CN114057157A - 在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法及微电子机械器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子机械系统设计及加工技术领域，具体涉及一种在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法及微电子机械器件，包括以下步骤：在衬底硅的背面生长硬掩模；对衬底硅的背面进行图案化处理；在硬掩模上形成图案；在所述衬底硅的正面涂敷SU‑8胶进行保护；使用四甲基氢氧化胺腐蚀所述衬底硅的背面；去除所述衬底硅正面涂敷的SU‑8胶。使得衬底硅的正面电路在TMAH腐蚀过程中不受侵蚀，同时还可以保证在涂敷过程中衬底硅的正面电路不受损伤，能有效的保护MEMS器件，为MEMS的发展带来更广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统设计及加工技术领域，具体涉及一种在湿法腐蚀中保护衬底硅正面的方法及微电子机械器件。
背景技术
微电子机械系统(MEMS)是近年来高速发展的一项高新技术。在制作MEMS器件时，经常要在完成所有集成电路工艺后利用四甲基氢氧化胺(TMAH)或者其他碱性溶液对MEMS器件进行各向异性腐蚀。然而，这些碱性腐蚀溶液一般都会对MEMS器件上正面电路上的Al和压电材料ZnO等材料有腐蚀作用。因此，要开发出一种能在碱性腐蚀液中有效保护易腐蚀的MEMS器件正面电路的方法。
这个问题是微机械技术研究发展的瓶颈，国内很多人正在研究这个问题。目前已经开发出几种保护方法，但都存在不同程度的问题。
传统的保护方法是在硅片正面涂上黑蜡，但这种方法并不理想。国内文献上有一种报道是利用环氧树脂和聚酰胺调配的胶体保护硅片正面结构的方法，但这种方法在腐蚀过程中会出现腐蚀大坑，造成对器件的破坏。
此外，还有使用一般的光刻胶来进行正面电路的保护，但由于一般光刻胶是可溶于TMAH的，同样的也会造成正面电路无法得到有效保护。
发明内容
为克服上述技术问题，本发明提出一种在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法及微电子机械器件，使得衬底硅的正面电路得以保护。
为了实现上述目的，本发明提供了一种在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法，包括以下步骤：
在衬底硅的背面生长硬掩模；
对衬底硅的背面进行图案化处理；
在硬掩模上形成图案；
在所述衬底硅的正面涂敷SU-8胶进行保护；
使用四甲基氢氧化胺腐蚀所述衬底硅的背面；
去除所述衬底硅正面涂敷的SU-8胶。
本发明还提供了一种由上述方法制备得到的微电子机械器件。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例中经过处理后衬底硅的SEM图；
图2为图1A处的局部放大图；
图3为本发明实施例中四甲基氢氧化胺腐蚀衬底硅过程中对硬掩模的横向腐蚀。
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”。
本发明的实施例涉及一种在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法，包括以下步骤：
S1.氧化衬底硅的背面生长SiO2、或氮化硅等作为硬掩模；该步骤采用PE-CVD(等离子体增强化学气相淀积)的方式生长氧化硅作为衬底硅腐蚀的掩蔽层。之所以不采用LP-CVD(低压化学气相淀积)的方式生长主要是由于硅片正面的器件已经做完，无法经受过高的温度；而且经过试验发现，采用PE-CVD的方式生长的薄膜质量可以满足需求，不会出现选择比太低、针孔等问题。生长源采用TEOS(正硅酸乙脂)，具体反应如下：
Si(OC2H5)4+O2→SiO2+byproducts
氧化硅的厚度可以在200nm-500nm，如果太薄有可能在腐蚀过程中无法完全掩蔽；如果太厚在硬掩模的腐蚀过程太长，可能出现光刻胶剥落的情况。S2.对衬底硅的背面进行图案化处理；该步骤需要使用双面光刻技术，完成背面图形和正面图形的对准，且对准精度需要小于1um。对准方式可以采用红外穿透的方式，在背面曝光时，用红外线直接穿透硅片来寻找正面的对准标记。具体的，该步骤需要经过表面预处理、涂胶、曝光、显影几个步骤。且由于后续需要经过湿法腐蚀，为改善光刻胶与下层硬掩模的粘附性，需要在显影后进行烘箱烘烤，烘烤温度在140度，时间为40分钟。该步骤可以防止光刻胶在湿法腐蚀过程中剥落。
其次，因为后续要进行湿法腐蚀，在完成光刻后还需要对硅片正面进行涂胶保护，该保护仅需要防止BOE腐蚀即可，因此采用常规光刻胶。
S3.使用缓冲刻蚀剂(简称BOE)湿法腐蚀在硬掩模上形成图案；
首先，该步骤选用湿法腐蚀，是为了方便后续的TMAH腐蚀硅。由于在干法腐蚀过程中会导致聚合物的产生，如果聚合物不能够彻底去除，会导致后续的衬底硅无法腐蚀下去。而使用湿法刻蚀，主要由两方面优势：1、不会产生聚合物，无需再进行聚合物清洗，不存在聚合物无法去除的风险；2、后续的去胶会比较容易，不需要进行干法去胶。
其次，腐蚀过程中要使用BOE来进行，具体温度为23度，腐蚀时间为5分钟。该步骤选用BOE是为了减少在腐蚀过程中，腐蚀液对光刻胶的钻蚀，因此不可以用DHF来腐蚀；且温度需要在23度，保证工艺的稳定性；腐蚀时间为5分钟，防止部分区域为完全刻蚀。
S4.对衬底硅进行去胶处理，该步骤要去除衬底硅正面和背面的光刻胶，使用的是湿法去胶工艺。用N-甲基吡咯烷酮(简称NMP)在90度进行浸泡去胶，该方法可以同时去除正面以及背面的光刻胶，且不会损伤正面器件的图形。
S5.对衬底硅正面需要保护的区域涂敷SU-8胶进行保护；值得一提的是，SU-8胶是一种环氧型、近紫外光光刻胶，由于平均一个分子中含有8个环氧基，所以名称中包含-8。具体的，采用旋转涂胶的方式将SU8旋涂于整个硅片上。在该步骤中，首先，为增加SU8和衬底硅的粘附性，采用HMDS对衬底硅进行疏水化处理，然后进行旋转涂胶，涂胶转速为3000rpm，旋转时间为60s。在涂胶过程中，SU8需要呈螺旋状滴在衬底硅中心位置，这样可以改善衬底硅边缘涂胶状况。另外转速也需要合理控制，转速太高会导致衬底硅边缘涂胶不均匀，形成风纹；而转速如果太低，会导致SU8无法布满整片衬底硅，这主要是由于SU8粘度太高，旋转时间为60s，如果旋转时间太短会导致光刻胶无法完全甩干。
S6.对正面涂敷SU-8胶的衬底硅进行烘干处理；涂胶后进行烘烤，烘烤温度为90度，时间为40分钟。该步骤烘烤温度不可以过高，否则会导致SU8性能改变，在腐蚀过程中不能很好的阻挡，而且不可以让SU8感光，否则交联后将会很难去除。
S7.调整温度至70-90℃使用四甲基氢氧化胺(简称TMAH)腐蚀衬底硅的背面；该步骤中，腐蚀温度需要严格控制。腐蚀温度如果小于70度，TMAH对硅的腐蚀速率将变得非常低，整个工艺时间将需要几天甚至更久。而如果腐蚀温度过高，SU8在腐蚀过程中将被溶于TMAH，无法起到阻挡的作用。
S8.调整温度至90-110℃，使用有机去胶液去除衬底硅正面涂敷的SU-8胶。其中，有机去胶液可以选自NMP或者丙酮。在该步骤中，工艺温度为90度-110度。为使SU8完全溶解，需要使用90度以上的工艺温度。
S9.待衬底硅正面涂敷的SU-8胶被溶解干净，将衬底硅用I PA清洗，然后使用氮气吹干。NMP清洗后不可以直接用水清洗，否则会使硅受到腐蚀，且由于背面已经被TMAH腐蚀出空腔，也不可以使用旋转甩干的方法来进行。
如图1-3所示，经过上述处理的衬底硅背面的腐蚀深度达到350um，且硬掩模完好。
使用上述方法处理得到的衬底硅可以用于红外测温器、滤波器(FBAR)等MEMS器件中。
值得一提的是，SU-8胶在90度下没有被TMAH腐蚀，使得衬底硅的正面电路在TMAH腐蚀过程中不受侵蚀，同时还可以保证在涂敷过程中衬底硅的正面电路不受损伤，能有效的保护MEMS器件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底硅的背面生长硬掩模；
对衬底硅的背面进行图案化处理；
在硬掩模上形成图案；
在所述衬底硅的正面涂敷SU-8胶进行保护；
使用四甲基氢氧化胺腐蚀所述衬底硅的背面；
去除所述衬底硅正面涂敷的SU-8胶。
2.根据权利要求1所述的在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法，其特征在于，
在所述衬底硅的背面形成SiO2或氮化硅作为硬掩模。
3.根据权利要求1所述的在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法，其特征在于，在使用四甲基氢氧化胺腐蚀所述衬底硅的背面之前，还包括以下步骤：
对正面涂敷SU-8胶的衬底硅进行烘干处理，烘干后并不曝光以避免SU-8胶交联。
4.根据权利要求1所述的在湿法腐蚀中保护衬底硅正面的方法，其特征在于，使用缓冲刻蚀剂湿法腐蚀硬掩模以在硬掩模上形成图案。
5.根据权利要求1所述的在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法，其特征在于，使用有机去胶液去除所述衬底硅正面涂敷的SU-8胶。
6.根据权利要求5所述的在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法，其特征在于，所述有机去胶液选自N-甲基吡咯烷酮或者丙酮。
7.根据权利要求5所述的在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法，其特征在于，去除所述衬底硅正面涂敷的SU-8胶的温度为90-110℃。
8.根据权利要求1-7任一项所述的在湿法腐蚀衬底硅中保护正面电路的方法，其特征在于，使用四甲基氢氧化胺腐蚀所述衬底硅的背面的温度为70-90℃。
9.一种微电子机械器件，其特征在于，使用如权利要求1-7任一项所述的方法制备得到。
10.根据权利要求微电子机械器件，其特征在于，所述微电子机械器件选自红外测温器以及滤波器。
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