CN116902907A - 采用金属牺牲层的mems微镜制备方法 - Google Patents

采用金属牺牲层的mems微镜制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法，属于MEMS微镜制备领域，首先在晶圆正面制备绝缘层，光刻图案化并刻蚀；在晶圆背部图案化，依次对衬底和绝缘层进行刻蚀，刻至器件层底部停止；在背部空腔制备金属牺牲层；在晶圆正面光刻图案化及器件层刻蚀，刻至金属牺牲层停止；最后去除金属牺牲层，释放镜面等器件层可动结构。本发明通过使用导电性良好的金属制备金属牺牲层，可以避免绝缘层上表面形成内建电场，防止干法刻蚀MEMS微镜器件层时的缺口效应，提升了器件可靠性和产品良率，同时工艺简单，为制备垂直静电梳齿型MEMS微镜提供了一种新方法。

Description

采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法
技术领域
本发明涉及MEMS微镜制备技术领域，特别涉及一种采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)微镜是指采用MEMS技术制备的，通过微驱动器实现微反射镜驱动的一种MEMS光学器件。MEMS微扫描镜应用范围广泛，主要用于图形化扫描和激光的偏转。MEMS扫描镜的成本较低且可实现批量化生产，使其可以大量应用在对成本敏感的消费电子产品上。MEMS扫描镜是集材料学、力学、电磁学和光学等学科技术于一体的微光机电系统，同传统的多棱扫描镜技术和激光振镜技术相比，具有体积小、驱动功耗低、响应速度快和扫描频率高等优势。目前，MEMS扫描镜主要用于激光投影、虚拟现实近眼显示、增强现实近眼显示、MEMS三维成像激光雷达、汽车抬头显示(HUD)、光通信、光学相干层析成像(OCT)和共聚焦显微镜等领域，且非常满足智能手机、平板电脑和可穿戴设备的搭载要求。
梳齿结构在静电致动MEMS微扫描镜中被广泛应用。梳齿结构一般分为两类：一类是平面梳齿，由一组固定在衬底上的固定梳齿和一组由弹性结构支撑的可动梳齿组成，两者间隔交叉形成梳齿结构，适用于面内平动的场景；另一类是垂直梳齿，由多对在垂直方向上有高度差的可动梳齿和固定梳齿组合而成，适用于产生扭转等离面运动。垂直梳齿结构可用来制作微反射镜，但为了实现可动梳齿和固定梳齿的高度差会增加器件的制备难度。现阶段，垂直梳齿结构的实现方式主要有：键合工艺、多次光刻分别刻蚀、利用聚合物张力、利用塑性变形等，这些方式往往工艺复杂，难度高，可靠性较差。因此可以采用残余应力自组装的方式实现垂直梳齿高度差，可动梳齿、固定梳齿经过一步器件层的光刻与刻蚀便可形成，该方式工艺较为简单。
采用残余应力自组装工艺对硅器件层刻蚀通常选用深硅反应离子刻蚀(DRIE)工艺，以二氧化硅层作为刻蚀停止层，器件层硅单晶的反应离子刻蚀会自动在二氧化硅隔离层处停止，二氧化硅隔离层的存在保证了均匀一致的刻蚀深度，器件层刻蚀结束后形成镜面、悬臂梁、驱动梳齿等结构。然而，由于二氧化硅的绝缘特性，带电的刻蚀离子刻蚀至二氧化硅层时会在绝缘层表面积累形成局部内建电场，这个局部电场将其它入射离子向两端偏转，使得之后的带电离子在电场力的作用下偏离原来垂直向下的运动方向，进而刻蚀结构层的底部，产生严重的缺口效应(notching effect)，造成对静电梳齿等结构底部的严重刻蚀，这会造成器件良率大大降低，并对MEMS反射镜的性能造成严重影响。
发明内容
本发明提供一种采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法，提出针对残余应力自组装加工垂直梳齿结构的简化工艺，该工艺采用金属牺牲层作为导电刻蚀停止层，不仅可以避免缺口效应，提升器件可靠性和良率，而且工艺简单，适于大规模生产。
本发明实施例提供一种采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在晶圆正面通过化学气相沉积制备绝缘层，对绝缘层图案化，在晶圆正面旋涂光刻胶进行光刻，采用干法刻蚀工艺刻蚀出器件层表面需要引出驱动电信号的区域，在晶圆正面沉积金属层，并进行退火操作，在经退火的晶圆表面旋涂光刻胶进行光刻，采用干法刻蚀工艺刻蚀出镜面高反射层结构和电极；
步骤2：晶圆背部结构刻蚀，对晶圆背部旋涂光刻胶，光刻出图形，再进行干法刻蚀，刻蚀基底层至埋氧层形成背腔；去除部分绝缘层，保留光刻出的图形，采用干法刻蚀工艺刻蚀绝缘层；
步骤3：背面溅射金属牺牲层，采用磁控溅射工艺在晶圆背面直流溅射金属膜作为干法刻蚀器件层时的导电导热层；
步骤4：在器件层进行光刻形成正面镜面、框架、梳齿及隔离槽结构，再进行深反应离子刻蚀，刻到金属牺牲层为止；
步骤5：去除背面金属牺牲层，使用干法刻蚀技术刻蚀可动结构下方的金属膜，释放MEMS微镜的可动结构，得到MEMS微镜。
在本发明的一个实施例中，在步骤1中，刻蚀后器件层悬臂梁表面保留一层绝缘层，与构成悬臂梁的硅层形成双层结构，通过所述双层结构的残余应力不匹配产生垂直应力梯度，为梳齿提供垂直位移偏差。
在本发明的一个实施例中，在步骤2中，基底层与绝缘层光刻图案化时具有相同的光刻图形。
在本发明的一个实施例中，在步骤2中进行刻蚀后形成空腔结构，用于提供MEMS微镜绕悬臂梁做离面运动所需的空间。
在本发明的一个实施例中，在步骤3中制备的金属牺牲层为金属铝膜，在绝缘层被刻蚀后器件层裸露的下表面上制备目标金属牺牲层。
在本发明的一个实施例中，在步骤4中，静电梳齿以悬臂梁为轴对称分布，可动梳齿与固定梳齿在步骤3中一步刻成。
在本发明的一个实施例中，在步骤1之前还包括：
对晶圆进行前处理，采用稀释的缓冲氢氟酸溶液处理晶圆，去除表面自然氧化层，使用去离子水清洗并进行干燥。
在本发明的一个实施例中，在采用干法刻蚀工艺刻蚀出器件层表面需要引出驱动电信号的区域中，使用CF4气体和浓度为40％的H2刻蚀。
在本发明的一个实施例中，在采用干法刻蚀工艺刻蚀出镜面高反射层结构和电极中，使用三氯化硼气体刻蚀。
在本发明的一个实施例中，在进行干法刻蚀，刻蚀基底层至埋氧层形成背腔中，使用Cl2和SF6气体刻蚀基底层。
本发明实施例的采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法，在MEMS器件制备过程中，首先对晶圆背部刻蚀形成空腔，然后对器件层背部表面磁控溅射金属铝层，既可取代二氧化硅绝缘层作为刻蚀停止层，又具有良好的导电导热性，可以有效减小缺口效应引起的根切及热量传递不均而导致光刻胶变质的现象。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为使用SiO2刻蚀停止层进行深硅反应离子刻蚀的缺口效应示意图；
图2为使用金属牺牲层时进行深硅反应离子刻蚀的效果示意图；
图3为采用本发明的工艺制备的MEMS微反射镜结构图；
图4为根据本发明提出的采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法的流程图；
图5至图12为本发明得采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法的制备MEMS微镜工艺图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提出一种采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法，目的是避免对SOI晶圆器件层深反应离子刻蚀时常常出现的缺口效应。图1是使用SiO2刻蚀停止层进行深硅反应离子刻蚀的缺口效应示意图，MEMS微镜器件通常在SOI晶圆上制备，SOI硅片是通过硅片键合技术形成的，包括3层结构：上层的硅器件层，中层的二氧化硅刻蚀停止层以及底部的硅基衬底。
在MEMS微镜加工过程中，由于有二氧化硅层隔离，器件层硅单晶的反应离子刻蚀会自动在二氧化硅隔离层处停止。尽管硅深刻蚀有负载效应，但二氧化硅隔离层的存在保证了均匀一致的刻蚀深度。理想情况下，由于负载效应造成的刻蚀速率差异不会影响刻蚀的均匀性。但实验发现刻蚀速率快的图形在刻蚀到二氧化硅隔离层后并没有完全停止，而是继续沿二氧化硅隔离层表面横向方向刻蚀，形成所谓“缺口”现象。发生缺口效应的原因是离子在二氧化硅绝缘层表面积累形成一个局部正电场。这个局部正电场将入射离子向两端偏转，造成对界面处硅层的继续刻蚀。图1说明了离子正电荷在电荷在二氧化硅绝缘层的积累和对入射离子偏转的过程，缺口效应会造成器件层底部出现严重的根切现象，梳齿结构和悬臂梁底部因根切而尺寸减小，不仅会造成静电梳齿的驱动能力减弱，甚至会影响器件的可靠性，导致器件制备的良率大大降低。
由于二氧化硅隔离层的绝缘性质，离子电荷的积累是不可避免的，缺口现象也无法避免，除非有办法将局部正电荷移走，或者降低刻蚀样品台偏执电压的频率，使积累的正电荷在偏置电压关断期间有时间逸散。
本发明的实施例对MEMS微镜制备工艺做出改善和优化，与传统工艺相比，本发明首先对SOI硅片背面进行光刻图案化，然后进行深反应离子刻蚀，分别刻蚀掉硅基衬底和部分二氧化硅绝缘层，为引入导电牺牲层做好准备，接下来溅射金属薄膜作为器件层刻蚀的导电层和刻蚀停止层，最后去除金属层便可释放器件层可动结构。图2为使用金属牺牲层时进行深硅反应离子刻蚀的效果示意图，金属薄膜表面的正电荷被导电金属移走，避免了刻蚀停止层表面局部正电荷的积累，避免了内建电场的形成，从而消除了缺口效应。
图3是采用本发明的工艺制备的MEMS微反射镜结构图，包括悬臂梁1，可动梳齿2，固定梳齿3，反射镜面4，金属电极5，固定框架6，MEMS微反射镜主要包括两部分：可动单元和固定单元，其中可动单元由悬臂梁1、可动梳齿2和反射镜面4组成，固定单元由固定梳齿3、金属电极5和固定框架6组成。该MEMS微镜为垂直静电梳齿型MEMS镜，由残余应力自组装技术产生梳齿垂直位移偏差。如图3所示，悬臂梁1结构和反射镜面4结构均为双层结构，其中悬臂梁1上下层材料分别为二氧化硅和单晶硅，二氧化硅具有较大的压应力，当旋转轴的两臂上沉积二氧化硅薄膜后，由于双层结构之间的应力不匹配而产生垂直应力梯度，拉动镜面和可动梳齿向上产生垂直位移。反射镜面上下层材料分别为金属铝和单晶硅，金属铝具有良好的反射性且与单晶硅粘附性较好。
图4为根据本发明提出的采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法的流程图。
如图4所示，以SOI晶圆为例，该采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法包括以下步骤：
步骤1：在晶圆正面通过化学气相沉积制备SiO2绝缘层，对绝缘层图案化，在晶圆正面旋涂光刻胶进行光刻，采用干法刻蚀工艺刻蚀出器件层表面需要引出驱动电信号的区域，在晶圆正面沉积金属层，并进行退火操作，在经退火的晶圆表面旋涂光刻胶进行光刻，采用干法刻蚀工艺刻蚀出镜面高反射层结构和电极。
步骤2：晶圆背部结构刻蚀，对SOI晶圆背部旋涂光刻胶，光刻出图形，再进行干法刻蚀，刻蚀基底层至埋氧层形成背腔；去除部分绝缘层，保留光刻出的图形，采用干法刻蚀工艺刻蚀二氧化硅绝缘层。
步骤3：背面溅射金属牺牲层，采用磁控溅射工艺在晶圆背面直流溅射金属膜作为干法刻蚀器件层时的导电导热层。
步骤4：在器件层进行光刻形成正面镜面、框架、梳齿及隔离槽结构，再进行深反应离子刻蚀，刻到金属牺牲层为止。
步骤5：去除背面金属牺牲层，使用干法刻蚀技术刻蚀可动结构下方的金属膜，释放MEMS微镜的可动结构，得到MEMS微镜。
以SOI晶圆为例，在步骤1之前，采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法还包括：对SOI晶圆进行前处理，采用稀释的缓冲氢氟酸溶液(Buffered HydroFluoric acid，BHF)处理硅片，去除表面自然氧化层，随后使用去离子水清洗并进行干燥。
在本发明的一个实施例中，在步骤1中，刻蚀后器件层悬臂梁表面保留一层绝缘层，与构成悬臂梁的硅层形成双层结构，通过双层结构的残余应力不匹配产生垂直应力梯度，为梳齿提供垂直位移偏差。
在本发明的一个实施例中，在步骤2中，基底层与绝缘层光刻图案化时具有相同的光刻图形。
在本发明的一个实施例中，在步骤2中进行刻蚀后形成空腔结构，用于提供MEMS微镜绕悬臂梁做离面运动所需的空间。
在本发明的一个实施例中，在步骤3中制备的金属牺牲层为金属铝膜，在绝缘层被刻蚀后器件层裸露的下表面上制备目标金属牺牲层。
本发明的实施例用铝作为金属牺牲层材料，铝与硅材料具有良好的粘附性，不易脱落，但金属牺牲层材料不限于铝。
在本发明的一个实施例中，在步骤4中，静电梳齿以悬臂梁为轴对称分布，可动梳齿与固定梳齿在步骤3中一步刻成。
在本发明的一个实施例中，在采用干法刻蚀工艺刻蚀出器件层表面需要引出驱动电信号的区域中，使用CF4气体和浓度为40％的H2刻蚀。
在本发明的一个实施例中，在采用干法刻蚀工艺刻蚀出镜面高反射层结构和电极中，使用三氯化硼(BCl3)气体刻蚀。
在本发明的一个实施例中，在进行干法刻蚀，刻蚀基底层至埋氧层形成背腔中，使用Cl2和SF6气体刻蚀基底层。
如图5至图12，采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法具体包括如下步骤：
(1)SOI晶圆前处理：图4为未处理的SOI硅片，包括硅器件层7、二氧化硅刻蚀停止层8、硅基衬底9。采用稀释的缓冲氢氟酸溶液处理硅片，去除表面自然氧化层，随后使用去离子水清洗并进行干燥；
(2)SiO2绝缘层的沉积和图案化：如图5所示，正面沉积300nm厚的SiO2绝缘层10，随后表面旋涂光刻胶进行光刻，然后采用干法刻蚀工艺刻蚀出器件层表面需要引出驱动电信号的区域；
(3)金属层沉积和图形化：如图6所示，正面沉积100nm厚的金属铝层，随后表面旋涂光刻胶进行光刻，然后采用干法刻蚀工艺刻蚀出镜面高反射层结构11和电极12；
(4)背部结构刻蚀：如图7所示，对SOI片底部光刻出图形，再进行深反应离子刻蚀(DRIE)，刻蚀基底层13至埋氧层8形成背腔；
(5)埋氧层去除：如图8所示，保留上一步图形，采用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀埋氧层8；
(6)背面溅射金属膜：如图10所示，采用溅射工艺在硅片背面直流溅射铝膜15作为ICP刻蚀器件层时的导电导热层，可以有效减小根切及热量传递不均而导致光刻胶变质的现象；
(7)器件层图案化：如图11所示，器件层进行光刻形成正面镜面、框架、梳齿及隔离槽结构，再进行DRIE，刻到金属牺牲层15为止；
(8)去除背面金属膜：如图12所示，使用干法刻蚀去除可动结构下方的金属牺牲层15，封装测试。
根据本发明实施例提出的采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法，使用导电性良好的金属制备金属牺牲层取代二氧化硅绝缘层的静电致动MEMS反射镜制备方法，可以避免绝缘层上表面形成内建电场，防止干法刻蚀MEMS微镜器件层时的缺口效应，提升了器件可靠性和产品良率，同时工艺简单，为制备垂直静电梳齿型MEMS微镜提供了一种新方法，可用于制备采用残余应力自组装加工垂直梳齿结构的MEMS微镜。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

Claims (10)

1.一种采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在晶圆正面通过化学气相沉积制备绝缘层，对绝缘层图案化，在晶圆正面旋涂光刻胶进行光刻，采用干法刻蚀工艺刻蚀出器件层表面需要引出驱动电信号的区域，在晶圆正面沉积金属层，并进行退火操作，在经退火的晶圆表面旋涂光刻胶进行光刻，采用干法刻蚀工艺刻蚀出镜面高反射层结构和电极；
步骤2：晶圆背部结构刻蚀，对晶圆背部旋涂光刻胶，光刻出图形，再进行干法刻蚀，刻蚀基底层至埋氧层形成背腔；去除部分绝缘层，保留光刻出的图形，采用干法刻蚀工艺刻蚀绝缘层；
步骤3：背面溅射金属牺牲层，采用磁控溅射工艺在晶圆背面直流溅射金属膜作为干法刻蚀器件层时的导电导热层；
步骤4：在器件层进行光刻形成正面镜面、框架、梳齿及隔离槽结构，再进行深反应离子刻蚀，刻到金属牺牲层为止；
步骤5：去除背面金属牺牲层，使用干法刻蚀技术刻蚀可动结构下方的金属膜，释放MEMS微镜的可动结构，得到MEMS微镜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，刻蚀后器件层悬臂梁表面保留一层绝缘层，与构成悬臂梁的硅层形成双层结构，通过所述双层结构的残余应力不匹配产生垂直应力梯度，为梳齿提供垂直位移偏差。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，基底层与绝缘层光刻图案化时具有相同的光刻图形。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中进行刻蚀后形成空腔结构，用于提供MEMS微镜绕悬臂梁做离面运动所需的空间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中制备的金属牺牲层为金属铝膜，在绝缘层被刻蚀后器件层裸露的下表面上制备目标金属牺牲层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4中，静电梳齿以悬臂梁为轴对称分布，可动梳齿与固定梳齿在步骤3中一步刻成。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1之前还包括：
对晶圆进行前处理，采用稀释的缓冲氢氟酸溶液处理晶圆，去除表面自然氧化层，使用去离子水清洗并进行干燥。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在采用干法刻蚀工艺刻蚀出器件层表面需要引出驱动电信号的区域中，使用CF4气体和浓度为40％的H2刻蚀。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在采用干法刻蚀工艺刻蚀出镜面高反射层结构和电极中，使用三氯化硼气体刻蚀。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行干法刻蚀，刻蚀基底层至埋氧层形成背腔中，使用Cl2和SF6气体刻蚀基底层。
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