CN115504430B - 一种mems电子器件有机介电层的低温制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS电子器件有机介电层的低温制备方法，涉及微纳加工与元器件集成技术领域，具体为选取完成器件核心微结构加工前道工序的晶圆作为衬底基片，在衬底基片上涂布一层PI薄膜；再将衬底基片置于恒温加热平板上保温一段时间；之后在光刻机中通过掩膜曝光完成图形化，再通过显影工艺去除金属电极Pad位置上方的PI薄膜；最后将衬底基片置于加热平台中进行阶梯式固化完成有机介电层的制备。一方面，旋涂工艺成膜、一次光刻实现图形化、低温可固化的制备方法，极大的简化工艺制程，降低生产成本；另一方面，有机材料可以在器件微结构及信号线存在较大坡度角位置处形成良好的包覆，有效降低介电层断裂风险的几率，从而提高电子器件的寿命。

Description

一种MEMS电子器件有机介电层的低温制备方法
技术领域
本发明属于微纳加工与元器件集成领域，具体涉及一种MEMS电子器件有机介电层的低温制备方法。
背景技术
随着集成电路行业的飞速发展，应用于不同领域的MEMS器件已经非常普遍。微机电系统（MEMS）是20世纪80年代末出现的机电微器件技术，其特殊性在于将尺寸在1μm到1mm之间的光学、电磁、热学或流体元件与微电子元件相结合，形成一个集微型机械、微型传感器、微电子等于一体的微型系统。随着物联网技术的发展，在智能手机和可穿戴式设备中MEMS传感器和制动器的广泛应用。MEMS电子器件凭借其体积小、高集成度、低能耗、生产成本低等优点具有广阔和非常可观的市场应用前景。
在MEMS电子器件的制备工艺中，器件不同层间通过刻蚀对介电层开孔实现不同层间电信号连接，从而实现不同单元之间信号传输。目前主要的层间介电材料有二氧化硅（SiO2）和氮化硅（Si3N4）等无机材料。通常，高温条件下制备得到的SiO2或Si3N4致密性好，在器件中可以起到较好的绝缘效果，但是有些电子器件（比如基于巨磁阻效应的传感器由多层磁性薄膜构成，其中自由层材料在温度高于钉扎温度时出现钉扎效应，导致电子自旋不会随着磁场大小变化而发生改变，器件失效）在高温环境中出现不可逆功能性失效。但是，低温工艺制备得到的SiO2或Si3N4层致密性差且较薄的SiO2或Si3N4层在比较陡直的微结构边缘裂纹多发，台阶覆盖性差，后续工艺中容易引发短路风险。与此同时，SiO2或Si3N4无机介电层的制备需要采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法来实现，需要借助大型设备来完成，存在工艺复杂，生产成本高等缺点。
综上，现有MEMS电子器件介电层的制备工艺存在以下问题：第一，现阶段采用低温工艺制备获得的无机介电层较薄，致密性比较差，薄膜存在一定数量针孔，导致器件在使用中可靠性变差；第二，在MEMS工艺制备电子器件时金属导电层采用Lift-off工艺实现，金属层剥离后的坡度角很陡直，几乎接近90度，采用低温工艺制备的无机介电材料在此处台阶覆盖性差，在边缘处裂纹多发，会引发器件短路风险；第三，现有工艺制备MEMS电子器件无机介电层时，需要通过反应离子束刻蚀工艺对电极接引线触孔位置处介电层进行刻蚀，刻蚀精度难以精确掌控，欠刻蚀会导致接触电阻增大而影响器件性能，过刻蚀情况下等离子对金属电极表面造成损伤同样对器件性能造成不良影响；第四，采用现有工艺制备电子器件无机介电层工艺制程复杂，其中涉及无机介电层薄膜沉积、光刻胶涂布、掩膜曝光、显影、刻蚀、去胶等步骤，这将极大地增加器件制造成本。因此，探索新型材料，并基于新型材料建立一套工艺制程简单、低制造成本的有机介电层制备方法具有重要意义。
针对现有技术存在的问题，发明人发现，聚酰亚胺（PI）是一类在化合物分子中含有酰胺功能团的有机高分子聚合物材料，其具备优异的热稳定性、电绝缘性能良好、可弯折等特点。采用感光PI材料，通过与半导体制造工艺相兼容的加工工艺获得均匀性好、厚度可控、电绝缘特性良好的PI薄膜介电层。该制备工艺具备工序简单、可重复性好、低温可加工等优点。
发明内容
本发明提供了一种MEMS电子器件有机介电层的低温制备方法，用于解决现有技术中SiO2或Si3N4无机介电层延展性差、陡直台阶爬坡位置处容易发生断裂和介电层制备温度条件限制的问题。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种MEMS电子器件有机介电层的低温制备方法，选取完成器件核心微结构加工前道工序的晶圆作为衬底基片，在衬底基片上涂布一层PI薄膜；再将衬底基片置于恒温加热平板上保温一段时间；之后在光刻机中通过掩膜曝光完成图形化，再通过显影工艺去除金属电极Pad位置上方的PI薄膜；最后将衬底基片置于加热平台中进行阶梯式固化完成有机介电层的制备。
进一步地，包括以下步骤：
步骤1：选取通过微纳加工形成器件微结构和电信号传输金属母线的衬底基片，依次通过N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、去离子水中超声清洗，去除衬底基片表面污渍；
步骤2：将衬底基片置于匀胶机真空吸盘中心，取光敏型PI胶滴于衬底基片中心位置，转动吸盘将PI胶旋涂形成PI薄膜，取下衬底基片在90~110℃的恒温加热板对PI薄膜烘烤3~5min；
步骤3：采用直写式或投影式光刻机对衬底基片上器件金属电极Pad位置处PI薄膜作曝光处理，随后在显影液中完成图形化，在金属电极Pad位置上方的PI薄膜开出设计尺寸的电极接触孔的窗口；
步骤4：将完成图形化的衬底基片置于阶梯式加热板上，在75~175℃温度范围内划分多级温度阶梯，温度逐级升高并进行保温，完成阶梯式固化工艺，最终形成PI薄膜有机介电层。
进一步地，所述步骤4中，阶梯加热温度中第一阶梯温度为75~85℃，第二阶梯温度为115~125℃，第三阶梯温度为145~155℃，第四阶梯温度为165~175℃。
进一步地，阶梯加热温度中每个阶梯的保温时间为25~35min。
进一步地，所述步骤3中，控制光刻机曝光能量180~300mJ/cm2。
进一步地，所述步骤3中，显影液为20~25℃的2.38wt%TMAH；图形化时，衬底基片浸入显影液次数不少于3次，每次不少于50秒。
进一步地，所述步骤2中，匀胶机真空吸盘的转速为3000~5000rpm。
本发明的原理如下：
MEMS电子器件介电层的制备工艺中，现有工艺中器件介电层主要为氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）等无机材料，工艺中氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）等无机材料的制备需要采用PECVD等大型设备来实现薄膜沉积，完成一次薄膜沉积的加工费用高；器件中不同层之间需要电连接部位和外接引线的电极PAD处上方介电层薄膜需要一定大小的窗口用于不同层之间互连，窗口的形成需要采用反应离子刻蚀（RIE）工艺对无机介电层材料刻蚀来实现，刻蚀工艺需要通过反应离子刻蚀系统来完成，工艺复杂，成本高；相应地，要完无机介电层材料干法刻蚀必须增加一步光刻工艺，在实际生产和加工中工艺制程复杂；而本发明实施例的一种MEMS电子器件有机介电层的低温制备工艺制程，通过旋涂工艺完成PI薄膜制备，一次光刻实现器件中不同层之间需要电连接部位和外接引线的电极Pad处上方介电层薄膜一定大小的窗口，最后通过低温固化即可得到介电层。相比现有工艺中的五步加工工序，本发明通过三步工艺可实现同样功能的有机介电层材料，并且工艺的实现不涉及PECVD、RIE刻蚀系统等大型设备，在实际生产和制造中简化工艺制程，既能降低生产成本，又能提高产能，具有环境依赖性小，与CMOS电路制造工艺兼容性好的优点。
现有MEMS电子器件无机介电层制备工艺中，采用PECVD制备得到的介电层薄膜存在一定数量的针孔，主要原因为较低温度生长的薄膜致密性比较差，通常，基片表面的平整状况会对薄膜的生长有一定的影响，在薄膜较薄的情况下，存在一定数量的孔状区域没有形成连片的薄膜。本发明是将感光有机高分子聚合物材料聚酰亚胺（PI）通过旋涂工艺得到介电层薄膜，由于PI是一种具有一定粘稠度胶状液体，旋涂工艺中PI在离心力的作用下在基片表面形成一定厚度的均匀介电层薄膜，其厚度可以通过调整旋涂过程中的转速控制，介电层薄膜不会因为基片平整情况出现针孔状缺陷。
聚酰亚胺（PI）是有机高分子聚合物材料，在低温固化后薄膜是一种具备良好的可弯折、卷曲特性的柔性材料，基于其柔性的特点，在MEMS电子器件中存在较大坡度角位置处形成介电层时可形成良好的包覆，有效降低由于坡度角应力集中引起的介电层断裂风险的几率，相比氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）等无机材料，不具有柔性材料的特点，在MEMS电子器件中存在较大坡度角位置处形成介电层时断裂风险较高。
本发明的有益效果如下：
本发明通过将感光聚酰亚胺有机高分子应用于器件介电层来代替无机介电层，一方面，旋涂工艺成膜、一次光刻实现图形化、低温可固化的制备方法，极大的简化工艺制程，工艺的实现不涉及PECVD、RIE刻蚀系统等大型设备，既能降低生产成本，又能提高产能，具有环境依赖性小，与CMOS电路制造工艺兼容性好的优点；另一方面，有机材料可以在器件微结构及信号线存在较大坡度角位置处形成良好的包覆，可有效降低由于坡度角应力集中引起的介电层断裂风险的几率，从而提高电子器件的寿命。
附图说明
图1是原有工艺对比例步骤2的制备过程示意图；
图2是原有工艺对比例步骤3的制备过程示意图；
图3是原有工艺对比例步骤4的制备过程示意图；
图4是原有工艺对比例步骤5的制备过程示意图；
图5是原有工艺对比例步骤6的制备过程示意图；
图6是本发明实施例步骤2的制备过程示意图；
图7是本发明实施例步骤3的制备过程示意图；
图8是本发明实施例步骤4的制备过程示意图；
图9为本发明实施例提供的MEMS电子器件有机介电层的光学显微照片之一；
图10为本发明实施例提供的MEMS电子器件有机介电层的学显微照片之二；
图11为原有工艺中MEMS电子器件无机介电层的学显微照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
原有工艺对比例：
如图1～5所示，此处先就MEMS电子器件有机介电层原有工艺进行说明，原有工艺对比例详细步骤如下：
参见图1，S01为制备电子器件的商业化基底；M01为完成微纳加工的电子器件微结构；M02为电子器件中电信号传输的金属母线和电极Pad。
步骤1：将通过微纳加工形成器件微结构和电信号传输金属线的衬底基片S001分别在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶液、异丙醇（IPA）、去离子水中各超声清洗五分钟，去除基片表面污渍用于制备介电层。
步骤2：将基片置于等离子体增强化学气相沉积（PECVD）或磁控溅射设备中，采用薄膜制备工艺在衬底基片上沉积氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）等无机材料介电层D03。
步骤3：将完成介电层薄膜沉积的衬底基片置于匀胶机真空吸盘中心，取一定量光刻胶（PR）滴于衬底基片中心位置，采用一定的转速（3500~4000rpm），将普通光刻胶（PR）旋涂形成具有一定厚度的光刻胶薄膜P04，取下衬底基片在90~100℃的恒温加热板对薄膜烘烤60~90sec。
步骤4：采用直写式或投影式光刻机在一定的能量（135~200mJ/cm2）下对衬底基片上PR薄膜作曝光处理，随后在显影液2.38wt%TMAH（23℃）中45~60sec完成图形化，在需要刻蚀的金属电极Pad位置上方的光刻胶薄膜开出特定尺寸的窗口W01。
步骤5：将完成图形化的衬底基片置于等离子刻蚀设备中，通过等离子对电极Pad上方的无机介电层完成刻蚀，形成电极Pad接触孔的窗口W02。
步骤6：完成介电层干法刻蚀后，衬底基片置于去胶溶液中，去除刻蚀掩膜的光刻胶，最终形成无机介电层。
本发明实施例：
参考图6-8，为本发明实施例所提供的一种MEMS电子器件有机介电层的低温制备流程图，本发明实施例详细步骤如下：
参见图6，S01为制备电子器件的商业化基底；M01为完成微纳加工的电子器件微结构；M02为电子器件中电信号传输的金属母线和电极Pad。
步骤1：将通过微纳加工形成器件微结构M01和电信号传输金属M02的衬底基片分别在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶液、异丙醇（IPA）、去离子水中各超声清洗5min，去除基片表面污渍用于制备介电层。
步骤2：将衬底基片置于匀胶机真空吸盘中心，取一定量光敏型PI胶滴于衬底基片中心位置，采用一定的转速（3000~5000rpm）将PI胶旋涂形成具有一定厚度的PI薄膜P03，取下衬底基片在90~110℃的恒温加热板对薄膜烘烤3~5min。
PI薄膜与信号传输的金属母线及器件功能微结构台阶边缘形成完全包覆，无裂纹和针孔存在；同样，在用于外接信号引线的金属电极Pad边缘形成良好的覆盖；在衬底基片无器件微结构的位置形成良好的支撑层。
步骤3：采用直写式或投影式光刻机在一定的能量（180~300mJ/cm2）下对衬底基片上器件金属电极Pad位置处PI薄膜作曝光处理，随后在显影液2.38wt%TMAH（23℃）中60sec×3完成图形化，在金属电极Pad位置上方的PI薄膜开出特定尺寸的电极接触孔的窗口W03。
步骤4：将图形化完成的衬底基片置于阶梯式加热板上，阶梯加热温度中第一阶梯温度为75~85℃，第二阶梯温度为115~125℃，第三阶梯温度为145~155℃，第四阶梯温度为165~175℃。阶梯加热温度中每个阶梯的保温时间为25~35min。最终形成PI薄膜有机介电层。

Claims (6)

1.一种MEMS电子器件有机介电层的低温制备方法，其特征在于，选取完成器件核心微结构加工前道工序的晶圆作为衬底基片，在衬底基片上涂布一层PI薄膜；再将衬底基片置于恒温加热平板上保温一段时间；之后在光刻机中通过掩膜曝光完成图形化，再通过显影工艺去除金属电极Pad位置上方的PI薄膜；最后将衬底基片置于加热平台中进行阶梯式固化完成有机介电层的制备；
所述制备方法包括以下步骤：
步骤1：选取通过微纳加工形成器件微结构和电信号传输金属的衬底基片，依次通过N-甲基吡咯烷酮溶液、异丙醇、去离子水超声清洗，去除衬底基片表面污渍；
步骤2：将衬底基片置于匀胶机真空吸盘中心，取光敏型PI胶滴于衬底基片中心位置，转动吸盘将PI胶旋涂形成PI薄膜，取下衬底基片在90~110℃的恒温加热板对PI薄膜烘烤3~5min；
步骤3：采用直写式或投影式光刻机对衬底基片上器件金属电极Pad位置处PI薄膜作曝光处理，随后在显影液中完成图形化，在金属电极Pad位置上方的PI薄膜开出设计尺寸的电极接触孔的窗口；
步骤4：将完成图形化的衬底基片置于阶梯式加热板上，在75~175℃温度范围内划分多级温度阶梯，温度逐级升高并进行保温，完成阶梯式固化工艺，最终形成PI薄膜有机介电层。
2.根据权利要求1所述的MEMS电子器件有机介电层的低温制备方法，其特征在于，所述步骤4中，阶梯加热温度中第一阶梯温度为75~85℃，第二阶梯温度为115~125℃，第三阶梯温度为145~155℃，第四阶梯温度为165~175℃。
3.根据权利要求2所述的MEMS电子器件有机介电层的低温制备方法，其特征在于，阶梯加热温度中每个阶梯的保温时间为25~35min。
4.根据权利要求1所述的MEMS电子器件有机介电层的低温制备方法，其特征在于，所述步骤3中，控制光刻机曝光能量180~300mJ/cm2。
5.根据权利要求1所述的MEMS电子器件有机介电层的低温制备方法，其特征在于，所述步骤3中，显影液为20~25℃的2.38wt%TMAH；图形化时，衬底基片浸入显影液次数不少于3次，每次不少于50秒。
6.根据权利要求1所述的MEMS电子器件有机介电层的低温制备方法，其特征在于，所述步骤2中，匀胶机真空吸盘的转速为3000~5000rpm。
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