的微机电系统器件的制造方法制造而成。
本发明的有益效果在于：
本发明采用四氟化碳和氩气的混合气体替代传统的C4F8作为刻蚀气体，由于四氟化碳相较于C4F8能够在刻蚀过程中减轻侧壁保护作用，因此通过干法刻蚀过程中能够形成具有高深宽比的开口，并且能够加大开口底部的刻蚀宽度，改善开口底部以及侧壁的光滑度，克服由于底部刻蚀不足导致的底部长草现象，并使得形成的微机电系统器件结构中的墙体沿纵向的剖面呈倒锥形，获得具有倒锥形墙体的器件结构，提高微机电系统功能器件的性能。
本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明实施例的一种微机电系统器件的制造方法的步骤图。
图2示出了根据本发明实施例的一种微机电系统器件的制造方法制造的微机电系统器件的开口及墙体结构的示意图。
图3示出了应用示例1中采用本发明的微机电系统器件的制造方法制备的方形结构玻璃器件的SEM表征图。
图4示出了应用示例1中采用本发明的微机电系统器件的制造方法制备的方形结构玻璃器件的EXD表征图。
图5示出了应用示例2中采用本发明的微机电系统器件的制造方法制备的圆形结构石英器件的SEM表征图。
图6示出了应用示例2中采用本发明的微机电系统器件的制造方法制备的圆形结构石英器件的EXD表征图。
图7和图8分别示出了采用本发明的微机电系统器件的制造方法在进行干法刻蚀前后器件表面的粗糙度的显微图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本发明的一种微机电系统器件的制造方法的步骤图。
如图1所示，一种微机电系统器件的制造方法，包括：
步骤S101：针对上表面形成有图案化光刻胶层的晶圆，在图案化光刻胶层暴露出的晶圆的上表面形成种子层，晶圆的材质为石英或玻璃；
在一个具体应用场景中，可以首先将采购的石英或者玻璃原料在高温下熔融，然后浇铸在一个具有晶圆形状的模具内冷却成型，获得石英或者玻璃晶圆。然后根据器件的设计需要制作相应的光刻掩膜板，在石英或者玻璃晶圆上旋涂光刻胶，曝光、显影，在晶圆上获得图案化光刻胶层。
然后，可以利用磁控溅射制备种子层，也可以采用热蒸镀制备种子层，以利于下一步电镀制备掩膜层。制备种子层的目的是使晶圆表面导电，以便进行后续的电镀工艺。种子层与图案化的光刻胶在同一平面互补。
优选地，种子层包括第一金属层和位于第一金属层上的第二金属层，第一金属层的材质为铬或钛，第二金属层的材质为金，第一层的厚度为1～10nm，第二层的厚度为10～100nm。其中，采用铬或钛金属形成第一金属层能够增加种子层与晶圆硅表面的粘附力，使形成的种子层不容易脱落，再采用金形成第二金属层能够在后续电镀形成掩膜层的过程中防止种子层被氧化，避免影响晶圆表面导电性，保证电镀形成掩膜层的效果。
在一个示例中，磁控溅射的工艺参数包括：
腔压范围：10～100mTorr；
上电极功率范围：750～3000W；
下电极功率范围：5～500W；
氩气流量范围：50～500sccm。
热蒸镀的工艺参数包括：
腔压范围：5×10-5～5×10-4Pa；
电流范围：1～20mA。
步骤S102：在种子层上形成掩膜层；
在上述具体应用场景中，可以继续通过电镀工艺在种子层上形成掩膜层，掩膜层的材质可以为镍，掩膜层的厚度为5～15μm。
在一个示例中，电镀工艺的参数包括：
电压范围：1～30V；
电流范围：1～100mA/cm2。
电镀镍的具体步骤如下：
将晶圆放入电镀液中(如电镀镍时电镀液采用硫酸镍)，晶圆背面连接电镀阴极，电解液中插入由待电镀金属组成的电镀阳极(如电镀镍时采用镍棒)，在电镀池的阴极和阳极之间引入直流电，电压大于待电镀金属的氧化还原电势(如电镀镍时，电压范围1～30V，优选5V，电流范围1～100mA/cm2,优选75mA/cm2)。
在其他实施方式中，若不采用电镀工艺，也可以直接采用磁控溅射获得相应厚度的金属掩模层，但磁控溅射的镀膜速率会慢于电镀。
步骤S103：去除图案化光刻胶层，以暴露出晶圆的上表面需要被刻蚀的区域；
在上述具体应用场景中，可以采用丙酮药液浸泡的方法使图案化光刻胶层从晶圆表面剥离，同时光刻胶层上经过磁控溅射和电镀步骤附着的金属也一并被去除，光刻胶层被去除后暴露出晶圆上表面需要被刻蚀的区域。
步骤S104：采用四氟化碳和氩气的混合气体对晶圆的上表面需要被刻蚀的区域进行干法刻蚀，以在晶圆的上表面形成沟槽和/或槽孔形式的开口，开口之间形成的墙体构成多个微机电系统器件，墙体沿纵向的剖面呈倒锥形；
在上述具体应用场景中，在电镀掩膜层之后，可以采用干法刻蚀对玻璃或者石英晶圆进行刻蚀加工，得到的墙体结构呈如图2所示的倒锥形结构，其中刻蚀气体配方采用四氟化碳(CF4)和氩气的混合气体。在现有技术中，单纯使用C4F8作刻蚀气体无法侧壁角度垂直的器件，原因在于C4F8不仅可以用作刻蚀气体，C4F8也有形成碳氟聚合物保护侧壁阻止刻蚀的作用，因此只能获得正锥形结构。而本方案采用四氟化碳和氩气的混合气体，由于四氟化碳相较于C4F8能够在刻蚀过程中减少碳氟聚合物的产生，从而减轻侧壁保护作用，因此在干法刻蚀过程中能够形成具有高深宽比的开口，并且能够加大开口底部的刻蚀宽度，改善开口底部以及侧壁的光滑度，克服由于底部刻蚀不足导致的底部长草现象，并使得形成的微机电系统器件结构中的墙体沿纵向的剖面呈倒锥形，获得一种高深宽比、高绝对深度、倒锥形侧壁角度和侧壁光滑的微结构器件，该倒锥形结构的墙体更适用于光电功能器件。
在一个示例中，干法刻蚀的工艺参数包括：
腔压范围：1～30mTorr；
上电极功率范围：600～3000W；
下电极功率范围：50～500W
基座冷却液温度范围：-15～10℃；
氩气的流量范围：10～100sccm；
四氟化碳的流量范围：10～100sccm。
步骤S105：通过湿法刻蚀去除掩膜层；
在上述具体应用场景中，可以利用酸性腐蚀液腐蚀掉金属掩膜层。
步骤S106：通过背面减薄或机械切割将互相连接的多个微机电系统器件结构分割成独立的微机电系统器件。
在一个具体应用场景中，可以采用化学机械抛光进行背面减薄或机械切割方法将晶圆上互相连接的多个微机电系统器件结构分割成独立的微机电系统器件。
本发明方法获得倒锥形墙体结构的目的是加大底部的刻蚀，提高侧壁的光滑程度(现有技术中，正锥形结构的侧壁粗糙度极大，不适用于光电功能器件)。其提高侧壁光滑度的机理与消除底部长草类似，当底部刻蚀不足时会出现长草现象，即底部粗糙，而当刻蚀程度加大以后，长草现象消除，粗糙度得到改善。采用C4F8作刻蚀气体，由于C4F8也有形成碳氟聚合物保护侧壁阻止刻蚀的作用，所以只能获得正锥形结构。而本发明的刻蚀配方采用四氟化碳和氩气的混合气体，减轻了侧壁保护，从而得到具有倒锥形墙体的器件结构。从而可以获得底部刻蚀程度增大的侧壁形貌，改善侧壁粗糙度。
本发明方案不受具体图案种类的限制，既可以是直角转弯的形状，也可以是圆弧形的。下面以具体的应用示例对本发明的微机电系统器件的制造方法做进一步的说明。
应用示例1：制备方形结构器件
首先将采购的玻璃原料在高温下熔融，如温度达到1750摄氏度以上，然后浇铸在一个具有晶圆形状的模具内冷却成型，获得玻璃晶圆。然后根据方形结构器件设计制作相应的光刻掩膜板，在玻璃晶圆上旋涂光刻胶，在晶圆上获得图案化的光刻胶。
其中，光刻可采用接触式光刻机，曝光时间优选6秒，取值范围3～20s，显影时间优选75s，取值范围45～120s，定影时间优选120s，取值范围60～300s。下一步，利用磁控溅射制备种子层，所用配方(优选值)如表1所示，以利于下一步电镀制备掩膜层。
表1磁控溅射工艺配方
其中，腔压范围10～100mTorr，上电极功率范围750～3000W，下电极功率范围5～500W，氩气流量范围50～500sccm。然后电镀Ni掩膜层，厚度范围5～15μm，优选10μm。采用丙酮药液去除光刻胶层，之后，采用干法刻蚀对玻璃或者石英晶圆进行刻蚀加工，其中刻蚀气体配方采用四氟化碳和氩气的混合气体，工艺配方优选值如表2所示。
表2干法刻蚀工艺配方-1
其中，腔压范围1～30mTorr，上电极功率范围600～3000W，下电极功率范围50～500W，氩气流量范围10～100sccm，CF4流量范围10～100sccm，基座冷却液温度范围-15～10℃。酸性湿法腐蚀液腐蚀掉金属掩膜，时间1～50min，优选10min。最后，采用CMP将晶圆上的器件分割成独立的器件，抛光液流量50～500mL/min，优选200mL/min，研磨头施加到晶圆上的压力50～500mL/min，优选50g/cm2，转速5～50rpm，优选10rpm。所获得的器件表征如图3所示。
如图4所示，X射线能量色散(EDX)表征显示其除了SiO2这一主要成分以外，还含有少量Zn和Mg等元素。(C是电镜中有机物碳化的背景噪声，F是干法刻蚀的残留，Al是测试夹具的材料，Au是SEM表征前溅射的用于提高导电性)。
应用示例2：制备圆形结构器件
首先将采购的石英原料在高温下熔融，如温度达到1750摄氏度以上，然后浇铸在一个具有晶圆形状的模具内冷却成型，获得石英晶圆。然后根据圆形结构器件设计制作相应的光刻掩膜板，在石英晶圆上旋涂光刻胶，在晶圆上获得图案化的光刻胶。光刻可采用接触式光刻机，曝光时间优选6秒，取值范围3～20s，显影时间优选75s，取值范围45～120s，定影时间优选120s，取值范围60～300s。下一步，利用热蒸镀制备种子层，腔压范围5×10-5～5×10-4Pa，优选1×10-4Pa，电流范围1～20mA，优选5mA，先镀一层Cr，厚度范围1～10nm，优选5nm，再镀一层金，厚度范围10～100nm，优选50nm。然后电镀Ni掩膜层，厚度范围5～15μm，优选10μm。采用丙酮药液去除光刻胶层，之后，采用干法刻蚀对玻璃或者石英晶圆进行刻蚀加工，其中刻蚀气体配方采用四氟化碳和氩气的混合气体，工艺配方优选值如表3所示。
表3干法刻蚀工艺配方-2
其中，腔压范围1～30mTorr，上电极功率范围600～3000W，下电极功率范围50～500W，氩气流量范围10～100sccm，CF4流量范围10～100sccm，基座冷却液温度范围-15～10℃。酸性湿法腐蚀液腐蚀掉金属掩膜，时间1～50min，优选10min。最后，采用机械切割的方式将晶圆上的器件分割成独立的器件，所获得的器件表征如图5所示。
如图6所示，EDX表征显示其除了SiO2这一主要成分以外，不含其它杂质元素。(C是电镜中有机物碳化的背景噪声)。
进一步地，如图7和图8所示，用原子力显微镜(AFM)表征干法刻蚀前后的粗糙度，可以看出采用本发明方法所得器件的粗糙度得到了很好的控制。
本发明实施例还提出一种微机电系统器件，微机电系统器件采用以上任一实施例的微机电系统器件的制造方法制造而成。
该微机电系统器件为具有高深宽比、高绝对深度、高垂直度的微结构玻璃器件或石英器件，器件结构具有上大下小的倒锥形的墙体侧壁形貌，且墙体的侧壁及底面光滑，具有更好的光电功能，能够更好的满足MEMS领域的需求。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种微机电系统器件的制造方法，其特征在于，包括：
针对上表面形成有图案化光刻胶层的晶圆，在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的上表面形成种子层，所述晶圆的材质为石英或玻璃；
在所述种子层上形成掩膜层；
去除所述图案化光刻胶层，以暴露出所述晶圆的上表面需要被刻蚀的区域；
采用四氟化碳和氩气的混合气体对所述晶圆的上表面需要被刻蚀的区域进行干法刻蚀，在所述晶圆的上表面形成沟槽和/或槽孔形式的开口，所述开口之间形成的墙体构成多个所述微机电系统器件，所述墙体沿纵向的剖面呈倒锥形；
通过湿法刻蚀去除所述掩膜层。
2.根据权利要求1所述的微机电系统器件的制造方法，其特征在于，在所述采用湿法刻蚀去除所述掩膜层之后，还包括：
通过背面减薄或机械切割将互相连接的多个所述微机电系统器件分割成独立的微机电系统器件。
3.根据权利要求1所述的微机电系统器件的制造方法，其特征在于，所述干法刻蚀的工艺参数包括：
腔压范围：1～30mTorr；
上电极功率范围：600～3000W；
下电极功率范围：50～500W；
基座冷却液温度范围：-15～10℃；
所述氩气的流量范围：10～100sccm；
所述四氟化碳的流量范围：10～100sccm。
4.根据权利要求1所述的微机电系统器件的制造方法，其特征在于，所述在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的上表面形成种子层包括：
通过磁控溅射或热蒸镀在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的上表面形成所述种子层。
5.根据权利要求4所述的微机电系统器件的制造方法，其特征在于，所述种子层包括第一金属层和位于所述第一金属层上的第二金属层，所述第一金属层的材质为铬或钛，所述第二金属层的材质为金，所述第一金属层的厚度为1～10nm，所述第二金属层的厚度为10～100nm。
6.根据权利要求4所述的微机电系统器件的制造方法，其特征在于，所述磁控溅射的工艺参数包括：
腔压范围：10～100mTorr；
上电极功率范围：750～3000W；
下电极功率范围：5～500W；
氩气流量范围：50～500sccm；
所述热蒸镀的工艺参数包括：
腔压范围：5×10-5～5×10-4Pa；
电流范围：1～20mA。
7.根据权利要求1所述的微机电系统器件的制造方法，其特征在于，所述在所述种子层上形成掩膜层，包括：
通过电镀工艺在所述种子层上形成所述掩膜层。
8.根据权利要求7所述的微机电系统器件的制造方法，其特征在于，所述掩膜层的材质为镍，所述掩膜层的厚度为5～15μm。
9.根据权利要求7所述的微机电系统器件的制造方法，其特征在于，所述电镀工艺的参数包括：
电压范围：1～30V；
电流范围：1～100mA/cm2。
10.一种微机电系统器件，其特征在于，所述微机电系统器件采用权利要求1-9任意一项所述的微机电系统器件的制造方法制造而成。
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