CN116281837A - 一种高保形硅基复合结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高保形硅基复合结构的制备方法，属于MEMS工艺技术领域，包括步骤如下：步骤一、在硅衬底表面涂覆正性光刻胶，前烘，形成光刻胶掩膜；步骤二、完成其中一个硅结构图形的曝光、显影、坚膜，干法刻蚀，氧等离子体处理光刻胶表面钝化层；步骤三、重复步骤二，直至完成剩余硅结构图形的制备；步骤四、去除剩余的光刻胶掩膜。本发明基于一次涂胶和多次曝光的技术，能有效缩短工艺步骤，降低工艺难度，实现硅基刻蚀复合深槽结构三维尺度的精确控制。
Description
技术领域
本发明属于MEMS工艺技术领域，特别涉及硅基材料复杂图形结构的加工方法，具体涉及一种高保形硅基复合结构的制备方法。
背景技术
MEMS工艺属于半导体工艺技术领域的延伸，主要包括材料研究、微细加工、微装配与微封装、集成技术、微测量等技术基础研究，属于多学科交叉研究领域。其中，ICP(电感耦合等离子体)作为DRIE(深反应离子刻蚀)的典型工艺，基于专利技术Bosch工艺开发的硅基深槽干法刻蚀工艺目前已经获得广泛的运用。ICP是一种基于F基气体的硅基刻蚀技术，通过化学作用和物理作用进行刻蚀，工艺过程中刻蚀与钝化交替进行，实现深槽侧壁角度的垂直控制，具有与掩蔽层高选择比、刻蚀硅槽高深宽比、以及刻蚀深度精确可控的特点。
随着硅基三维集成技术的发展，器件结构设计对工艺技术提出复杂度，集成度以及高精度的要求，比如在RF MEMS技术领域，硅基微波器件中的TSV、波导腔、耦合槽、屏蔽腔、硅帽等结构，均需要按照图形结构分步骤刻蚀。硅基结构的干法刻蚀一般采用光刻胶、SiO2、Al等作为刻蚀掩模，由于光刻胶在特定条件下可以多次实现图形化的特点，满足硅基复合结构按照顺序依次刻蚀的掩蔽层需要。现有技术中，遇到不同深度结构刻蚀需求时，比如TSV加耦合槽结构，由于第一次刻蚀形成的深槽，导致硅基晶圆不能满足光刻胶旋涂基本条件，只能采用喷胶的工艺方式形成二次及多次刻蚀的掩蔽层。但是使用喷胶工艺带来的缺点主要有3个方面：①效率低，每刻蚀一种结构，需要去除原有掩蔽层后重新喷涂光刻胶；②精度低，由于拐角结构光刻胶覆盖性差，喷胶需要多次扫描喷涂，降低了晶圆表面的胶层均匀性，同时喷涂光刻胶结构疏松，曝光显影后图形尺寸发生变化，图形边缘在显微镜下观察有锯齿状；③不适用于相连结构图形化工艺，由于侧墙喷涂的光刻胶垂直曝光不足，导致光刻胶无法显影干净，在相连结构干法刻蚀后会在边界出现硅墙残留，影响器件结构的实现。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种高保形硅基复合结构的制备方法，可以提高硅基MEMS器件复杂结构的工艺效率和工艺精度。
技术方案：一种高保形硅基复合结构的制备方法，包括步骤如下：
步骤一、在硅衬底表面涂覆正性光刻胶，前烘，形成光刻胶掩膜；
步骤二、完成其中一个硅结构图形的曝光、显影、坚膜，干法刻蚀，氧等离子体处理光刻胶表面钝化层；
步骤三、重复步骤二，直至完成剩余硅结构图形的制备；
步骤四、去除剩余的光刻胶掩膜。
优选的，所述硅基复合结构包括硅槽边界相连的复合结构、硅槽边界不相连的复合结构，以及同时存在硅槽边界相连和不相连的复合结构。
优选的，所述步骤一种涂覆正性光刻胶前先在硅衬底表面涂覆六甲基二硅胺烷。
优选的，所述步骤一中的正性光刻胶的黏度为0.3～0.5Pa·s。
优选的，所述步骤一中光刻胶掩膜的厚度大于步骤二和步骤三中消耗的光刻胶表面钝化层的厚度之和。
优选的，所述步骤二中氧等离子体处理的光刻胶表面钝化层的厚度为0.1～0.5微米。
优选的，所述干法刻蚀为电感耦合等离子体刻蚀。
优选的，所述干法刻蚀和氧等离子体处理工艺过程在黄光区域或避紫外光条件下进行。
优选的，所述步骤四中采用氧等离子体干法工艺或有机溶剂湿法工艺去除光刻胶掩膜。
有益效果：(1)工艺模块只旋涂1次光刻胶，提高了工艺效率，减少了光刻胶的使用量；
(2)工艺过程采用半导体平面接触式或微间隙曝光，图形分辨率高，满足器件结构设计的尺寸精度要求；
(3)工艺方法不受图形布局的影响，可以制作较为复杂的硅基复合结构图形。
附图说明
图1为5个硅基复合结构的剖面图，(a)为边界相连的复合结构，(b)为边界不相连的复合结构；
图2为工艺过程中硅基复合结构的剖面图，a1～a6和b1～b6分别为本发明关于相连硅基复合结构和不相连硅基复合结构的具体实施工艺步骤剖视图，其中：
a1为本发明完成E1刻蚀硅槽深度的剖视图。
a2为本发明完成E2刻蚀硅槽深度的剖视图。
a3为本发明完成E3刻蚀硅槽深度的剖视图。
a4为本发明完成E4刻蚀硅槽深度的剖视图。
a5为本发明完成E5刻蚀硅槽深度的剖视图。
a6为本发明去胶后完整硅槽结构的剖视图。
b1为本发明完成E1刻蚀硅槽深度的剖视图。
b2为本发明完成E2刻蚀硅槽深度的剖视图。
b3为本发明完成E3刻蚀硅槽深度的剖视图。
b4为本发明完成E4刻蚀硅槽深度的剖视图。
b5为本发明完成E5刻蚀硅槽深度的剖视图。
b6为本发明去胶后完整硅槽结构的剖视图。
附图标记说明：M1～M5为光刻胶版图、S为硅基体、E1～E5为刻蚀深度、H1～H5为硅槽设计深度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
以5个复合结构为例，1-5结构如图1所示，(a)为边界相连的复合结构，(b)为边界不相连的复合结构，其中硅槽深度要求分别为H1、H2、H3、H4、H5，并且排序条件为：H5＞H4＞H3＞H2＞H1，光刻版图分别为M1、M2、M3、M4、M5，与图2标注对应，ICP每次刻蚀深度分别为E1、E2、E3、E4、E5，工艺方法包括如下步骤：
步骤1、提供硅基衬底材料，在衬底表面涂覆光刻胶，具体过程为：
步骤1.1、为了保证后续流程的工艺精度，对硅基衬底材料进行筛选，要求：TTV(总厚度偏差)＜5微米，WARP(翘曲度)＜40微米；
步骤1.2、硅片清洗，正常购买的商业硅片，已完成硅片清洗和包装，在超净环境中打开外包装后，硅片可以直接开始工艺流程。如果本发明的工艺模块应用于工艺流程中间，需要对流程硅片进行有机物去除和颗粒物去除清洗，具体为，有机物去除可以采用丙酮+IPA(异丙醇)超声清洗，去除颗粒物采用SC-1号液(NH4OH:H2O2)加热清洗，去除硅片表面自然氧化层采用DHF漂洗，所有湿法清洗腐蚀工艺完成后需采用DI(去离子)水冲洗，热N2甩干。另外，针对具体情况，也可以采用O2等离子体进行硅片表面干法清洗。
步骤1.3、光刻胶旋涂，涂胶之前可以先在硅片表面涂上一层HMDS(六甲基二硅胺烷)，其能够增强光刻胶与硅片之间的附着力。选择黏度0.3～0.5Pa·s的正性光刻胶，采用旋涂的工艺方法在衬底材料表面均匀涂敷，烘干备用。基于刻蚀图形窗口依次打开，与正性胶使用特点吻合，本发明实施例中，刻蚀掩膜仅限于正性光刻胶，取约10ml～20ml的AZ系列正性光刻胶溶液并滴在硅片的中心，利用匀胶机在500r/min的低速摊开5s～8s，然后再采用高速旋转，转速为2000r/min～3000r/min，转动时间为20s～30s。旋涂后，对硅片进行前烘，获得厚度为6～12微米之间的光刻胶掩蔽涂层，光刻胶厚度的选择依据为：正性光刻胶与干法刻蚀的选择比一般为1：60～1：80之间。接下来进行M1图形曝光，根据光刻胶厚度，设定UV曝光剂量为500～1000mJ/cm2，最后完成显影，坚膜。
步骤2、硅槽深度E1刻蚀，采用ICP设备进行刻蚀。为了提高刻蚀效果，首先采用O2等离子体去除图形窗口内光刻工艺后残留的底膜，时间10s～30s，接下来根据图形占空比、图形尺寸以及刻蚀深度等要求，设置工艺参数：上电极功率为2000W～2500W，下电极功率为10W～30W，SF6气体流量为450sccm～550sccm，C4F8气体流量为250sccm～300sccm，刻蚀时间与钝化时间比为3：1～1：1，腔体压力为30mTorr～80mTorr，底盘温度为0℃±10℃。根据以上工艺参数生成的实际工艺刻蚀速率，完成硅槽刻蚀。由于ICP刻蚀工艺是基于刻蚀+钝化周期完成硅基刻蚀的，其中钝化气体会对光刻胶表面造成钝化和变性，影响后续光刻胶层的感光灵敏度，因此需要去除光刻胶表面钝化层。可以采用RIE(反应离子刻蚀)设备去除钝化层，设置工艺参数：射频功率为80W～120W，O2气体流量为80sccm～120sccm，腔体压力为50mTorr。去除钝化层的厚度以E5深度作为参考，经验值为：已刻蚀硅槽深度与需去除钝化层厚度比1000:1，如果按照比值计算出需去除的钝化层厚度小于0.1微米，均按照0.1微米去除，实际每次去除钝化层厚度≥0.1微米，最高去除厚度为0.5微米。接着完成M2图形光刻胶曝光，显影，坚膜，O2等离子体去除光刻胶底膜。
步骤3、重复步骤2，依次完成硅槽E2、E3、E4、E2的刻蚀，如图2所示，硅槽深度的计算方法见表1：
表1硅槽深度计算方法
| 光刻版刻蚀图形 | 对应刻蚀深度 | 刻蚀深度与设计深度计算公式 |
| M1 | E1 | E1＝H5－H4 |
| M2 | E2 | E2＝H4－H3 |
| M3 | E3 | E3＝H3－H2 |
| M4 | E4 | E4＝H2－H1 |
| M5 | E5 | E5＝H1 |
步骤4、光刻胶掩蔽层去除，首先采用台阶仪或者表面形貌仪对硅基复合结构深度进行测量，满足工艺要求后去除剩余光刻胶掩蔽层，可以采用丙酮+IPA(异丙醇)超声清洗去除，也可以采用O2等离子体进行干法清洗去除。另外，针对硅槽侧壁由于钝化刻蚀产生的多余聚合物，主要附着在硅槽上边沿，可以采用SPM溶液(H2SO4：H2O2)加热强化清洗去除。最终形成所需的硅基复合结构，如图2a6和图2b6。
综上，在产品的工艺流程设计中，可以选择硅槽边界相连的复合结构，可以选择硅槽边界不相连的复合结构，也可以同时存在相连和不相连的硅槽复合结构。工艺过程中注意干法刻蚀和氧等离子体处理工艺在需黄光区域或避紫外光条件下完成，掩蔽层光刻胶没有经过非正常曝光，确保每一次光刻的曝光和显影工艺可以正常完成。本发明可以简化工艺流程设计，提高工艺精度，为制作硅基复杂结构提供了一种简易有效的工艺方法。
Claims (9)
1.一种高保形硅基复合结构的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、在硅衬底表面涂覆正性光刻胶，前烘，形成光刻胶掩膜；
步骤二、完成其中一个硅结构图形的曝光、显影、坚膜，干法刻蚀，氧等离子体处理光刻胶表面钝化层；
步骤三、重复步骤二，直至完成剩余硅结构图形的制备；
步骤四、去除剩余的光刻胶掩膜。
2.根据权利要求1所述的一种高保形硅基复合结构的制备方法，其特征在于，所述硅基复合结构包括硅槽边界相连的复合结构、硅槽边界不相连的复合结构，以及同时存在硅槽边界相连和不相连的复合结构。
3.根据权利要求1所述的一种高保形硅基复合结构的制备方法，其特征在于，所述步骤一种涂覆正性光刻胶前先在硅衬底表面涂覆六甲基二硅胺烷。
4.根据权利要求1所述的一种高保形硅基复合结构的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的正性光刻胶的黏度为0.3～0.5Pa·s。
5.根据权利要求1所述的一种高保形硅基复合结构的制备方法，其特征在于，所述步骤一中光刻胶掩膜的厚度大于步骤二和步骤三中消耗的光刻胶表面钝化层的厚度之和。
6.根据权利要求1所述的一种高保形硅基复合结构的制备方法，其特征在于，所述步骤二中氧等离子体处理的光刻胶表面钝化层的厚度为0.1~0.5微米。
7.根据权利要求1所述的一种高保形硅基复合结构的制备方法，其特征在于，所述干法刻蚀为电感耦合等离子体刻蚀。
8.根据权利要求1所述的一种高保形硅基复合结构的制备方法，其特征在于，所述干法刻蚀和氧等离子体处理工艺过程在黄光区域或避紫外光条件下进行。
9.根据权利要求1所述的一种高保形硅基复合结构的制备方法，其特征在于，所述步骤四中采用氧等离子体干法工艺或有机溶剂湿法工艺去除光刻胶掩膜。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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