CN103864008B

CN103864008B - 采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法

Info

Publication number: CN103864008B
Application number: CN201410084759.2A
Authority: CN
Inventors: 禹淼; 朱健; 郁元卫; 吴璟; 黄旼; 王守旭
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-03-10
Also published as: CN103864008A

Abstract

本发明是采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法，包括工艺步骤：1）将硅片按照所需要的图形刻蚀穿通，制作好硅片掩膜版；2）将待沉积薄膜的基片与硅片掩膜版固定，其中包括控制基片与硅片掩膜版之间的间距，以及基片与硅片掩膜版之间的图形对准；3）沉积薄膜层；4）基片与硅片掩膜版分离，并清洗硅片掩膜版用于重复使用。优点：即通过改变硅片与待沉积薄膜的基片之间的距离以及使用不同厚度和不同通孔形貌的硅片，可改变所沉积材料的粒子在沉积过程中的分布情况，从而改变最终得到的薄膜图形的横截面形貌。工艺简单成本低廉，可重复利用，当进一步生长的薄膜上层材料与薄膜下层材料需要较好的晶格匹配时，本方法显示出了突出的优势。

Description

采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法

技术领域

本发明提出的是一种采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法，属于微电子和微机电***（MEMS）技术领域。

背景技术

薄膜制造工艺是微电子与集成电路制造领域最常见的工艺之一，通常采用掩膜刻蚀的方式，实现薄膜材料的图形化。传统的薄膜制造工艺通常通过自下而上的多层材料堆叠的方式实现薄膜材料的图形化，即：薄膜材料生长，掩膜材料生长，掩膜材料的图形化，薄膜材料的图形化，去掩膜等多步工艺步骤。而薄膜材料的图形化主要采用干法刻蚀或湿法腐蚀两种方法，这两种刻蚀工艺都可以获得边缘清晰陡峭的高精度图形。这种传统的薄膜制造工艺由于其良好的图形精度、易于大规模批量化生产等优势，在微机电***领域也受到广泛应用。然而生长出图形边缘清晰陡峭的薄膜材料的传统薄膜制造工艺已无法满足一些MEMS器件的生产与制造，如薄膜谐振器等器件中需要的图形边缘缓变作为电极的薄膜材料。这是由于在传统的薄膜材料图形化后，图形边缘陡峭而导致向上继续生长其他材料时无法在边缘良好地覆盖，影响上层薄膜的质量和后续工艺的品质，这些问题将严重影响器件的成品率、可靠性以及器件的性能。

本发明为这些需要缓变边缘的薄膜材料图形化提供了一种十分简便的解决方法，工艺简单，可重复利用，是一种适用于大规模批量化生产的薄膜材料图形化的工艺方法。当进一步生长的薄膜上层材料与薄膜下层材料需要较好的晶格匹配时，本方法显示出了突出的优势。

发明内容

本发明提出的采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法，其目的是针对上述现存的技术问题，通过采用硅片作为薄膜沉积的掩膜版代替传统的自下而上的薄膜制造工艺，不仅可以简化工艺步骤，同时由于通过本方法沉积得到的薄膜边缘缓变，也能解决上层薄膜无法良好覆盖的问题。

本发明的技术解决方案：采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法，至少包括硅片掩膜版的制备与使用以及硅片掩膜版的清洗再利用，其特征是包括以下工艺步骤：

1）将硅片按照所需要的图形刻蚀穿通，制作好硅片掩膜版；

2）将待沉积薄膜的基片与硅片掩膜版固定，其中包括控制基片与硅片掩膜版之间的间距，以及基片与硅片掩膜版之间的图形对准；

3）沉积薄膜层；

4）基片与硅片掩膜版分离，并清洗硅片掩膜版用于重复使用。

本发明具有以下优点：

1）采用本工艺方法制备的硅片掩膜版可以简化传统薄膜制造工艺中的多步薄膜工艺，通过一次薄膜沉积代替多步工艺步骤；

2）采用本工艺方法制备的薄膜边缘呈缓变形貌，在多层薄膜材料的生长工艺中，可以有效优化薄膜覆盖效果，提高薄膜的质量和后续工艺的品质；

3）硅片掩膜版可以采用干法刻蚀的方法控制其通孔的形貌，也可以采用各向异性湿法腐蚀的方式进行角度控制。根据不同的通孔形貌，在薄膜沉积的过程中，部分薄膜材料的粒子被硅片侧壁阻挡，从而对沉积的薄膜形貌进行有效的控制；

4）待沉积薄膜的基片与硅片掩膜版固定时，可以通过改变基片与硅片掩膜版之间的间距对薄膜边缘外扩尺寸和边缘坡度进行控制；

5）沉积薄膜时，不同的沉积方式会影响薄膜材料的粒子布情况，可以通过控制薄膜材料的粒子分布情况控制沉积薄膜形貌，如改变薄膜沉积角度可以使其形貌出现角度偏移；

6）使用完硅片掩膜版后，使用相应的薄膜腐蚀液进行清洗或干法刻蚀的方法进行清洗，清洗后硅片可以重复利用，使用成本低廉。

附图说明

附图1是采用倒梯形通孔硅片的薄膜沉积过程原理图。

附图2是采用垂直通孔硅片的薄膜沉积过程原理图。

附图3是制备倒梯形通孔硅片的工艺方法流程图。

附图4是制备垂直通孔硅片的工艺方法流程图。

具体实施方式

采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法，至少包括硅片掩膜版的制备与使用以及硅片掩膜版的清洗再利用，具体包括以下工艺步骤：

1）将硅片按照所需要的图形刻蚀穿通，制作好硅片掩膜版；

3）沉积薄膜层；

所述的硅片，是作为掩膜版的材料，硅片的厚度根据相应的工艺条件选取，厚度在百微米量级；硅片的版图是根据具体薄膜图形要求所设计，其中由于薄膜沉积过程出现的外扩尺寸需要考虑在版图设计中，其中外扩尺寸基于不同的硅片通孔形貌与基片和硅片掩膜版之间间距来确定。

所述的硅片掩膜版制作是通过湿法腐蚀或干法刻蚀方法将硅片刻蚀穿通制备而成，硅片掩膜版制备是通过控制硅片的厚度和相应刻蚀方法中的工艺条件，形成不同厚度和不同通孔横截面的结构的硅片，从而改变薄膜的形貌，包括图形的外扩尺寸、边缘坡度和薄膜中部平坦程度。

所述的将待沉积薄膜的基片与硅片掩膜版固定，是通过采用可以精确控制厚度并具备粘性的材料在待沉积薄膜的基片与硅片掩膜版之间进行固定，如在待沉积薄膜的基片上使用光刻胶旋涂所需的厚度并进行光刻，去掉基片上待沉积薄膜区域的光刻胶并用氧等离子体去除光刻后的残胶，并将硅片与基片对准并粘合，其中基片与硅片掩膜版之间的间距对于图形外扩尺寸和薄膜形貌起最主要作用。

所述的沉积薄膜层是通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)的方法，包括溅射、蒸发、CVD方式，通过控制沉积源与基片之间的间距和薄膜沉积方法，改变薄膜图形的形貌、提高图形的精度。

所述的沉积源，是半导体工艺中的物理气相沉积和化学气相沉积的沉积源，所述的沉积源的组成材料为半导体工艺中所用到的金、铂、钛、镍、铜、铝、铬等金属材料以及二氧化硅、氮化硅等介质薄膜材料。

所述的沉积薄膜层是与沉积源相对应的金属材料或介质薄膜材料。

所述的基片与硅片掩膜版分离，是根据固定时的材料进行相应方法的分离，如使用光刻胶作为固定基片与硅片掩膜版的固定材料时，可以采用丙酮浸泡使其分离。

所述的清洗硅片掩膜版是通过相应薄膜的干法刻蚀或湿法腐蚀液进行清洗。

实施例

如图1所示，图中的101是待沉积薄膜的基片，103是倒梯形通孔硅片，使用时通过间隙102将基片与硅片固定。104是薄膜材料沉积源，在薄膜沉积过程中，薄膜材料的粒子通过硅片上的通孔107沉积在基片上。薄膜的沉积过程的粒子分布情况主要受到以下几个因素的影响：

1）由于粒子的衍射效应，薄膜在沉积过程中，也会在通孔的周边位置沉积下来；

2）硅片的通孔形貌呈倒梯形，掩膜版通孔的下边缘限制了粒子的运动轨迹，因而在掩膜版下边缘对应的基片位置形成薄膜沉积的边界；

3）调整102的厚度，可以改变衍射效应的外扩尺寸和掩膜版下边缘所控制的薄膜沉积边界，进而控制薄膜边缘坡度。

采用倒梯形通孔硅片沉积薄膜时，是由下边界限制粒子的运动轨迹，外扩尺寸较小，其经验值约为~20um+0.5D₁₀₂，其中D₁₀₂是间隙102的厚度；同时由于薄膜沉积过程几乎不受到硅片上边缘限制，薄膜边界向内收缩尺寸非常小，基本可以忽略。

图2中的201是待沉积薄膜的基片，203是垂直通孔硅片，使用时通过间隙202将基片与硅片固定。204是薄膜材料沉积源，在薄膜沉积过程中，薄膜材料的粒子通过硅片上的通孔206沉积在基片上。薄膜在沉积过程中的粒子分布情况与图1中相似，唯一的不同之处在于硅片的通孔垂直，基片上薄膜沉积的边界被硅片的上边界限制，沉积的薄膜边界向内收缩较大，近似形成凸起的薄膜形貌。

采用垂直通孔硅片沉积薄膜时，是由上下边界同时限制粒子的运动轨迹，外扩尺寸主要受到硅片下边缘限制，因此与倒梯形通孔硅片薄膜沉积过程相近，其经验值约为~20um+0.5D₂₀₂，其中D₂₀₂是间隙202的厚度；同时向内收缩尺寸与硅片片厚、基片和硅片间距以及薄膜沉积时靶材和衬底的工作距离有关，当工作距离在40mm以上时，其经验值约为硅片片厚加硅片与基片间距的十分之一。

图3中的301是晶向的硅片，302是硅片正面的掩膜，303是硅片背面的掩蔽层。图3中的（a）是第一步备片并生长正反面掩膜材料；图3中的（b）是对正面掩膜进行图形化；图3中的（c）是使用KOH或TMAH对硅片进行湿法腐蚀穿通；图3中的（d）是去除掩膜材料。

图4中的401是硅片，402是硅片正面的掩膜，403是硅片背面的掩蔽层。图4中的（a）是第一步备片并生长正反面掩膜材料；图4中的（b）是对正面掩膜进行图形化；图4中的（c）是采用干法刻蚀对硅片刻蚀穿通，如电感耦合等离子刻蚀（ICP）等方法；图4（d），去除掩膜材料。

Claims

1.采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法，其特征是该方法包括以下工艺步骤：

1）将硅片按照所需要的图形刻蚀穿通，制作好硅片掩膜版；

3）沉积薄膜层；

4）基片与硅片掩膜版分离，并清洗硅片掩膜版用于重复使用；所述的硅片掩膜版制作是通过湿法腐蚀或干法刻蚀方法将硅片刻蚀穿通制备而成，硅片掩膜版制备是通过控制硅片的厚度和相应刻蚀方法中的工艺条件，形成不同厚度和不同通孔横截面的结构的硅片，从而改变薄膜的形貌，包括图形的外扩尺寸、边缘坡度和薄膜中部平坦程度。

2.根据权利要求1所述的采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法，其特征是所述的控制薄膜沉积形貌，是通过物理气相沉积PVD或化学气相沉积CVD的方法，包括溅射、蒸发，通过控制沉积源与基片之间的间距和薄膜沉积方法，改变薄膜图形的形貌、提高图形的精度。

3.根据权利要求2所述的采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法，其特征是所述的沉积源是半导体工艺中的物理气相沉积和化学气相沉积的沉积源，所述的沉积源的组成材料为半导体工艺中所用到的金、铂、钛、镍、铜、铝、铬金属材料或二氧化硅、氮化硅介质薄膜材料。

4.根据权利要求1所述的采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法，其特征是所述的沉积薄膜层是与沉积源相对应的金属材料或介质薄膜材料。

5.根据权利要求1所述的采用硅片作为掩膜版控制薄膜沉积形貌的工艺方法，其特征是所述的清洗硅片掩膜版，是通过相应薄膜的干法刻蚀或湿法腐蚀液进行清洗。