CN1749153A - 一种mems传感器悬梁结构的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电子机械系统加工领域，特别是一种MEMS传感器悬梁结构的制造方法。其包括以下步骤：1.准备原始硅片；2.在第一原始硅片上采用重复氧化方法，形成悬梁结构下面的氧化层图形；3.制作过渡多晶硅层；4.制作键合片、形成顶层硅；5.湿法释放悬梁结构。本发明方法克服了干法释放质量块时其质量块也要受到横向腐蚀的缺点，能获得较大的质量块，不需制作网状悬梁结构来满足释放条件，提高了传感器可动悬梁灵敏度，可以缩短梳妆质量块的长度和叉子个数，缩小传感器的体积。

Description

一种MEMS传感器悬梁结构的制造方法
(一)技术领域
本发明涉及微电子机械系统加工领域，特别是一种MEMS传感器悬梁结构的制造方法。
(二)背景技术
微机电系统(MEMS)是利用半导体工艺，来制造整合机械及电子元件，以达到系统微小化的目的。MEMS的加工工艺多种多样，有传统的体加工工艺、表面牺牲层工艺、深槽刻蚀与键合工艺相结合、SCREAM(Single Crystal Reactive Etching and Metallization)工艺、LIGA工艺等。其中，SCREAM工艺是一种用来制造沿晶圆片水平面上移动的微致动器或结构，它可以制造出许多硅基的网状或者梁式可动结构，用于力学传感等领域。但常规SCEAAM工艺采用的是干法释放悬梁结构方法，没有湿法释放的液体张力作用，释放时间较短，需要把可动结构设计网状以满足释放条件，这会降低力学感应灵敏度。且悬梁结构的块很薄。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种MEMS传感器悬梁结构的制造方法，以不需要设计网状可动悬梁结构来满足释放条件，使获得传感器更敏感的力学灵敏度；增大悬梁结构块的质量厚度；使悬梁结构底部几何图形更规整。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案在于MEMS传感器悬梁结构的制造方法的步骤为：
(1)准备原始硅片；
(2)在第一原始硅片上采用重复氧化方法形成悬梁结构下面的氧化层图形；
(3)制作过渡多晶硅层；
(4)制作键合片，形成顶层硅；
(5)释放顶层硅，形成悬梁结构。
所述准备原始硅片步骤包括选片、进行双面抛光，获得第一原始硅片和第二原始硅片。
所述在第一原始硅片上形成MEMS悬梁结构下面的氧化层图形步骤包括：
(1)采用高压氧化、掺磷氧化、低温淀积、溅射中的任一方法，在第一原始硅片上获得氧化层；
(2)采用常规光刻和化学腐蚀，在第一原始硅片顶形成悬梁结构下面的氧化层图形，并在其背面形成双面对位标记。
所述制作过渡多晶硅层步骤包括：
(1)采用常规低压化学汽相淀积(LPCVD)方法，在所获得的具有悬梁结构下面氧化层图形的第一原始硅片上生长一层预多晶硅层；
(2)采用常规外延方法在预多晶硅层上生长一层多晶硅层；
(3)采用化学机械抛光(CMP)方法对所述的多晶硅层表面进行平整处理。
所述制作键合片，形成顶层硅步骤包括：
(1)将具有过渡多晶硅层的第一原始硅片与第二原始硅片进行清洗，再用稀氢氟酸(HF)去掉自然氧化层，即亲水处理；
(2)采用常规键合工艺将第二原始硅片与第一原始硅片上的过渡多晶硅层进行预键合、强化键合处理，获得键合片；
(3)对键合片的第二原始硅片进行减薄；
(4)采用化学机械抛光(CMP)法去掉第二原始硅片的一部份硅层，得到顶层硅。
所述湿法释放顶层硅，形成悬梁结构步骤包括：
(1)采用双面光刻把第一原始硅片背面上的对位标记复制到顶层硅上；
(2)在所述顶层硅上用常规氧化方法形成二氧化硅掩膜层；
(3)通过双面光刻、腐蚀二氧化硅，形成所述悬梁结构形状；
(4)采用硅干法刻蚀方法，进行深槽刻蚀，直到露出所述悬梁结构下面的氧化层；
(5)采用二氧化硅湿法腐蚀，去掉悬梁结构下面的氧化层，脱水后释放出所需的悬梁结构。
有益效果。由于本发明方法采用了上述的工艺步骤，其具有如下优点：
1.在第一原始硅片上进行了重复氧化和淀积多晶硅，可使悬梁结构质量块下面的氧化层做的尽可能厚，使质量块端头可以做成方形，从而增加了悬梁结构质量块的厚度和质量。
2.通过湿法腐蚀悬梁结构下面的氧化层，释放顶层硅，形成悬梁结构质量块，其腐蚀选择性高，克服了干法释放质量块时质量块要被横向腐蚀的缺点，使获得的质量块底部几何图形规整，且湿法释放质量块速度更快。
3.由于上述两个优点，使得制作悬梁结构质量块时，不需把悬梁结构制成网状结构来满足释放条件，从而大大提高了传感器的力学灵敏度，并且可以缩短梳状质量块的长度和叉子个数，缩小了传感器的体积。
(四)附图说明
图1为本发明带氧化层的第一原始硅片的剖面示意图。
图2是本发明图1的硅片背面形成双面曝光对位标记和悬梁结构下面的剖面示意图。
图3是本发明图2的硅片上生长预多晶层和多晶硅层后的剖面示意图。
图4是本发明图3的硅片经过减薄、抛光形成过渡多晶硅层后的剖面示意图。
图5是本发明图4的硅片与第二原始硅片键合后的剖面示意图。
图6是本发明图5的键合硅片经过深槽刻蚀硅后的剖面示意图。
图7是本发明图6的键合硅片经过湿法释放出悬梁结构后的剖面示意图。
(五)具体实施方式
现结合附图对本发明加以进一步说明。
本发明的MEMS传感器悬梁结构的制造方法步骤为：准备第一原始硅片1和第二原始硅片5；在第一原始硅片1上采用重复氧化方法形成悬梁结构下面的氧化层图形2；制作过渡多晶硅层4；制作键合片，形成顶层硅5；湿法释放悬梁结构6。
1.准备原始硅片：
采用两个双面抛光的第一原始硅片1和第二原始硅片5，电阻率5～8Ω·cm，<100>晶向，硅片厚度为400μm；
2.在第一原始硅片1上形成悬梁结构下面的氧化层图形2：
(1)在900℃温度下，高压氧化生长1μm二氧化硅；清洗后，低温淀积(650℃)500nm多晶硅；再在900℃温度下，高压氧化生长1μm二氧化硅；最终形成约2μm厚的二氧化硅层2(如图1所示)；
(2)采用常规AZ6112正性光刻胶进行光刻；光刻的腐蚀采用氟化氨缓冲腐蚀液，恒温在40℃，腐蚀二氧化硅直到窗口上的氧化层完全干净；腐蚀时间为12min；由此在第一原始硅片1上形成悬梁结构下面的氧化层图形2(如图2所示)；
(3)采用常规双面光刻，形成双面对位标记3；
3.制作过渡多晶硅层4：
(1)在650℃温度下采用低压化学汽相淀积(LPCVD)法，在已形成悬梁结构下面的氧化层图形的所述原始硅片1上生长500nm预多晶硅层；
(2)采用1#液(硫酸、双氧水、去离子水混合物)、2#液(氨水、双氧水、去离子水混合物)对所述硅片进行清洗，放到外延设备(1200℃)中生长50～60μm厚度的多晶硅(如图3所示)。
(3)对已形成过渡多晶硅层4后的第一原始硅片1的正面多晶硅层进行减薄，减薄外延层厚度30μm，再采用AVANT472化学机械抛光设备，对其进行抛光，形成平整的表面(如图4所示)；
4.制作键合片，形成顶层硅5：
(1)将已形成过渡多晶硅层4的第一原始硅片1和第二原始硅片5用1#液、2#液清洗，然后，用稀氢氟酸(HF)液将第一原始硅片1和第二原始硅片5进行亲水处理；
(2)在CL200预键合机上采用常规键合工艺，将第二原始硅片5与第一原始硅片1上的过渡多晶硅层进行预键合，然后在GK-6高温退火炉(强化键合温度为1000℃-1200℃)中进行强化键合，获得键合片(如图5所示)；
(3)在VG202MK II精密减薄机上对键合片的第二原始硅片5进行减薄，可减薄至需要的厚度；
(4)在AVANTI472CMP抛光机上，对减薄后的第二原始硅片5进行抛光处理，得到顶层硅5；
5.释放悬梁结构6：
(1)采用双面光刻把第一原始硅片1背面的对位标记复制到顶层硅5(60μm)上；
(2)在所述顶层硅5上用常规氧化方法形成600nm SiO2掩膜层；
(3)通过常规光刻、腐蚀，在第二原始硅片5上形成深槽刻蚀需要的图形；
(4)在A601E深槽刻蚀机上用SF6和C4F8气体刻蚀硅深槽，腐蚀时间为30min，直到键合面处的SiO2层完全暴露出来(如图6所示)；
(5)在40℃恒温槽里，用氟化氨缓冲腐蚀液进行湿法腐蚀，腐蚀悬梁结构下面的SiO2层，腐蚀时间为30min到2h，去掉悬梁结构下面的氧化层；
(6)将(5)步已处理好的硅片，在乙醇中浸泡，慢慢取出，让乙醇挥发，释放出硅悬梁结构6(如图7所示)。
上述实施例中，原始材料硅片的晶向可以是<100>或<110>或<111>；在第一原始硅片1上获得氧化层，还可采用掺磷氧化、低温淀积、溅射等方法中任一方法；对键合片的第二原始硅片进行减薄的硅片的厚度可经根据需要增加或减少；隔离槽刻蚀的深度和刻蚀时间等要根据需要确定。本发明的其他未述具体工艺加工方法，如清洗、氧化、抛光、键合、减薄、深槽刻蚀、外延、光刻、干/湿法腐蚀等及其工艺参数、材料、化学药品等是本领域通用技术，这里不再赘述。

Claims (6)

1.一种MEMS传感器悬梁结构的制造方法，其包括以下步骤：
(1)准备原始硅片；
(2)在第一原始硅片上采用重复氧化方法形成悬梁结构下面的氧化层图形；
(3)制作过渡多晶硅层；
(4)制作键合片，形成顶层硅；
(5)湿法释放顶层硅，形成悬梁结构。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器悬梁结构的制造方法，其特征在于：所述准备原始硅片步骤包括选片、进行双面抛光，获得第一原始硅片和第二原始硅片。
3.如权利要求1所述的MEMS传感器悬梁结构的制造方法，其特征在于：所述在第一原始硅片上采用重复氧化方法形成MEMS悬梁结构下面的氧化层图形步骤包括
(1)采用高压氧化、掺磷氧化、低温淀积、溅射中的任一方法氧化，淀积多晶硅，再氧化，在第一原始硅片上获得氧化层；
(2)采用常规光刻和化学腐蚀，在第一原始硅片顶形成悬梁结构下面的氧化层图形，并在其背面形成双面对位标记。
4.如权利要求1所述的MEMS传感器悬梁结构的制造方法，其特征在于：所述制作过渡多晶硅层步骤包括
(1)采用常规低压化学汽相淀积(LPCVD)方法，在所获得的具有悬梁结构下面的氧化层图形的第一原始硅片上生长一层预多晶硅层；
(2)采用常规外延方法在预多晶硅层上生长一层多晶硅层；
(3)采用化学机械抛光(CMP)方法对所述的多晶硅层表面进行平整处理。
5.如权利要求1所述的MEMS传感器悬梁结构的制造方法，其特征在于：所述制作键合片，形成顶层硅步骤包括
(1)将具有过渡多晶硅层的第一原始硅片与第二原始硅片进行清洗，再用稀氢氟酸(HF)去掉自然氧化层，即亲水处理；
(2)采用常规键合工艺将第二原始硅片与第一原始硅片上的过渡多晶硅层进行预键合、强化键合处理，获得键合片；
(3)对键合片的第二原始硅片进行减薄；
(4)采用化学机械抛光(CMP)法去掉第二原始硅片的一部份硅层，得到顶层硅。
6.如权利要求1所述的MEMS传感器悬梁结构的制造方法，其特征在于：所述湿法释放顶层硅，形成悬梁结构步骤包括：
(1)采用双面光刻把第一原始硅片背面上的对位标记复制到顶层硅上；
(2)在所述顶层硅上用常规氧化方法形成二氧化硅掩膜层；
(3)通过光刻、腐蚀二氧化硅，形成所述悬梁结构形状；
(4)采用硅干法刻蚀方法，进行深槽刻蚀，直到露出所述悬梁结构下面的氧化层；
(5)采用二氧化硅湿法腐蚀，去掉悬梁结构下面的氧化层，脱水后释放出所需的悬梁结构。
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