TW201312651A - 具有懸浮層的單晶矽板製法及其結構及微加熱器 - Google Patents
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Abstract
本發明是一種具有懸浮層的單晶矽板製法及其結構及微加熱器，係先準備包含有一晶向為<111>的單晶矽基板，其表面形成一摻雜層，先對該摻雜層蝕刻形成複數個蝕刻窗口，再進行異向性蝕刻以在單晶矽基板內部形成空穴，該摻雜層對應空穴的區域形成一懸浮層，懸浮層相對兩端上設置電極層即形成微加熱器，其中蝕刻窗口的延伸方向平行於<111>晶面；藉由該單晶矽基板的單晶結構以及其內部摻雜濃度的不同，使單晶矽基板具有較高的蝕刻選擇比，因此當蝕刻大面積的空穴時，仍可控制懸浮層的厚度。
Description
本發明是有關一種單晶矽板製法及其結構及微加熱器，特別是指具有懸浮層的單晶矽板製法及其結構及微加熱器。
一般在矽基板形成懸浮層的方法，有採用高濃度雜質掺雜蝕刻終止技術，如美國專利第5116457號，係於矽基板上形成一高濃度雜質掺雜的掺雜層，再於該掺雜層上形成蝕刻窗口；接著，將矽基板浸入蝕刻液中，因蝕刻液在掺雜層的蝕刻速度快於未被高濃度雜質所掺雜的區域，其蝕刻選擇比約為50；藉此特性，蝕刻液將經由蝕刻窗口對未被高濃度雜質掺雜的矽基板區域蝕刻而形成一空穴，因蝕刻液在掺雜層上的蝕刻速度相對較慢，使掺雜層可被保留在空穴上方，而形成一懸浮層。
微加熱器(Micro-heater)即是一個應用懸浮層所構成的元件，惟一般微加熱器通常需要形成一大面積的空穴，因此需要較長的濕式蝕刻時間以形成大面積空穴；雖然蝕刻液在掺雜層的蝕刻速度快於未被高濃度雜質掺雜區域，但蝕刻時間一長，仍將導致懸浮層區域被過度蝕刻，難以掌握懸浮層的厚度。
因此本發明的主要目的是提供一種具有懸浮層的單晶矽板製法，當進行大面積的濕式蝕刻製程時，仍可有效控制懸浮層的厚度，避免懸浮層的厚度被過度蝕刻。
為達前揭目的，本發明所採用的技術手段是令該具有懸浮層的單晶矽板製法包含以下步驟：提供一晶格方向為<111>的單晶矽基板；於該單晶矽基板上表面進行高濃度雜質掺雜而形成一掺雜層；形成複數個蝕刻窗口於該掺雜層，其中蝕刻窗口的延伸方向平行於<111>晶面；異向性蝕刻該單晶矽基板，使該單晶矽基板內部形成一空穴，該掺雜層對應該空穴區域形成一懸浮層。
本發明提供一種具有懸浮層的單晶矽板結構，其包含：一單晶矽基板，其晶向為<111>，該單晶矽基板表面形成一掺雜層，該掺雜層形成有複數個蝕刻窗口，其中蝕刻窗口的延伸方向平行於<111>晶面；以及一空穴，形成在該單晶矽基板內部，該掺雜層對應空穴的區域形成一懸浮層，且該空穴連通蝕刻窗口。
本發明提供一種微加熱器，其包含：一單晶矽基板，其晶向為<111>，該單晶矽基板表面形成一掺雜層，該掺雜層形成有複數個蝕刻窗口，其中蝕刻窗口的延伸方向平行於<111>晶面；一空穴，形成在該單晶矽基板內部，該掺雜層對應空穴的區域形成一懸浮層，且該空穴連通蝕刻窗口；以及兩相對設置的電極層，形成於該掺雜層表面且分別位於該懸浮層相對兩端。
因此，根據本發明製法，當進行蝕刻空穴時，掺雜層被蝕刻的速度遠低於單晶矽基板中未被高濃度雜質掺雜區域被蝕刻的速度，同時，藉由該單晶矽板的單晶結構，單晶矽基板在橫向被蝕刻的速度遠高於對在垂直方向被蝕刻的速度，故根據該單晶矽基板內雜質濃度與晶向的特性，令單晶矽中的蝕刻選擇比可達2500；是以，當進行蝕刻製程時，藉由較佳的蝕刻選擇比，可有效控制空穴面積以及掺雜層厚度，避免過度蝕刻掺雜層，係有利於形成大面積的空穴。
請參考圖1A至圖1E所示，係本發明製法的流程圖。
如圖1A所示，首先提供一晶格方向為<111>的單晶矽基板11，該單晶矽板11的上表面形成一掺雜層12；本實施例中，係由離子佈植手段將離子(選自氧、硼或硼氟)植入單晶矽基板11中，進而在其上表面形成高濃度雜質掺雜的掺雜層12，其中該掺雜層12的雜質濃度大於1019cm-3。
如圖1B與1C所示，於該掺雜層12形成一蝕刻窗口120，蝕刻窗口120延伸方向平行於<111>晶面，蝕刻窗口120可為三個直槽121，各直槽121的深度係大於該掺雜層12的厚度，由其深度決定後續步驟所形成之空穴的深度；各個直槽121具有相對的兩端，三個直槽121的一端彼此連通，另端形成自由端，由平面視之，三個直槽121彼此之間的夾角可為120而形成放射狀，且直槽121的延伸方向平行於<111>晶面；在形成蝕刻窗口120之前，可先在掺雜層12上形成一圖案化的阻擋層，由阻擋層決定出蝕刻窗口的形狀，接著進行乾式蝕刻，如電漿蝕刻，未被阻擋層覆蓋的區域即可形成蝕刻窗口；於蝕刻窗口形成後，移除阻擋層。
請參考圖1D與1E所示，將該單晶矽基板11浸入蝕刻液(如氫氧化四甲基銨溶液，TMAH)中進行異向性蝕刻，因掺雜層12具有較高的雜質濃度，掺雜層12被蝕刻的速度係遠低於單晶矽基板11中未被高濃度雜質掺雜區域被蝕刻的速度；此外，藉由單晶矽基板11的<111>晶向結構，單晶矽基板11在縱向被蝕刻的速度遠低於其在垂直方向被蝕刻的速度；是以，在異向性蝕刻作業後即可在該單晶矽基板11中形成一空穴110，而掺雜層12對應空穴110的區域則懸浮在空穴110上方，形成一懸浮層122。
欲在一單晶矽基板形成大面積的懸浮層與空穴，請參考圖2A至圖2C所示，根據上述製法，先於一掺雜層12形成複數個蝕刻窗口120，並使該複數蝕刻窗口120全體排列構成一六邊形，再進行異向性蝕刻該單晶矽基板11；蝕刻液自蝕刻窗口120浸入單晶矽基板11內部以蝕刻形成一空穴110，其中該空穴110係連通每一個蝕刻窗口120，空穴110的形狀可為六邊形；掺雜層12對應該空穴110的區域則形成一懸浮在空穴110上方的懸浮層122。
請參考圖3A至圖3C所示，係懸浮層的第二實施例，先於掺雜層12表面形成複數個蝕刻窗口120，以及四個分離且相對設置的周邊蝕刻窗口123，該周邊蝕刻窗口123排列構成一六邊形的輪廓，該複數個蝕刻窗口120則形成在周邊蝕刻窗口123所圍區域內，各周邊蝕刻窗口123的深度相同於蝕刻窗口120的深度；接著進行異向性蝕刻，蝕刻液經由蝕刻窗口120與周邊蝕刻窗口123對單晶矽基板11加以蝕刻，進而在單晶矽基板11內部形成一空穴110；掺雜層12對應該空穴110的區域則形成一懸浮在空穴110上方的懸浮層122。
綜合以上所述，可歸納出具有懸浮層的單晶矽板結構，主要可參考圖2C所示，其包含有一單晶矽基板11與一空穴110。
該單晶矽基板11的晶向為<111>，其表面形成一掺雜層12，該掺雜層12形成有複數個蝕刻窗口120，其中蝕刻窗口120可為三個直槽121，三個直槽121的一端彼此連通，直槽121的延伸方向平行於<111>晶面。
該空穴110形成在該單晶矽基板11內部，該掺雜層12對應空穴110的區域形成一懸浮層122，且該空穴110連通蝕刻窗口120。
請參考圖4A與圖4B所示，係一種應用本發明製法所製成的微加熱器(Micro-heater)，承第二較佳實施例的製法，可在形成蝕刻窗口120之前，先在掺雜層12表面形成兩相對設置的電極層20，再進行後續的製程作業，製程作業完成後，該兩電極層20分別位於該懸浮層122相對兩端；該兩電極層20分別供連接一電源，進而使電流通過該懸浮層122而產生熱。
綜合以上所述，本發明製法在蝕刻過程中，藉由該單晶矽基板11中掺雜層12的雜質濃度較高，令掺雜層12被蝕刻的速度遠低於單晶矽基板11未被高濃度雜質掺雜區域的被蝕刻速度；同時，藉由該單晶矽基板11的<111>單晶結構，令單晶矽基板11在橫向被蝕刻的速度遠高於其在垂直方向被蝕刻的速度。根據上述兩個特性，令單晶矽基板11的蝕刻選擇比可達2500；是以，因單晶矽基板11具有高的蝕刻選擇比，當進行蝕刻製程時，對於空穴110及空穴110上方掺雜層12厚度的掌控將更精確。
11．．．單晶矽基板
110．．．空穴
12．．．掺雜層
120．．．蝕刻窗口
121．．．直槽
122．．．懸浮層
123．．．周邊蝕刻窗口
20．．．電極層
圖1A~圖1E：本發明製法單個蝕刻窗口流程示意圖。
圖2A~圖2C：本發明製法多個蝕刻窗口流程示意圖。
圖3A~圖3C：本發明製法多個蝕刻窗口流程示意圖。
圖4A：微加熱器平面示意圖。
圖4B：圖4A剖視圖。
110．．．空穴
12．．．掺雜層
120．．．蝕刻窗口
122．．．懸浮層
Claims (13)
- 一種具懸浮層的單晶矽板製法，其步驟包含有：提供一晶格方向為<111>的單晶矽基板；於該單晶矽基板上表面進行高濃度雜質掺雜而形成一掺雜層；形成複數個蝕刻窗口於該掺雜層，其中蝕刻窗口的延伸方向平行於<111>晶面；異向性蝕刻該單晶矽基板，使該單晶矽基板內部形成一空穴，該掺雜層對應該空穴區域形成一懸浮層。
- 如申請專利範圍第1項所述之具懸浮層的單晶矽板製法，於該掺雜層形成複數個蝕刻窗口的步驟中，由蝕刻窗口的深度決定該空穴的深度。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之具懸浮層的單晶矽板製法，該單晶矽基板由離子佈植手段形成該掺雜層，該掺雜層的雜質濃度大於1019cm-3。
- 如申請專利範圍第3項所述之具懸浮層的單晶矽板製法，各蝕刻窗口可為三個直槽，三個直槽的一端彼此連通，直槽的延伸方向平行於<111>晶面。
- 如申請專利範圍第4項所述之具懸浮層的單晶矽板製法，該掺雜層包含選自氧、硼或硼氟元素。
- 如申請專利範圍第5項所述之具懸浮層的單晶矽板製法，於該掺雜層形成複數個蝕刻窗口的步驟中，先在該掺雜層上形成一圖案化的阻擋層，由阻擋層決定出蝕刻窗口的形狀，接著進行乾式蝕刻，未被阻擋層覆蓋的區域即形成所述蝕刻窗口。
- 如申請專利範圍第6項所述之具懸浮層的單晶矽板製法，於掺雜層形成複數個蝕刻窗口時，同時形成四個分離且相對設置的周邊蝕刻窗口。
- 一種具懸浮層的單晶矽板結構，其包含有：一單晶矽基板，其晶向為<111>，該單晶矽基板表面形成一掺雜層，該掺雜層形成有複數個蝕刻窗口，其中蝕刻窗口的延伸方向平行於<111>晶面；以及一空穴，形成在該單晶矽基板內部，該掺雜層對應空穴的區域形成一懸浮層，且該空穴連通蝕刻窗口。
- 如申請專利範圍第8項所述具懸浮層的單晶矽板結構，各蝕刻窗口可為三個直槽，三個直槽的一端彼此連通。
- 如申請專利範圍第8或9項所述具懸浮層的單晶矽板結構，該掺雜層的雜質濃度大於1019cm-3。
- 如申請專利範圍第10項所述具懸浮層的單晶矽板結構，該掺雜層包含選自氧、硼或硼氟元素。
- 一種微加熱器，其包含有：一單晶矽基板，其晶向為<111>，該單晶矽基板表面形成一掺雜層，該掺雜層形成有複數個蝕刻窗口，其中蝕刻窗口的延伸方向平行於<111>晶面；一空穴，形成在該單晶矽基板內部，該掺雜層對應空穴的區域形成一懸浮層，且該空穴連通蝕刻窗口；以及兩相對設置的電極層，形成於該掺雜層表面且分別位於該懸浮層相對兩端。
- 如申請專利範圍第12項所述之微加熱器，各蝕刻窗口可為三個直槽，三個直槽的一端彼此連通。
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