CN101665231A - 一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在(100)硅片上采用双面对穿腐蚀制造的薄膜器件结构及其制造方法。其特征在于硅片正面是具有特定组合结构腐蚀窗口的薄膜器件结构层和功能层，硅片反面是矩形腐蚀窗口；中间是双面对穿腐蚀形成的空腔。关键在于正反两面腐蚀窗口的结构设计及其排布上。正面腐蚀窗口为与<100>晶向成±30度夹角以内、长宽比例范围在5∶1到100∶1以内的狭长条形窗口及其组合，反面腐蚀窗口为边长沿<110>晶向的矩形窗口。双面对穿腐蚀释放薄膜的方法有效减少薄膜器件的制造时间，准确控制释放薄膜的结构尺寸，使器件具有良好的一致性和高的成品率，并显著提升器件的性能，特别适合于热相关的器件。

Description

一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件结构及方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜器件的结构及其制造方法，更确切地说，涉及一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件结构及方法。属于微电子机械***(MEMS)领域。

背景技术

近年来，各种薄膜器件，如红外探测器、红外光源和微型面加热器等，已经在公共安全、医学诊断、环境监测、工业控制、天文研究等领域中逐步得到应用，并日益受到人们的关注。随着应用的不断推广，对薄膜器件的低成本、低功耗、高性能、高可靠的要求也日益强烈。采用目前日臻成熟的MEMS技术，利用稳定可靠的工艺手段是薄膜器件微型化、低成本、高可靠的主流发展方向。

目前基于硅衬底的薄膜器件加工过程中，在进行薄膜结构释放的时候主要采用两种方法实现。一是从背面腐蚀穿透整个衬底来释放膜结构，二是从正面腐蚀牺牲层或部分腐蚀衬底从而实现膜结构释放。

利用背面腐蚀制造器件，需要腐蚀数百微米厚的衬底才能释放薄膜，导致腐蚀时间长，器件面积大，成品率不高，同时硅片厚度的偏差引起腐蚀状况不一致，导致薄膜释放不彻底、不均匀，最终器件性能偏差大、难以满足大批量生产的需要。

利用正面腐蚀制造器件，腐蚀时间短、器件面积小，但薄膜与衬底的间距由腐蚀窗口决定，通常只有几十微米，对于热相关器件，特别对高温薄膜器件来说，隔热效果差，直接导致器件性能差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造的薄膜器件结构及其制造方法。

本发明提供的一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件的结构特征为：硅片正面是具有特定组合结构腐蚀窗口的薄膜器件结构层，在该结构层上可以根据不同的应用制作不同的功能层；硅片反面是矩形腐蚀窗口；中间是双面对穿腐蚀形成的空腔。本发明制造薄膜器件的关键在于正反两面腐蚀窗口的结构设计及其排布上。具体如下：

正面腐蚀窗口的特征：正面腐蚀窗口为与<100>晶向成±30度夹角以内、长宽比为5∶1到100∶1比例范围的狭长条形窗口，如图1所示。窗口数量可以为单个条形窗口或多个条形窗口的组合，组合方式可分为两类：平行组合方式(如图2(a)所示)和正交组合方式(如图2(b)所示)。在实际应用中可以使用一种组合方式也可同时使用平行和正交两种组合方式来制作器件，如图3所示。夹角的选择应综合考虑器件功能层的大小、结构层薄膜支撑强度等因素。窗口长宽比例应结合腐蚀时间和结构要求选定，不同取向的腐蚀窗口侧蚀后可形成不同的薄膜形状和面积。狭长的腐蚀窗口可以保证长边两侧的快速腐蚀和短边两侧的缓慢腐蚀，从而实现小面积窗口腐蚀得到大面积薄膜的释放。通过适当排布条形窗口可以达到快速而准确地释放膜区的目的。

反面腐蚀窗口的特征：反面腐蚀窗口是边长沿<110>晶向的矩形，如图4所示。由于硅的各向异性腐蚀液对(111)面的腐蚀速度相对(100)面来说很慢，因此可以认为(111)面是自停止面。由于(100)面和(111)面的夹角约为54.7度，根据公式 $l_0=\sqrt{2}h$ (其中l₀是对应矩形腐蚀窗口边长的最小取值，h是腐蚀的深度)，在已知需要腐蚀的硅的深度h时很容易计算出l₀的值，为了确保实现对穿腐蚀，本发明的反面矩形腐蚀窗口沿<110>晶向的边长l取l≥l₀。

对于这种具有正反两面腐蚀窗口的薄膜器件，在腐蚀初期，正面狭长的腐蚀窗口将快速完成薄膜区的结构层释放，完成释放后，这些分离的条形腐蚀窗口会在释放的结构层薄膜下方贯通，形成一个大面积的腐蚀腔，该腐蚀腔将与背面窗口同时完成器件的对穿腐蚀，释放后的薄膜器件截面示意图如图5所示。

本发明提供的一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件的制造方法可以概括为以下五个步骤：

1.薄膜器件结构层的制作。

2.制作正面腐蚀窗口。

3.制作反面腐蚀窗口。

4.薄膜释放和对穿腐蚀。

5.功能层的制作。

对于本发明提供的制造方法的五个步骤需要特别说明四点：

1.薄膜器件结构层的制作必需放在第一步，只有完成薄膜器件结构层的制作才能进行后续的步骤。

2.正面腐蚀窗口和反面腐蚀窗口的在制作上没有严格的先后顺序，可以先制作正面腐蚀窗口后再制作反面腐蚀窗口，也可先制作反面腐蚀窗口后制作正面腐蚀窗口，可以视具体情况而定。

3.只有完成了正反两面腐蚀窗口的制作，才能进行薄膜释放和对穿腐蚀。

4.功能层的制作在步骤上比较灵活，只需放在薄膜器件结构层的制作之后即可，具体放在第几步可以根据实际情况而定。

对于本发明提供的制造方法有以下五点要求：

1.采用的硅片限定为(100)面的硅片。

2.薄膜器件的结构层材料可以是氧化硅，氮化硅，有机聚合物，金属或金属氧化物等。制作工艺可以是氧化，化学气相沉积，物理气相沉积，溅射或蒸发等。薄膜器件的结构层可以是一种材料的单层膜也可以是多种材料的复合膜。结构层的厚度范围在0.01微米到50微米之间。

3.制作腐蚀窗口可以利用光刻胶做掩膜，采用干法刻蚀(如RIE和Ion-beam等)或湿法刻蚀完成。

4.薄膜释放和对穿腐蚀采用的是硅各向异性腐蚀液，如KOH(氢氧化钾)，NaOH(氢氧化钠)，TMAH(四甲基氢氧化铵)，EPW(乙二胺，邻苯二酸，水)等。

5.功能层的制作方法不固定，对于不同应用的薄膜器件其功能层的制作也不一样。

对于本发明提供的制造方法，采用不同的步骤就有不同的流程。图6所示为本发明的一种制造流程(本发明的制造方法并不仅限于此种流程)，具体如下：

1.薄膜器件结构层制作。取(100)晶面的硅片进行热氧化，在硅片的正反两面均生长一层氧化硅薄膜，再用低压化学气相沉积(LPCVD)在硅片的正反两面沉积氮化硅薄膜。如图6(a)所示。

2.功能层的制作。在硅片正面制造出功能层，如图6(b)所示。

3.制作反面腐蚀窗口。在硅片背面用光刻胶做掩膜，RIE干法刻蚀氧化硅氮化硅的复合膜直到露出衬底硅，形成矩形腐蚀窗口，如图6(c)所示。

4.制作正面腐蚀窗口。在硅片正面用光刻胶做掩膜，RIE干法刻蚀氧化硅氮化硅的复合膜直到露出衬底硅，形成与<100>晶向成±30度夹角以内的狭长的条形腐蚀窗口，如图6(d)所示。

5.使用各向异性腐蚀液，如四甲基氢氧化铵(TMAH)或氢氧化钾(KOH)等对薄膜结构进行释放腐蚀，完成后即得到薄膜器件，如图6(e)所示。

本发明的优点如下：

1.本发明提出的正反双面腐蚀的薄膜器件结构设计方便，工艺简单，特别适合于热相关薄膜器件的制造。

2.采用本发明的正反双面腐蚀制造薄膜器件的方法，从正反两面对薄膜结构进行释放腐蚀，有效地降低了释放腐蚀时间。

3.采用本发明的正反双面腐蚀制造薄膜器件的方法，实现了小面积腐蚀窗口释放大面积薄膜的工艺，器件体积小，薄膜占空比大。

4.正反双面腐蚀工艺先完成薄膜结构的释放再完成衬底硅的腐蚀，可以做到均匀彻底释放薄膜，器件的均匀性非常好，成品率高。

附图说明

图1为本发明之正面腐蚀窗口。(a)沿<100>方向的长条形制作口设计，(b)与<100>方向成±30度夹角以内的长条形制作口设计。

图2为发明之正面腐蚀窗口的组合方式。(a)平行组合方式，(b)正交组合方式。

图3为本发明之一种具有平行和正交两种组合方式的正面腐蚀窗口。

图4为本发明之背面边长沿<110>晶向的矩形腐蚀窗口。

图5为本发明之双面对穿腐蚀释放薄膜后的截面示意图。

图6为本发明之双面对穿腐蚀制造薄膜器件的一种流程。(a)薄膜器件结构层的制作，(b)正面功能层制作，(c)制作背面腐蚀窗口，(d)制作正面腐蚀窗口，(e)双面对穿腐蚀释放薄膜。

图7为本发明用于微型薄膜加热器的正面结构示意图。(a)仅含有平行组合方式的长条形正面腐蚀窗口，(b)同时含有平行和正交组合方式的长条形正面腐蚀窗口。

图8为本发明用于热电堆红外探测器的正面结构示意图。

图中1为衬底硅，2为氧化硅，3为氮化硅，4为正面功能层。

具体实施方式

实施例1：

该实施例为本发明在微型薄膜加热器中的应用，正面的结构图参见图7(a)，其中正面腐蚀窗口是平行组合的多个狭长矩形。其制作工艺如下：

1.薄膜器件结构层的制作。先在(100)单晶硅上热氧化生长膜厚约为

的氧化硅，接着利用LPCVD在硅片双面沉积膜厚约为

的氮化硅。再利用PECVD在硅片正面沉积SiO₂/Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄四层复合的介质膜，每层膜厚

2.功能层的制作。正面光刻出金属电阻图形，溅射金属Ti/Pt，厚度约为

再利用lift-off(剥离)工艺制作出铂电阻丝和引线盘。然后在氮气氛围下350℃退火半小时。

3.制作反面腐蚀窗口。反面光刻，在光刻胶的保护下，利用Ion-Beam或RIE干法刻蚀氧化硅氮化硅的复合膜直到露出衬底硅，形成背面腐蚀窗口。

4.制作正面腐蚀窗口。正面光刻，在光刻胶的保护下，利用Ion-Beam或RIE干法刻蚀氧化硅氮化硅的复合膜直到露出衬底硅，形成正面腐蚀窗口。

5.薄膜释放和对穿腐蚀。采用浓度为25％的TMAH各向异性腐蚀溶液释放悬空薄膜结构，80℃水浴7小时即可完成结构释放和穿通腐蚀，然后进行酒精脱水干燥得到器件。

实施例2：

该实施例为本发明在微型薄膜加热器中的应用，正面的结构图参见图7(b)，其中正面腐蚀窗口是平行和正交组合的多个狭长矩形。其余同实施例1。

实施例3：

该实施例为本发明在热电堆红外探测器中的应用，正面的结构图参见图8，其中正面腐蚀窗口是平行和正交组合的多个狭长矩形。其制作工艺如下：

1.薄膜器件结构层的制作。先在(100)单晶硅上热氧化生长

的氧化硅，接着利用LPCVD在硅片双面沉积

的氮化硅。然后利用LPCVD或PECVD依次沉积

的多晶硅和

的氧化硅。

2.功能层的制作。在硅片正面，利用P、B离子注入形成多晶硅电阻条，方块电阻在20-50Ω/□。离子干法刻蚀电阻条图形外的多晶硅，然后在1000℃高温退火激活注入的离子。再PECVD沉积1500A的氮化硅，作为最后硅各向异性腐蚀工艺的多晶硅保护层。最后经过光刻、BOE等工艺后露出多晶硅电阻条引线接触孔，溅射2000A金作为电阻之间的引线及器件Pad，采用带胶剥离工艺图形化金属引线。

3.制作正面腐蚀窗口。正面光刻，在光刻胶的保护下，利用Ion-Beam或RIE干法刻蚀氧化硅和氮化硅的复合膜形成正面腐蚀窗口。

4.制作反面腐蚀窗口。反面光刻，在光刻胶的保护下，利用Ion-Beam或RIE干法刻蚀氧化硅和氮化硅的复合膜形成背面矩形腐蚀窗口。

5.薄膜释放和对穿腐蚀。采用浓度为25％的TMAH各向异性腐蚀溶液释放悬空薄膜绝热结构，80℃水浴约7小时即可完成结构释放和穿通腐蚀，然后进行酒精脱水干燥得到器件。

Claims (10)

1、一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件结构，其特征在于硅片正面是具有特定组合结构腐蚀窗口的薄膜器件结构层，在该结构层上根据不同的应用制作不同的功能层；硅片的反面是矩形腐蚀窗口；中间是双面对穿腐蚀形成的空腔。

2、按权利要求所述的薄膜器件结构，其特征在于所述的正面具有特定组合结构腐蚀窗口为狭长的条形窗口，长宽比例范围介于5∶1到100∶1之间，窗口是沿着与<100>晶向成±30度夹角以内排列的。

3、按权利要求1或2所述的薄膜器件结构，其特征在于所述的窗口数量为单个条形窗口或多个条形窗口的组合。

4、按权利要求3所述的薄膜器件结构，其特征在于多个条形窗口的组合为平行组合、正交组合或平行和正交的两种组合。

5、按权利要求1所述的薄膜器件结构，其特征在于所述的硅片的反面腐蚀窗口是边长沿<110>晶向的矩形。

6、按权利要求5所述的薄膜器件结构，其特征在于沿<110>晶向的矩形边长l大于或等于对应矩形腐蚀窗口边长的最小取值l₀，其中 $l_0=\sqrt{2}h,$ h为腐蚀的深度。

7、一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件的制作方法，包括以下5个步骤：

①薄膜器件结构层的制作；

②制作正面腐蚀窗口；

③制作反面腐蚀窗口；

④薄膜释放和对穿腐蚀；

⑤功能层的制作；

其中：①薄膜器件结构层的制作是必需放在第一步；

②可先制作正面腐蚀窗口再制作反面腐蚀窗口或者先制作反面腐蚀窗口再制作正面腐蚀窗口；

③薄膜释放和对穿腐蚀的制作是在正面腐蚀窗口或反面腐蚀窗口制作之后进行的；

④功能层的制作步骤是在薄膜器件结构层步骤之后制作，或在薄膜释放和对穿腐蚀步骤之后制作。

8、按权利要求7所述的制作方法，其特征在于：

①薄膜器件结构层材料为Si₃N4、SiO₂、有机聚合物或金属氧化物，结构层为一种材料的单层膜或多种材料的复合膜；采用热氧化物理气相沉积、化学气相沉积、溅射或蒸发方式制作的；

②正面腐蚀窗口或反面腐蚀窗口的制作是用光刻胶做掩膜，采用干法刻蚀或湿法刻蚀完成的；

③薄膜释放和对穿腐蚀采用的是KOH、NaOH、TMAH或EPW的硅各向异性腐蚀液。

9、按权利要求1所述的一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件的结构的应用，其特征在于用于微型薄膜加热器或热电堆红外探测器。

10、按权利要求9所述的一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件的结构的应用，其特征在于：

A.微型薄膜加热器的制作步骤是：

①薄膜器件结构层的制作：先在(100)单晶硅上热氧化生长膜厚为

的氧化硅，接着利用LPCVD在硅片双面沉积膜厚约为

的氮化硅；再利用PECVD在硅片正面沉积SiO₂/Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄四层复合的介质膜，每层膜厚为

②功能层的制作：正面光刻出金属电阻图形，溅射金属Ti/Pt，厚度为

再利用lift-off工艺制作出铂电阻丝和引线盘；然后在氮气氛围下350℃退火半小时；

③制作反面腐蚀窗口：反面光刻，在光刻胶的保护下，利用Ion-Beam或RIE干法刻蚀氧化硅氮化硅的复合膜直到露出衬底硅，形成反面腐蚀窗口；

④制作正面腐蚀窗口：正面光刻，在光刻胶的保护下，利用Ion-Beam或RIE干法刻蚀氧化硅氮化硅的复合膜直到露出衬底硅，形成正面腐蚀窗口；正面腐蚀窗口为平行组合的多个狭长矩形，或平行和正交组合的多个狭长矩形；

⑤薄膜释放和对穿腐蚀：采用浓度为25％的TMAH各向异性腐蚀溶液释放悬空薄膜结构，80℃水浴7小时即可完成结构释放和穿通腐蚀，然后进行酒精脱水干燥得到器件；

B.热电堆红外探测器的制作步骤是：

①薄膜器件结构层的制作：先在(100)单晶硅上热氧化生长

的氧化硅，接着利用LPCVD在硅片双面沉积

的氮化硅，然后利用LPCVD或PECVD依次沉积

的多晶硅和的氧化硅；

②功能层的制作：在硅片正面，利用P和B离子注入形成多晶硅电阻条，方块电阻在20-50Ω/□；离子干法刻蚀电阻条图形外的多晶硅，然后在1000℃高温退火激活注入的离子；再PECVD沉积

的氮化硅，作为最后硅各向异性腐蚀工艺的多晶硅保护层；最后经过光刻和BOE工艺后露出多晶硅电阻条引线接触孔，溅射

金作为电阻之间的引线及器件Pad，采用带胶剥离工艺图形化金属引线；

③制作正面腐蚀窗口：正面光刻，在光刻胶的保护下，利用Ion-Beam或RIE干法刻蚀氧化硅和氮化硅的复合膜形成正面腐蚀窗口；正面腐蚀窗口为平行和正交组合的多个狭长矩形；

④制作反面腐蚀窗口：反面光刻，在光刻胶的保护下，利用Ion-Beam或RIE干法刻蚀氧化硅和氮化硅的复合膜形成背面矩形腐蚀窗口；

⑤薄膜释放和对穿腐蚀：采用浓度为25％的TMAH各向异性腐蚀溶液释放悬空薄膜绝热结构，80℃水浴约7小时即可完成结构释放和穿通腐蚀，最后进行酒精脱水干燥得到器件。

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