WO2011012036A1

WO2011012036A1 - 由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构及其制作方法

Info

Publication number: WO2011012036A1
Application number: PCT/CN2010/074447
Authority: WO
Inventors: 焦斌斌; 陈大鹏
Original assignee: 中国科学院微电子研究所
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2011-02-03
Also published as: US8652867B2; CN101985348B; US20110175180A1; CN101985348A

Description

由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统（MEMS ), 尤其涉及一种由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构及其制作方法。背景技术

微电子机械系统（MEMS )是在集成电路工艺的基础上发展起来多学科交叉的新型学科，涉及微电子学、机械学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。

随着科学技术的发展，人类对阵列化感知和阵列化操作的需求日渐高涨。阵列化传感器可以使一个芯片同时对多种信息进行感知或者对同一种信息的空间分布情况进行感知。阵列化执行器可以同时并行的进行微观操作，使人类对微观世界的加工效率有效的提高。

现有的 MEMS 阵列化传感器与执行器制作在常规硅片上，由于受到衬底与探测单元的间距限制，产生了如下问题：首先，间距限制了传感器或执行器的可动部分的动作空间；其次，对于工作在低真空下的温度传感器来说，间距的大小直接影响到器件的响应灵敏度对真空度的需求。发明内容

(一）要解决的技术问题

为了解决所面临的前述问题之一，本发明提供了一种由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构及其制作方法，将阵列化的传感器或探测器制作在此种硅材料框架的网格上可以有效地解决之前所提到的问题。

(二）技术方案

根据本发明的一个方面，提供一种由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构，该微米尺度网格结构包括外部边框 1和网格区域 2; 该外部边框 1 为矩形，该网格区域 2中包含有多个网孔 3 , 该网孔 3平铺于网格区域 2 所在的空间平面。优选地，所述外部边框 1的长和宽的长度范围为 1毫米到 100毫米。优选地，所述网孔 3图形可以为三角形、矩形、正方形、任意多边形或其组合，网孔 3的边长为 0.1微米到 1000微米之间。

优选地，所述网格区域 2中的网孔 3之间是网格梁，网格梁的表面进一步附着有钝化材料，例如氮化硅、氧化硅或碳化硅。

根据本发明另一方面，提供了一种由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的制作方法，该方法包括：

步骤 1、在单晶硅片的上表面刻蚀沟槽；

步骤 2、在所述硅片的上表面淀积第一材料，填满所述沟槽并在所述硅片的上表面形成薄膜层；

步骤 3、对所述形成有薄膜层的硅片的上表面进行平坦化；

步骤 4、按预定的网格结构图案刻蚀所述薄膜层；

步骤 5、从所述硅片的下表面腐蚀单晶硅，直至露出所述沟槽中填充的第一材料；

步骤 6、从所述硅片的上表面干法腐蚀所述硅片，形成网格结构。其中步骤 4刻蚀所述薄膜层的步骤具体为：利用图案掩膜，刻除部分相邻沟槽之间的薄膜。步骤 6从所述硅片的上表面干法腐蚀所述硅片的步骤具体为：利用所述预设图案掩膜，对表面不含有所述薄膜层的硅片进行干法腐蚀。

在上述方案的基础上，在本发明的另一实施例中，还可以进一步包括步骤 7和步骤 8:

步骤 7、腐蚀掉所述网格结构上残余的薄膜层；

步骤 8、在所述网格结构上淀积第二材料。

优选地，步骤 1中单晶硅片为 <100>晶向的 p型或 n型硅片。

优选地，步骤 1中在单晶硅片上表面刻蚀沟槽可以釆用二氧化硅作为掩蔽层 ,使用反应离子刻蚀 RIE设备或者感应耦合等离子刻蚀 ICP设备通过各向异性干法进行深硅刻蚀实现，刻蚀完成后釆用氟化氢溶液（ HF )或其氧化物緩冲蚀刻液（BOE )腐蚀掉掩蔽层。

优选地，步骤 2中在硅片的上表面淀积第一材料，可以在硅片上表面通过低压化学气相淀积 LPCVD方法实现，填充的第一材料为氧化硅、磷硅玻璃 PSG或硼磷硅玻璃 BPSG。抛光（CMP )工艺，或者釆用高温炉进行高温回流工艺，工艺温度范围在 200到 700度之间。

优选地，步骤 4 中刻蚀硅片正面薄膜层可以通过使用反应离子刻蚀 RIE设备，釆用 RIE工艺实现。

优选地，步骤 5中所述从硅片的下表面腐蚀单晶硅釆用的是氢氧化钾溶液或者四曱基氢氧化铵 TMAH溶液作为腐蚀溶液。

优选地，步骤 6中所述从硅片的上表面干法腐蚀剩余暴露出的单晶硅薄膜，是釆用二氟化氙作为腐蚀气体的干法化学腐蚀工艺，或者是釆用感应耦合等离子刻蚀 ICP设备通过干法深硅刻蚀实现的。

优选地，步骤 7中所述腐蚀掉网格结构上残留的薄膜层可以釆用氟化氢溶液（HF )或其氧化物緩冲蚀刻液（BOE )腐蚀进行湿法腐蚀实现的。

优选地，步骤 8中所述在网格结构上淀积第二材料可以釆用低压化学气相淀积方法实现，第二材料可以是钝化材料氮化硅、氧化硅或碳化硅。

(三）有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于构成了镂空的网格结构，所以满足了部分传感器或执行器对于大形变空间的需求，解决了依靠牺牲层结构的局限性。

2、利用本发明，由于其镂空网格的特点，所以可以满足某些光学传感器对于双面透光的需求。附图说明

图 1是本发明实施例的由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的俯视图；

图 2是本发明实施例的由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的剖面图；

图 3是本发明实施例的由单晶硅材料构成的附着有钝化材料的微米尺度网格结构的剖面图；图 4是本发明实施例的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法流程图；

图 5至图 13是本发明实施例的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的各个工艺流程中的结构示意图。具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构，是以微细加工手段进行制备的。该微米尺度网格结构包括外部边框 1和网格区域 2, 其实施例的俯视图如附图 1所示。

在该实施例中，该外部边框 1为矩形，该矩形的长和宽的长度范围为 1毫米到 100毫米，该网格区域 2中包含有网孔 3 , 网孔 3图形可为三角形、矩形、正方形、任意多边形或其组合，网孔 3平铺于网格区域 2所在的空间平面（附图 1中以正方形为例），网孔的边长为 0.1 米到 1000 米之间，网孔的网格宽度为 0.1微米到 20微米之间。

网格结构的剖面图如附图 2所示，网格的剖面为矩形,高度为 0.1微米到 1毫米之间。进一步地，网格梁的表面也可以根据应用要求附着例如包括氮化硅（SiN_x )、氧化硅（Si0₂ )或碳化硅（SiC )等的钝化材料 4, 如图 3所示。

图 4示出了本发明提供的制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法流程图，具体制作方法包括如下步骤：

步骤 1、按照预设图案，在单晶硅片 101上表面刻蚀沟槽 102,如图 5、和图 6所示；该方法选用晶向为 <100>的硅片， p型、 n型皆可，其中沟槽的刻蚀深度决定了网格的厚度，因此本发明的方法对网格厚度的控制较好。

在单晶硅片 101上表面刻蚀沟槽 102可以釆用二氧化硅（Si0₂ )作为掩蔽层，使用反应离子刻蚀（RIE )设备或者感应耦合等离子刻蚀（ICP ) 设备通过各向异性干法进行深硅刻蚀实现的，刻蚀完成后釆用氟化氢溶液 ( HF )或其氧化物緩冲蚀刻液（BOE )腐蚀掉掩蔽层。步骤 2、如图 7所示，在所述硅片 101的上表面淀积第一材料，填满所述沟槽 102并在所述硅片 101的上表面形成薄膜层 103。为了方便起见，图中只示出了其中的一小部分。上表面实现。第一材料可以为氧化硅（Si0₂ )、磷硅玻璃（ PSG )或硼磷硅玻璃（BPSG )。

步骤 3、如图 8所示，对硅片的上表面进行平坦化工艺。表面平坦化工艺可以是化学机械抛光（ CMP )工艺也可以使用高温炉进行高温回流工艺，工艺温度范围在 200到 700度之间。

步骤 4、如图 9所示，按照预设图案，刻蚀硅片上表面的薄膜层 103。编号 2表示将要形成的网格梁，因此需要在网格梁 2的两侧和四周保留第一材料。因此可以利用预设图案掩膜，刻除部分相邻沟槽之间的薄膜层，从而形成如图 9所示的结构。

该刻蚀过程可以通过使用反应离子刻蚀（RIE )设备，釆用 RIE工艺实现的。

步骤 5、如图 10所示，从下表面腐蚀单晶硅 101 , 直到露出沟槽 102 中的第一材料后终止。这个步骤可以釆用氢氧化钾（KOH )溶液或者四曱基氢氧化铵（TMAH )溶液作为腐蚀溶液。

步骤 6、如图 11所示，从硅片的上表面利用干法腐蚀表面没有薄膜层覆盖的单晶硅片，构成网格结构。可以釆用 XeF₂ (二氟化氙）作为腐蚀气体的干法化学腐蚀工艺或者釆用感应耦合等离子刻蚀（ICP )设备通过干法深硅刻蚀实现。

至此为止，形成了一种如图 11 所示的网格结构，该网格结构包括单晶硅材料以及第一材料，第一材料可以是氧化硅（Si0₂ )、磷硅玻璃 (PSG) 或硼磷硅玻璃 (BPSG), 可以通过低压化学气相淀积（LPCVD ) 的手段在硅片上表面实现。

在特定的需要下，例如在生物化学领域可以当作细胞筛使用这样的网格结构。

在本发明的其它实施例中，在步骤 6形成这种网格结构之后，还可以进一步包括步骤 7和步骤 8: 步骤 7、如图 12所示，腐蚀掉所述网格结构上残留的薄膜层 103。可以釆用 HF或其緩冲溶液（BOE )腐蚀进行湿法腐蚀来实现。这样，即得到图 12所示的微米尺度网格结构，包括外部边框 1和网格区域 2, 网格区域 2中包含有多个平铺于网格区域 2所在的空间平面的网孔 3。

步骤 8、如图 13所示，在所述网格结构上淀积第二材料 4, 例如钝化材料 4。为了方便起见，图中只示出了其中两个网孔，具体的网格正面结构请参照图 1。

其中，第二材料 4可以是氮化硅（SiNx )、氧化硅（Si0₂ )或碳化硅 ( SiC )等钝化材料，其淀积方式釆用低压化学气相淀积（LPCVD ) 的手段实现。可以如图 13 所示，在网格的整个外表面上淀积第二材料，也可以在形成的网格结构的上表面或下表面或侧壁淀积第二材料，具体根据工艺需求。

本发明的实施例形成的单晶硅材料构成的微米尺度网格结构，实现了微米尺度下的网格结构，在这种网格结构的网格上设置 MEMS 阵列单元或执行器，例如传感器或探测器等，增大了器件的可变化空间，满足了部分传感器或执行器对于大形变空间的需求，解决了依靠牺牲层结构的局限性。

此外本发明实施例镂空网格的特点，所以可以满足某些光学传感器对于双面透光的需求。

而且本发明实施例的结构在生物化学领域可以当作细胞筛使用，可以根据需要筛选的细胞大 d、来制作合适的网孔。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims

权利要求

1、一种由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构，所述微米尺度网格结构包括外部边框（ 1 )和网格区域（2 ); 所述外部边框（ 1 )为矩形，所述网格区域（2 ) 中包含有多个网孔（3 ), 所述网孔（3 )平铺于网格区域

( 2 )所在的空间平面。

2、根据权利要求 1所述的网格结构，其中，所述外部边框 ( 1 )为矩形，长和宽的长度范围为 1毫米到 100毫米。

3、根据权利要求 1所述的网格结构，其中，所述网孔（3 ) 图形为三角形、矩形、正方形、任意多边形或其组合，网孔（3 )的边长为 0.1微米到 1000微米之间。

4、根据权利要求 1所述的网格结构，其中，所述网格区域（2 ) 中的网孔（3 )之间是网格梁，网格梁的表面进一步附着有包括氮化硅、氧化硅或碳化硅的钝化材料。

5、一种制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，包括：步骤 1、在单晶硅片的上表面刻蚀沟槽；

步骤 3、对所述形成薄膜层的硅片的上表面进行平坦化；

步骤 4、按预定的网格结构图案刻蚀所述薄膜层；

步骤 6、从所述硅片的上表面干法腐蚀所述硅片，形成网格结构；步骤 7、腐蚀掉所述网格结构上残余的薄膜层；

步骤 8、在所述网格结构上淀积第二材料。

6、根据权利要求 5所述的方法，其中，步骤 1中所述单晶硅片为 <100> 晶向的 p型或 n型硅片。

7、根据权利要求 5所述的方法，其中，步骤 1 中所述在单晶硅片的上表面刻蚀沟槽的步骤包括：釆用二氧化硅作为掩蔽层；使用反应离子刻蚀 RIE设备或者感应耦合离子刻蚀 ICP设备通过各向异性干法进行深硅刻蚀；釆用氟化氢溶液 HF或其氧化物緩冲蚀刻液 BOE腐蚀掉掩蔽层。

8、根据权利要求 5所述的方法，其中，步骤 2中所述在所述硅片的上表面淀积第一材料的步骤包括，在硅片上表面通过低压化学气相淀积 LPCVD方法实现，所述第一材料为氧化硅、磷硅玻璃 PSG或硼磷硅玻璃 BPSG。

9、根据权利要求 5所述的方法，其中，步骤 3中所述对硅片的上表面进行平坦化步骤包括，釆用化学机械抛光 CMP工艺，或者釆用高温炉进行高温回流工艺，工艺温度范围在 200到 700度之间。

10、根据权利要求 5所述的方法，其中，步骤 4中所述刻蚀所述薄膜层的步骤包括，通过使用反应离子刻蚀 RIE设备，釆用 RIE工艺实现。

11、根据权利要求 5所述的方法，其中，步骤 5中所述从所述硅片的下表面腐蚀单晶硅釆用的是氢氧化钾溶液或者四曱基氢氧化铵 TMAH溶液作为腐蚀溶液。

12、根据权利要求 5所述的方法，其中，步骤 6中从所述硅片的上表面干法腐蚀所述硅片的步骤包括，釆用二氟化氙作为腐蚀气体的干法化学腐蚀工艺，或者是釆用感应耦合等离子刻蚀 ICP设备通过干法深硅刻蚀。

13、根据权利要求 5所述的方法，其中，步骤 7中腐蚀掉所述网格结构上残余的薄膜层的步骤包括，釆用氟化氢溶液 HF或其氧化物緩冲蚀刻液 BOE腐蚀进行湿法腐蚀。

14、根据权利要求 5所述的方法，其中，步骤 8中在所述网格结构上淀积第二材料的步骤包括，釆用低压化学气相淀积方法，第二材料是包括氮化硅、氧化硅或碳化硅的钝化材料。

15、根据权利要求 5至 14中任一项所述的方法，其中步骤 4刻蚀所述薄膜层的步骤包括，利用预设图案掩膜，刻除部分相邻沟槽之间的薄膜层。

16、根据权利要求 15所述的方法，其中步骤 6从所述硅片的上表面干法腐蚀所述硅片，形成网格结构的步骤包括，对表面不含有所述薄膜层的硅片进行干法腐蚀。

17、一种制作由单晶硅材料构成的微米尺度网格结构的方法，包括：步骤 1、在单晶硅片的上表面刻蚀沟槽；步骤 2、在所述硅片的上表面淀积第一材料，填满所述沟槽并在所述硅片的上表面形成薄膜层；

步骤 3、对所述形成薄膜层的硅片的上表面进行平坦化；

步骤 4、按预定图案刻蚀所述薄膜层；

步骤 5、从所述硅片的下表面腐蚀单晶硅，直至露出所述沟槽中的第一材料；

步骤 6、从所述硅片的上表面干法腐蚀所述硅片，形成网格结构。

18、根据权利要求 17所述的方法，其中步骤 4刻蚀所述薄膜层的步骤包括利用图案掩膜，刻除部分相邻沟槽之间的薄膜。

19、根据权利要求 18所述的方法，其中步骤 6从所述硅片的上表面干法腐蚀所述硅片，形成网格结构的步骤包括，对表面不含有所述薄膜层的硅片进行干法腐蚀。