CN113277466A - 一种小角度斜坡结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种小角度斜坡结构及其制作方法。该方法通过刻蚀待处理基底结构，在待处理基底结构内形成至少一个凹槽，在至少一个凹槽内填充牺牲材料，使至少一个凹槽的表面与待处理基底结构的表面齐平，在待处理基底结构的表面沉积第一薄膜层，刻蚀第一薄膜层，在第一薄膜层上形成开窗，开窗在待处理基底结构的表面的垂直投影位于牺牲材料在待处理基底结构的表面的垂直投影中，通过开窗释放凹槽内填充的牺牲材料，形成与凹槽对应的空腔，在第一薄膜层上沉积第二薄膜层，并填充开窗，形成具有密闭空腔的平面结构，利用气压差挤压平面结构至变形并形成斜坡，实现了可控的小角度斜坡结构，提高斜坡结构的稳定性和生产效率。

Description

一种小角度斜坡结构及其制作方法
技术领域
本发明实施例涉及微机电系统的技术领域，尤其涉及一种小角度斜坡结构及其制作方法。
背景技术
微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术，它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统，它使用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、驱动器等。
在微机电系统领域，很多微机电结构不仅仅是在平面进行制作，更多的设计到垂直体结构的制作。目前大部分垂直体结构的制作工艺主要依靠蚀刻，传统的刻蚀工艺中干法刻蚀工艺垂直度很高，但无法做出各种小角度的图形坡度等，湿法蚀刻工艺各项同性腐蚀的腐蚀界面更加无法控制，一般都会出现不稳定的角度，且表面粗糙，无法进行量产，湿法刻蚀工艺各项异性的腐蚀工艺可以做出稳定角度的腐蚀斜坡等结构，但腐蚀斜坡与腐蚀材料紧密相关，需要借助各种材料，成本较高，并且角度不可控。
发明内容
本发明实施例提供一种小角度斜坡结构及其制作方法，实现可控的小角度斜坡结构，提高生产效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种小角度斜坡结构的制作方法，包括：
刻蚀待处理基底结构，在所述待处理基底结构内形成至少一个凹槽；
在至少一个所述凹槽内填充牺牲材料，使至少一个所述凹槽的表面与所述待处理基底结构的表面齐平；
在所述待处理基底结构的表面沉积第一薄膜层；
刻蚀所述第一薄膜层，在所述第一薄膜层上形成开窗，所述开窗在所述待处理基底结构的表面的垂直投影位于所述牺牲材料在所述待处理基底结构的表面的垂直投影中；
通过所述开窗释放所述凹槽内填充的牺牲材料，形成与所述凹槽对应的空腔；
在所述第一薄膜层上沉积第二薄膜层，并填充所述开窗，形成具有密闭空腔的平面结构；
利用气压差挤压所述平面结构至变形并形成斜坡。
可选地，在所述第一薄膜层上沉积第二薄膜层，并填充开窗，形成具有密闭空腔的平面结构，包括：
在真空环境下在所述第一薄膜层上沉积第二薄膜层，并填充所述开窗，形成具有密闭真空腔的平面结构。
可选地，利用气压差挤压所述平面结构至变形并形成斜坡，包括：
将所述平面结构置于气压室中并施加设定压强的气压，以使密闭空腔内外形成气压差并产生挤压力，直至所述平面结构变形并形成斜坡。
可选地，所述第一薄膜层的厚度范围在0.5-5μm之间，所述第二薄膜层的厚度范围在1-5μm之间。
可选地，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层的材料相同，所述第一薄膜层和/或所述第二薄膜层的材料包括绝缘材料或金属材料。
可选地，沿任意平行于所述待处理基底结构的表面的平面横截所述凹槽所获得的形状包括矩形、圆形、环形。
可选地，所述开窗包括多个贯穿所述第一薄膜层的开孔，多个所述开孔呈多行或多列排布或呈圆周排布。
可选地，所述开孔的口径小于或等于1μm。
可选地，所述开窗的位置位于所述斜坡的非底部位置。
第二方面，本发明实施例还提供了了一种小角度斜坡结构，包括基底结构以及依次层叠于所述基底结构的表面的第一薄膜层和第二薄膜层；
所述基底结构中形成有凹槽，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层覆盖所述基底结构中的凹槽并形成密闭空腔；
所述第一薄膜层上设置有上下贯穿的开窗，所述开窗在所述待处理基底结构的表面的垂直投影位于所述凹槽在所述基底结构的表面的垂直投影中，所述第二薄膜层填充于所述开窗中并覆盖所述第一薄膜层；
所述第一薄膜层和所述第二薄膜层位于所述凹槽所在区域的部分凹陷形成斜坡。
本发明实施例提供的一种小角度斜坡结构的制作方法，通过刻蚀待处理基底结构，在待处理基底结构内形成至少一个凹槽，在至少一个凹槽内填充牺牲材料，使至少一个凹槽的表面与待处理基底结构的表面齐平，在待处理基底结构的表面沉积第一薄膜层，刻蚀第一薄膜层，在第一薄膜层上形成开窗，开窗在待处理基底结构的表面的垂直投影位于牺牲材料在待处理基底结构的表面的垂直投影中，通过开窗释放凹槽内填充的牺牲材料，形成与凹槽对应的空腔，在第一薄膜层上沉积第二薄膜层，并填充开窗，形成具有密闭空腔的平面结构，利用气压差挤压平面结构至变形并形成斜坡，解决了现有技术中因刻蚀工艺的垂直度较高引起的不能制备可控的小角度斜坡结构，实现小角度斜坡结构的稳定性，提高生产效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的一种小角度斜坡结构的制作方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种小角度斜坡结构的制作方法的工艺流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种小角度斜坡结构的结构示意图；
图4-图6为本发明实施例提供的一种根据小角度斜坡结构的制作方法制成的半成品的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种小角度斜坡结构上开窗的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
另外还需要说明的是，为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种小角度斜坡结构及其制作方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
图1为本发明实施例提供的一种小角度斜坡结构的制作方法的流程示意图。如图1所述，该制作方法具体包括如下步骤：
S110、刻蚀待处理基底结构，在待处理基底结构内形成至少一个凹槽。
对应地，为了更清楚地说明本实施例提供的小角度斜坡结构的制作方法，利用工艺制备的流程图进一步阐述。
图2为本发明实施例提供的一种小角度斜坡结构的制作方法的工艺流程示意图。图3为本发明实施例提供的一种小角度斜坡结构的结构示意图。
参照图2的a)图，刻蚀待处理基底结构20之前，需要在该待处理基底结构20的表面进行图形化处理。例如，采用光刻掩膜工艺在待处理基底结构20的表面制作具有对准凹槽21标记的图形，待定义好凹槽21标记的图形后，去除掩膜版22。
由于本实施例提供的小角度斜坡结构可以适用于不同的传感器，因此，在对待处理基底结构的表面进行图形化处理时，需根据适用的传感器的尺寸及所需的坡度进行仿真设计后进一步采用光刻掩膜工艺定义图形。
另外，在实际应用中，待处理基底结构20中还应当包括适用于传感器的传感芯片(图中未示出)，或者，该待处理基底结构20本身即为传感芯片的半成品。传感芯片可嵌于该待处理基底结构中，除去传感芯片，待处理基底结构其他部位的材料可以为硅或硅的化合物。
参照图2的b)图，利用干法刻蚀工艺根据上述在待处理基底结构20的表面定义好的图形化进行刻蚀处理，在该待处理基底结构内形成至少形成一个凹槽21。其中，利用干法刻蚀工艺进行刻蚀时，是根据待处理基底结构的表面定义好的图形进行竖直刻蚀，可以很好地控制侧壁剖面，形成的凹槽21的内壁也是竖直的。在其他一些实施例中，也可以将待处理基底结构置于强碱KOH溶液中，由于待处理基底结构的材料为硅或硅的化合物，通过KOH溶液与其发生化学反应，直至完全腐蚀掉待处理基底结构的表面定义好的图形处的结构，最终形成至少一个凹槽21，利于KOH溶液进行刻蚀时，根据发生的化学反应控制溶液的配比以形成刻蚀所需的形状，利用这一特点，在传感器中需要斜坡结构时，利用KOH溶液刻蚀即可得到凹槽21内壁为斜坡状的结构。
S120、在至少一个凹槽内填充牺牲材料，使至少一个凹槽的表面与待处理基底结构的表面齐平。
其中，牺牲层材料可以采用二氧化硅或聚酰亚胺，其生长方法可以采用等离子增强的化学气相沉积方法或是旋转涂覆法来填充凹槽。
较佳地，在本实施例中，牺牲层材料可以是采用化学气相沉积方法沉积的二氧化硅。紧接着，参照图2的c)图，在至少一个凹槽21内填充牺牲材料后利用平坦化工艺将待处理基底结构20的表面与所有凹槽21的表面保持平整状态，此时，形成的至少一个凹槽21内由牺牲层材料填满。
需要说明的是，本实施例中，平坦化工艺可以是传统的热流法、淀积法、回蚀法等方法中的一种，此处不做限定。
S130、在待处理基底结构的表面沉积第一薄膜层。
具体地，在对待处理基底结构和至少一个凹槽进行平坦化工艺处理后，参照图2的d)图，在平整的待处理基底结构20表面利用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)方法沉积一层薄膜，形成第一薄膜层23。
其中，PVD沉积方法是一种利用物理过程实现将物质转移到基底表面上的过程，其具备强度高、耐磨性及散热性强的特殊性能，在实际应用时，PVD沉积通常采用溅射、真空蒸发、离子镀等方法实现薄膜的沉积。
S140、刻蚀第一薄膜层，在第一薄膜层上形成开窗，开窗在待处理基底结构的表面的垂直投影位于牺牲材料在待处理基底结构的表面的垂直投影中。
其中，在刻蚀第一薄膜层之前，需要在第一薄膜层的表面进行图形化处理定义开窗的位置及尺寸，与上述步骤中采用同样的图形化处理工艺，在第一薄膜层的表面制作具有对准开窗标记的图形，参照图2的e)图，在定义好开窗图形后利用刻蚀工艺对定义好图形的开窗24进行刻蚀。
由于本实施例中的开窗24用于释放上述步骤中填充的牺牲材料及向凹槽21内填充真空，在第一薄膜层的表面定义开窗的位置时，需确保开窗24在第一薄膜层23表面时，其在待处理基底结构20的垂直投影位于牺牲材料在待处理基底结构20的表面的垂直投影中，以确保每一个凹槽21内填充的牺牲材料的正上方都设有开窗24，便于牺牲材料的释放，缩短释放路径。
S150、通过开窗释放凹槽内填充的牺牲材料，形成与凹槽对应的空腔。
具体地，参照图2的f)，进行释放工艺，去除每一个凹槽21内的牺牲材料，在待处理基底结构20内形成空腔的凹槽。
示例性地，在进行释放工艺时，可通过湿法蚀刻进行释放，将含有牺牲材料的待处理基底结构20置于强碱KOH溶液中，使KOH溶液与以二氧化硅为材料的牺牲材料发生反应，并且从开窗24中进行释放，实现去除全部的牺牲材料，最终形成空腔结构。
S160、在第一薄膜层上沉积第二薄膜层，并填充开窗，形成具有密闭空腔的平面结构。
具体地，参照图2的g)图，采用上述步骤中相同的PVD沉积法在第一薄膜层23表面继续沉积一层薄膜，形成第二薄膜层25，并且在沉积第二薄膜层25的同时填充开窗24，使得待处理基底结构中的至少一个腔体凹槽21内形成密闭的真空腔体。
可选地，在第一薄膜层23上沉积第二薄膜层25，并填充开窗24，形成具有密闭空腔的平面结构，包括：在真空环境下在第一薄膜层23上沉积第二薄膜层25，并填充开窗24，形成具有密闭真空腔的平面结构。
由于本实施例提供的小角度斜坡结构制备完成后需要在该结构表面形成斜坡，利用外界大气环境与凹槽24中的真空腔体的气压差即可实现。在释放出牺牲材料后，在第一薄膜层23上沉积第二薄膜层25的同时需要将开窗24进行填充，在真空环境下进行填充有利于腔体内尽可能多的填充真空，使凹槽24形成密闭的真空腔体。
需要说明的是，第一薄膜层23和第二薄膜层25的制备工艺相同，且两层薄膜层的厚度相同，便于采用相同的沉积工艺制备，减少制备流程。
S170、利用气压差挤压平面结构至变形并形成斜坡。
具体地，参照图2的h)图，将上述步骤制备得到的结构放置在大气环境中，由于外界的大气环境与待处理基底结构20中的真空腔体存在压力差，利用该压力差对第二薄膜层25和第一薄膜层23进行挤压时，使得两层薄膜沿垂直方向凹陷，呈现较小角度的斜坡状，以此得到本实施例所需的小角度斜坡结构。
可选地，利用气压差挤压平面结构至变形并形成斜坡，包括：将平面结构置于气压室中并施加设定压强的气压，以使密闭空腔内外形成气压差并产生挤压力，直至平面结构变形并形成斜坡。
需要说明的是，由于一些传感器需要特定的斜坡结构，将上述步骤制备得到的结构放置在大气环境中产生的压力差不足以使得两层薄膜发生形变并产生斜坡时，可将平面结构置于气压室中并施加设定压强的气压，使得密闭空腔内外形成气压差并产生挤压力，直至平面结构变形并形成斜坡，该方法可作为本实施例的一个可选方案，并不是限定方案。
依据上述工艺制备的流程，即可得到本实施例提供的小角度斜坡结构，其具体结构示意图可参照图3。
本实施例提供的小角度斜坡结构的制作方法，通过刻蚀待处理基底结构，在待处理基底结构内形成至少一个凹槽，在至少一个凹槽内填充牺牲材料，使至少一个凹槽的表面与待处理基底结构的表面齐平，在待处理基底结构的表面沉积第一薄膜层，刻蚀第一薄膜层，在第一薄膜层上形成开窗，开窗在待处理基底结构的表面的垂直投影位于牺牲材料在待处理基底结构的表面的垂直投影中，通过开窗释放凹槽内填充的牺牲材料，形成与凹槽对应的空腔，在第一薄膜层上沉积第二薄膜层，并填充开窗，形成具有密闭空腔的平面结构，利用气压差挤压平面结构至变形并形成斜坡，解决了现有技术中因刻蚀工艺的垂直度较高引起的不能制备可控的小角度斜坡结构，实现小角度斜坡结构的稳定性，提高生产效率。
可选地，第一薄膜层23的厚度范围在0.5-5μm之间，第二薄膜层25的厚度范围在1-5μm之间。
其中，由于将制备好的结构放置在大气环境或气压室中时，外界的大气环境与真空腔体中的真空存在压力差，利用该压力差对第二薄膜层25和第一薄膜层23进行挤压时，使得两层薄膜发生形变，并且出现斜坡现象，该斜坡的厚度主要由两层薄膜层的厚度来控制。
需要说明的是，第二薄膜层的厚度还与上述实施例中提供的开窗紧密关联，第二薄膜层的最小厚度需保证要大于开窗的半径。
可选地，第一薄膜层23和第二薄膜层25的材料相同，第一薄膜层23和/或第二薄膜层25的材料包括绝缘材料或金属材料。
其中，第一薄膜层23和第二薄膜层25的材料相同时，常用的绝缘材料有Si，SiO2，SiN等，常用的金属材料有Al，97％Al-3％Ti合金，Ti，TiW等金属，由于不同的材料具有不同的固有的刚度，在选用绝缘材料或金属材料作为薄膜层的材料时，主要依据传感器中结构上角度的需求。
需要说明的是，由于不同传感器中结构表面的角度斜坡的需求不同，第一薄膜层23和第二薄膜层25的材料也可以不同。例如，结构表面不需要导电时，第二薄膜层25的材料必须选用绝缘材料，若结构表面需要导电，第二薄膜层25的材料可以先用金属材料作为引线，在制备过程中，优先选好材料，有利于控制斜坡角度。
可选地，图4-图6为本发明实施例提供的一种根据小角度斜坡结构的制作方法制成的半成品的示意图。沿任意平行于待处理基底结构20的表面的平面横截凹槽24所获得的形状包括矩形、圆形、环形。
其中，图4为沿任意平行于待处理基底结构20的表面的平面横截凹槽24所获得的形状为矩形的示意图，图5为沿任意平行于待处理基底结构20的表面的平面横截凹槽24所获得的形状为圆形的示意图，图6为沿任意平行于待处理基底结构20的表面的平面横截凹槽24所获得的形状为环形的示意图。其中，待处理基底结构20的表面的平面横截凹槽24所获得的形状由合理的仿真设计得到，并在该待处理基底结构的表面进行的图形化处理。
需要说明的是，本实施例提供的小角度斜坡结构的半成品是对应上述实施例中小角度斜坡结构的制作方法中的步骤S110得到的。
示例性的，当待处理基底结构的表面的平面横截凹槽所获得的形状为矩形时，刻蚀后所得到的每两个凹槽中间由挡墙隔开，该挡墙的材料为待处理基底结构的材料。每两个矩形凹槽的间隔相等，并且挡墙结构有起到在刻蚀处理时限位作用以及形成结构后利用气压差进行挤压时的支撑作用。
可选地，图7为本发明实施例提供的一种小角度斜坡结构上开窗的示意图。如图7所示，开窗包括多个贯穿第一薄膜层的开孔26，多个开孔26呈多行或多列排布或呈圆周排布。
可选地，开孔26的口径D小于或等于1μm。
可选地，参考图2中的h)图，开窗的位置位于斜坡的非底部位置。
其中，参照图2d，刻蚀第一薄膜层后形成的开窗，该开窗贯穿第一薄膜层并且连通待处理基底结构中的凹槽，有利于直接填充及释放牺牲材料。
需要说明的是，第一薄膜层上的多个开孔的形状可以是矩形也可以是圆形，开孔的尺寸都保持在1μm以下，并且为了避免在挤压时第一薄膜层和第二薄膜层因受压发生断裂，开孔的位置应当设置在非挤压处，也就是未呈现斜坡的位置。
本发明实施例还提供了一种小角度斜坡结构，其结构示意图可继续参考图3，,该结构300包括基底结构20以及依次层叠于基底结构20的表面的第一薄膜层23和第二薄膜层25，基底结构20中形成有凹槽21，第一薄膜层23和第二薄膜层25覆盖基底结构20中的凹槽21并形成密闭空腔，第一薄膜层23上设置有上下贯穿的开窗24，开窗24在待处理基底结构20的表面的垂直投影位于凹槽21在基底结构29的表面的垂直投影中，第二薄膜层25填充于开窗24中并覆盖第一薄膜层23，第一薄膜层23和第二薄膜层25位于凹槽21所在区域的部分凹陷形成斜坡。
其中，依据上述实施例提供的小角度斜坡结构的制备方法可得到本实施例中的小角度斜坡结构300，该结构300具备上述实施例中提供的小角度斜坡结构的相同或相应有益效果，此处不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种小角度斜坡结构的制作方法，其特征在于，包括：
刻蚀待处理基底结构，在所述待处理基底结构内形成至少一个凹槽；
在至少一个所述凹槽内填充牺牲材料，使至少一个所述凹槽的表面与所述待处理基底结构的表面齐平；
在所述待处理基底结构的表面沉积第一薄膜层；
刻蚀所述第一薄膜层，在所述第一薄膜层上形成开窗，所述开窗在所述待处理基底结构的表面的垂直投影位于所述牺牲材料在所述待处理基底结构的表面的垂直投影中；
通过所述开窗释放所述凹槽内填充的牺牲材料，形成与所述凹槽对应的空腔；
在所述第一薄膜层上沉积第二薄膜层，并填充所述开窗，形成具有密闭空腔的平面结构；
利用气压差挤压所述平面结构至变形并形成斜坡。
2.根据权利要求1所述的小角度斜坡结构的制作方法，其特征在于，在所述第一薄膜层上沉积第二薄膜层，并填充开窗，形成具有密闭空腔的平面结构，包括：
在真空环境下在所述第一薄膜层上沉积第二薄膜层，并填充所述开窗，形成具有密闭真空腔的平面结构。
3.根据权利要求1所述的小角度斜坡结构的制作方法，其特征在于，利用气压差挤压所述平面结构至变形并形成斜坡，包括：
将所述平面结构置于气压室中并施加设定压强的气压，以使密闭空腔内外形成气压差并产生挤压力，直至所述平面结构变形并形成斜坡。
4.根据权利要求1所述的小角度斜坡结构的制作方法，其特征在于，所述第一薄膜层的厚度范围在0.5-5μm之间，所述第二薄膜层的厚度范围在1-5μm之间。
5.根据权利要求1所述的小角度斜坡结构的制作方法，其特征在于，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层的材料相同，所述第一薄膜层和/或所述第二薄膜层的材料包括绝缘材料或金属材料。
6.根据权利要求1所述的小角度斜坡结构的制作方法，其特征在于，沿任意平行于所述待处理基底结构的表面的平面横截所述凹槽所获得的形状包括矩形、圆形、环形。
7.根据权利要求1所述的小角度斜坡结构的制作方法，其特征在于，所述开窗包括多个贯穿所述第一薄膜层的开孔，多个所述开孔呈多行或多列排布或呈圆周排布。
8.根据权利要求7所述的小角度斜坡结构的制作方法，其特征在于，所述开孔的口径小于或等于1μm。
9.根据权利要求1所述的小角度斜坡结构的制作方法，其特征在于，所述开窗的位置位于所述斜坡的非底部位置。
10.一种小角度斜坡结构，其特征在于，包括基底结构以及依次层叠于所述基底结构的表面的第一薄膜层和第二薄膜层；
所述基底结构中形成有凹槽，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层覆盖所述基底结构中的凹槽并形成密闭空腔；
所述第一薄膜层上设置有上下贯穿的开窗，所述开窗在所述待处理基底结构的表面的垂直投影位于所述凹槽在所述基底结构的表面的垂直投影中，所述第二薄膜层填充于所述开窗中并覆盖所述第一薄膜层；
所述第一薄膜层和所述第二薄膜层位于所述凹槽所在区域的部分凹陷形成斜坡。
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