CN1314577C

CN1314577C - 电化学深刻蚀方法及其装置

Info

Publication number: CN1314577C
Application number: CNB2004100991392A
Authority: CN
Inventors: 王连卫; 陈瑜; 赖宗声
Original assignee: Najing Science & Technology Co Ltd Shanghai; East China Normal University
Current assignee: Najing Science & Technology Co Ltd Shanghai; East China Normal University
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: CN1631764A

Abstract

本发明涉及一种微机电系统器件的制作方法，尤其是电化学深刻蚀方法，还涉及电化学深刻蚀方法的装置，属于微电子以及微机电系统技术领域。本发明所述的电化学深刻蚀方法为，将传统的电化学深刻蚀装置添加与样品表面垂直的磁场，或者将电化学深刻蚀装置放在温度为-10℃～15℃的环境中进行。由于磁场的作用，限制横向电流，克服了在阳极氧化过程中存在横向侵蚀，以及在一些结构的边缘出现坍塌等现象。控制温度可以降低散流子的晶格散射几率，使电化学深刻蚀效果更佳。

Description

电化学深刻蚀方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种微机电系统器件的制作方法，尤其是电化学深刻蚀方法，还涉及电化学深刻蚀方法的装置，属于微电子以及微机电系统技术领域。

背景技术

在微机电系统(以下统称为“MEMS”)中，硅的深刻蚀技术具有重要的意义。通常可以通过硅的深刻蚀制作诸如陀螺，加速度传感器，压力传感器等力学量的传感器，也可以利用深刻蚀技术制作可用于射频微机电系统穿孔互连的深孔或沟槽，或用于制作微流体结构。

目前，进行硅的深刻蚀的主要方法为深反应离子刻蚀方法，又称等离子体耦合反应离子刻蚀。对硅进行深刻蚀是目前集成电路以及微机电系统领域的一项关键技术之一。深反应离子刻蚀方法由于掩膜层的特性以及横向侵蚀等因素的限制，深宽比要想突破50是非常困难。这就是说，想在硅片上刻蚀阱宽为2微米，深100微米的结构，采用深反应离子刻蚀方法几乎是办不到的。同时，深反应离子刻蚀设备非常昂贵，其维护和使用的费用也非常高。这使得一些MEMS器件的制作受到了限制。

近年来，在多孔硅工艺的基础上，人们发展出一种宏多孔硅技术。它的工作原理是利用多孔硅的阳极氧化主要由空穴参与这一特点，利用MEMS工艺，通过掩膜，定义阱或孔的位置，利用硅的各向异性腐蚀，形成倒金字塔形凹坑，由于尖端放电的原因，凹坑的底部是空穴密度最高的地方，因而也是腐蚀最容易发生的地方，空穴可以利用光照或电注入等手段产生。通过该方法可以达到控制孔沿衬底的定向腐蚀。可以达到很高的深宽比，该方法已经被用来制作微观有序排列的光子晶体结构并且被用来研究进行陀螺等结构的制作。然而，由于电化学腐蚀与电流的微观分布密切相关，设计图形的均匀分布往往是导致刻蚀能否顺利进行的关键，当设计图形分布比较密集，即图形之间的间距小于图形本身尺寸，并且均匀分布时，例如光子晶体，这时对掩膜材料的要求并不高，甚至不用掩膜材料也可以成功刻蚀。但是，大多数情况下，制作器件往往只需要在特定的位置实施深刻蚀并且希望刻蚀的过程按照设计的要求进行，这要求掩膜材料在刻蚀过程中能够对下面的硅能够有效保护。选择掩膜材料，主要依据其在刻蚀过程中被腐蚀速率比硅本身要低得多，即在刻蚀完成前，其保护功能不至于丧失。一般地，可以选用SiN，SiC以及部分金属合金作为掩膜层。

此外，直接采用阳极氧化方法只能获得单个孔径小于5微米的孔或沟槽结构，而且，由于载流子的散射，在电流密度较大时，在阳极氧化过程中存在横向侵蚀，以及在一些结构的边缘出现坍塌等等现象。致使利用该方法替代深反应离子刻蚀制作微传感器出现问题。本发明通过对设计及工艺流程的修正解决了上述问题，并可以利用这种湿法深刻蚀技术制作精密陀螺、加速度传感器、微流体通道及微纳米喷头、以及场发射及扫描探针阵列。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能达到很高深宽比的、成本低廉的电化学深刻蚀方法，并提供该电化学深刻蚀方法的装置。

本发明是通过以下技术途径来实现本发明的目的的。

本发明所述的电化学深刻蚀方法为，对n-型<100>硅片背面进行As或者P离子注入并退火激活、在正面淀积掩模层、通过光刻刻蚀掩膜层打开腐蚀窗口、利用各向异性腐蚀液形成倒金字塔结构，再放进电化学反应槽中进行电化学深刻蚀，腐蚀过程采用了恒定光照、输入电压随腐蚀电流自动调整与恒定输入电压，光照随腐蚀电流自动调整两种模式，腐蚀电流密度控制在0.1～20mA/cm²，其特征在于：腐蚀系统置于磁感应强度为0.01T～2T之间的磁场中进行，磁场的方向为与n-型<100>硅片表面垂直。由于在电化学深刻蚀过程中增加了磁场的作用，从而限制横向电流，克服了在阳极氧化过程中存在横向侵蚀，以及在一些结构的边缘出现坍塌等现象。

本发明的电化学深刻蚀方法如果不加磁场，而加上温度控制装置，使得反应温度控制在-10℃～15℃的范围之间，降低了散流子的晶格散射几率，也可以取得很好的效果。当然也可以既加上磁场也在低温下进行，此时效果更佳。

本发明所述的电化学深刻蚀方法进行小结构的刻蚀时，腐蚀窗口的形状为宽度为0.1μm～3μm的矩形或线条。

本发明所述的电化学深刻蚀方法进行大结构的刻蚀时，但其制作途径是将大结构分解为小结构紧密排列的阵列，这些阵列在经过本发明所述的电化学深刻蚀后就会形成微米或纳米尺度的深孔或者尖端的阵列。再采用施加脉冲电流等方法使小结构之间的隔离层脱落，从而使小结构合并为所需要得大结构。

本发明建议采用抗HF的薄膜材料作为掩膜层如氮化硅、碳化硅以及一些合金，有报道说，只要在硅表面存在尖端结构，就可以实现硅的深刻蚀，对于一些密集阵列的制作是可以的，但是对于以孤立结构为主的器件制作而言，孤立区域的刻蚀需要对邻近的其他区域有足够的保护。

本发明所述的电化学深刻蚀方法的装置包括阴极1、阳极2、电化学反应槽3，系统控制装置4，可调光源(用于产生空穴等少数载流子)5，磁场发生装置6，待刻蚀样品7。电极1和电极2分别与系统控制装置4的正负极相连接，可调光源5也与系统控制装置4相连接。

本发明所述的电化学深刻蚀方法的装置还可以装备一个温度控制装置，以控制环境温度达到所需要的温度，使反应的环境温度控制在-10℃～15℃之间。

腐蚀所用的阴极是由耐氢氟酸腐蚀的金属或硅构成，通常采用的材料为铂金丝。与阳极硅表面形成类似一种电容的结构，硅片的背面与电源的阳极相连接。进行腐蚀的硅片需要在背面形成一层低阻层以控制电流的均匀性，这种低阻层可以通过离子注入的方法获得，在此基础上，可以淀积金属铝，然后利用光刻制作出窗口结构以便光照需要。这样可以提高整个晶片背面的接触性能。

本发明提供的电化学深刻蚀可以在磁场环境中进行的，由于磁场的作用可以限制载流子的横向电流，从而减轻了横向侵蚀，边缘坍塌现象也得到控制，而正因为横向侵蚀和边远坍塌现象得到避免，因此才可能将此刻蚀技术用于制作孤立结构。

另外，传统的N-型硅电化学刻蚀是在光照情况下通过调节光强实现电流的恒定，本发明提供了采用电压调节方式进行电流的恒定控制，这样可以获得非常锐细的微孔或槽结构。并可以解决边缘效应问题。

本发明所提供的装置的绝大部分部件均较为便宜，所以整套装置价格便宜，电化学深刻蚀过程所使用的化学试剂量极少，不仅运行成本低，并且不会对周围环境发生破坏。

附图说明

图1：电化学深刻蚀装置图

具体实施方式

下面结合具体的微机电系统器件的制作方法，并联系本发明所提供的装置，对本发明进行清楚、完整的说明：

实施例1：硅精密叉指电容的制作

硅叉指电容是硅惯性陀螺的重要组成部分，采用高深宽比的深刻蚀技术将可以缩短叉指间距，增大有效电容，提高分辨率。这里给出一种采用电化学深刻蚀方法制作这种叉指电容，器件的版图设计需考虑叉指电容的尺寸，如间距大于2微米建议采用由小结构组合的方法，本实施例，间距为1微米，其工艺步骤如下：

本实施例采用的样品为硅片，硅片为n-型<100>硅片，其电阻率为1-5Ω·cm。

1、首先采用As离子注入背面，剂量为5×10¹⁵/cm²，能量可选择150keV，然后在1000℃温度下，在氮气中退火激活。

2、在硅片上淀积低应力氮化硅，厚度为500nm。

3、在硅片的正面涂胶，光刻，采用反应离子刻蚀刻掉SiN，在85C，25wt％四甲基氢氧化铵中腐蚀1～2分钟。

4、背面光刻，打开宽度为1微米的腐蚀窗口，并采用反应离子刻蚀将背面窗口的SiN刻掉。

5、在本发明所提供的电化学深刻蚀装置中进行电化学深刻蚀反应，反应时腐蚀电流为10mA/cm²，采用恒定输入电压模式，利用调节背面的光照控制电流，反应温度为0℃，磁感应强度为0.2T。

6、对表面进行氧化处理，进行表面保护。

7、从背面窗口刻蚀硅直到达到腐蚀的孔为止，去除SiO₂。通过上述过程，即可制作成功精密叉指电容。

实施例2：硅微纳米通道

在硅片上制作上下贯通的微纳米通道具有许多用途，它可以制作成微通道型的光电倍增器件，也可以制作成专门应用于纳米生物学的过滤器，如DNA过滤器，另外，还可以作为微纳米针头的中心通道，与实施例1相似，注意若通道密度比较大，对掩模层的要求并不高，可以采用普通的氮化硅、碳化硅以及金铬合金等材料，具体而言，本实施例的硅微纳米通道的制作，硅微纳米通道为0.5μm，样品同样采用硅片，同实施例1样品硅为n-型<100>硅片，其电阻率为1-5Ω·cm，工艺步骤如下：

1、首先采用As或P离子注入背面，剂量为5×10¹⁵/cm²，然而在1000℃温度下，在氮气中退火激活；

2、在硅片上淀积氮化硅，厚度为200nm；

3、在硅片的正面涂胶，光刻，采用反应离子刻蚀刻掉SiN，在85C，25wt％四甲基氢氧化铵1～2分钟；

4、背面光刻，打开窗口，并采用反应离子刻蚀将背面窗口的SiN刻掉；

5、在本发明所提供的电化学深刻蚀系统中进行深刻蚀，根据孔的尺寸，电流密度设定为若需要通道的尺寸很小，本实施例采用了恒定光照模式，利用输入电压的调整控制腐蚀电流，电流为5mA/cm²，电化学深刻蚀过程温度为15℃；

6、内壁表面处理保护以延缓四甲基氢氧化铵的侵蚀。

7、从背面窗口刻蚀硅直到达到腐蚀的孔为止。

Claims

1、一种电化学深刻蚀方法，首先，对n-型<100>硅片背面进行As或者P离子注入并退火激活、在正面淀积掩膜层、通过光刻刻蚀掩膜层打开腐蚀窗口、利用各向异性腐蚀液形成倒金字塔结构，再放进电化学反应槽中进行电化学深刻蚀，其特征在于：电化学深刻蚀过程在磁场中进行，且磁场的方向与n-型<100>硅片表面垂直。

2、一种电化学深刻蚀方法，首先，对n-型<100>硅片背面进行As或者P离子注入并退火激活、在正面淀积掩膜层、通过光刻刻蚀掩膜层打开腐蚀窗口、利用各向异性腐蚀液形成倒金字塔结构，再放进电化学反应槽中进行电化学深刻蚀，其特征在于：电化学深刻蚀过程在温度为-10℃～15℃的环境中进行。

3、如权利要求1所述的电化学深刻蚀方法，其特征在于磁场强度为0.01T～2T之间。

4、如权利要求1、2或者3所述的电化学深刻蚀方法，其特征在于进行小结构刻蚀时腐蚀窗口的形状为宽度为0.1μm～3μm的矩形或线条。

5、如权利要求1、2或者3所述的电化学深刻蚀方法，其特征在于进行大结构刻蚀时，腐蚀窗口的形状为由小结构紧密排列的阵列，这些阵列在经过电化学深刻蚀后就会形成微米或纳米尺度的深孔或者尖端的阵列，再采用施加脉冲电流使小结构之间的隔离层脱落，从而使小结构合并为大结构。