CN106335871A - 一种硅基mems微纳通孔结构的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，涉及一种硅通孔结构的实现方法领域；在硅衬底材料的正面沉积二氧化硅薄膜并进行通孔图形转移，在硅衬底材料的背面沉积金属薄膜层和涂覆光刻胶薄膜层；二氧化硅薄膜的通孔图形转移采用三氟甲烷RIE干法刻蚀的方法；硅干法刻蚀的前处理步骤包括氧气RIE刻蚀清洗和三氟甲烷RIE干法刻蚀清洗，然后再进行硅的干法深刻蚀；克服现有干法刻蚀(DRIE或ICP)实现硅微纳通孔结构方法的步骤繁杂、效率低、一致性和稳定性差等不足，提出一种新颖的硅通孔结构干法刻蚀微纳实现方法，极大地提高硅通孔结构微纳实现效率的同时也提高了制造精度、一致性和稳定性。

Description

一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法
技术领域
本发明涉及一种硅通孔结构的实现方法领域，特别是一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法。
背景技术
微电子机械***(Micro-Electro-Mechanical System，简写为MEMS)，主要涵盖微纳传感器、微纳执行器、微纳光学部件、微纳射频组件、微纳生物化学承载结构等微小型器件和结构。微纳通孔结构是实现三维互联集成、射频微波无源器件、生物化学特定微纳结构等的重要基本结构单元之一，其精确度、形状完整性、侧壁光滑度和陡直度等严重影响着最终器件的性能指标，且其实现效率、一致性、稳定性等影响着最终器件的成品率和成本。
单晶硅材料的微纳通孔结构主要采取体硅微纳实现方法，有精密激光、湿法腐蚀、干法刻蚀等途径。
精密激光实现硅通孔结构，使用自动化超快飞秒激光微纳制造设备逐步扫描销蚀。其精度受制于机械动作控制执行精准度，低于微电子光刻实现的精度，逐步扫描的效率远低于微电子光刻，且通孔结构的入口和出口处有灼烧变形和崩边现象。因此，仅适用于部分应用需求。
湿法腐蚀实现硅通孔结构，采用微电子光刻晶圆级实现，效率高。其实现原理是基于单晶硅在氢氧化钾(KOH)溶液或四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液中各项异性腐蚀，精度高、侧壁光滑、效率很高，但其侧壁固有倾角为54.7度，陡直度不好，限制了应用范围。
干法刻蚀实现硅通孔结构，采用微电子光刻晶圆级实现，效率高。其实现是使用基于DRIE(Deep Reactive Ion Etch)或ICP(Inductively Coupled Plasma)原理的干法刻蚀设备，可以实现高精度、高陡直度和侧壁光滑度的微纳通孔结构，但通孔结构在刻蚀穿通时的背部冷却氦气漏问题及通孔结构背出口根部侧壁粗糙缺陷问题是难点问题。为解决该问题，中电55所的Yu Yuanwei和ZHU Jian等人(Yu Yuanwei,ZHANG Yong and ZHU Jian,Monolithic Silicon Micromachined Ka-band Filters.Microwave and MillimeterWave Technology,2008)采取的方法是：选取衬底硅片的厚度比通孔深度大一定数值，DRIE或ICP刻蚀深度比通孔设计深度稍微大一些但没有贯通，然后对衬底晶圆背面减薄抛光到设计厚度，但该方法较为复杂，尤其是减薄抛光较为繁杂、效率较低，不适合大批量微纳制造。英国帝国理工学院的Sunil Kumar和William T.Pike(Sunil Kumar and WilliamT.Pike,Technique for Eliminating Notching in Through-Wafer Etching.16th MMEMicromechanics Europe Workshop,2005)提出一种解决通孔背口缺陷的刻蚀方法，其实施方法是：硅片正面抗刻蚀掩模层选取AZ9260光刻胶和铝复合膜系，硅片背面镀铝膜，先刻蚀一段时间待快刻蚀贯通时取出硅片用SPR1813胶粘贴在底托上，然后继续刻蚀直到过刻蚀一定时间，该方法操作过程繁琐，严重降低效率，且硅片粘到底托的一致性和稳定性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，该方法极大地提高硅通孔结构微纳实现效率的同时也提高了制造精度、一致性和稳定性。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，包括如下步骤：
步骤(一)、在硅晶圆基片(001)的上表面生长一层二氧化硅薄膜层(101)，在硅晶圆基片(001)的下表面沉积一层金属薄膜层(102)；
步骤(二)、在二氧化硅薄膜层(101)上表面进行通孔结构光刻图像转移，形成具有通孔图形结构的光刻胶薄膜层(201)；
步骤(三)、以光刻胶薄膜层(201)作为抗刻蚀掩模层，采用三氟甲烷RIE干法刻蚀微纳制造工艺，将光刻胶薄膜层(201)的通孔图像转移至二氧化硅薄膜层(101)，形成通孔图形化的二氧化硅薄膜层(101)；
步骤(四)、去除光刻胶薄膜层(201)；
步骤(五)、在金属薄膜层(102)下表面涂覆一层光刻胶薄膜层(103)；
步骤(六)、以通孔图形化的二氧化硅薄膜层(101)作为抗干法刻蚀硅的掩模层，以金属薄膜层(102)和光刻胶薄膜层(103)组成的复合膜作为通孔结构背部保护层，制作硅晶圆基片(001)的硅通孔结构；
步骤(七)、采用湿法腐蚀方法依次去除光刻胶薄膜层(103)、金属薄膜层(102)和二氧化硅薄膜层(101)，最终形成通孔结构(001)。
在上述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，所述步骤(一)中，生长二氧化硅薄膜层(101)的方法为PECVD法、热氧化法或LPCVD法，厚度大于2μm。
在上述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，所述步骤(一)中，金属薄膜层的材料为铝、铬、钛、钛钨合金、镍或钼，厚度大于200μm。
在上述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，所述步骤(二)中，所述通孔结构光刻图像转移方法为：采用AZP4620或PR1 4000A光刻胶旋涂胶或者喷涂胶的方式在二氧化硅薄膜层(101)上表面涂覆一层光刻胶薄膜，厚度为10-15μm；然后曝光显影，加热90-110℃，保持18-22min，随后加热110-130℃，并保持28-32min。
在上述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，所述步骤(四)中，采用丙酮法或发烟硝酸湿法腐蚀法去除光刻胶薄膜层(201)。
在上述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，所述步骤(五)中，在金属薄膜层(102)下表面涂覆一层光刻胶薄膜层(103)的方法为：采用AZP4620或PR1 4000A光刻胶喷涂胶的方式涂覆，厚度为10-15μm，加热90-110℃，保持18-22min，再加热110-130℃，并保持28-32min。
在上述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，所述步骤(六)中，制作硅晶圆基片(001)的硅通孔结构方法为DRIE干法刻蚀硅方法或ICP干法刻蚀硅方法。
在上述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，在进行DRIE干法刻蚀硅方法或ICP干法刻蚀硅方法制作硅晶圆基片(001)的硅通孔结构前，需依次进行第一次氧气RIE刻蚀清洗、三氟甲烷RIE刻蚀清洗和第二次氧气RIE刻蚀清洗。
在上述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，第一次氧气RIE刻蚀清洗工艺为：氧气流量为49.5-50.5sccm，功率为198-202W，时间为44.5-45.5s；三氟甲烷RIE刻蚀清洗工艺为：三氟甲烷流量为29.5-30.5sccm，功率为248-252W，时间为178-182s；第二次氧气RIE刻蚀清洗工艺为：氧气流量为49.5-50.5sccm，功率为198-202W，时间为29.5-30.5s。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明在硅通孔结构干法刻蚀工艺的抗刻蚀掩模层采用二氧化硅薄膜，其具备很好的稳定性和不同批次一致性，且克服了干法刻蚀深度较大时(>300um)的刻蚀底面“黑点聚集”现象，解决了通孔结构背开口存在缺陷的问题；
(2)本发明采用金属薄膜层和光刻胶薄膜层复合膜作为硅通孔结构干法刻蚀工艺时的背面保护层，避免工艺过程中部分通孔结构贯通时设备报警、工艺无法继续完成，该种实现方式简单；
(3)本发明在进行DRIE干法刻蚀硅方法或ICP干法刻蚀硅方法制作硅晶圆基片(001)的硅通孔结构前，需依次进行氧气RIE刻蚀清洗(50sccm，200W，45s)、三氟甲烷RIE刻蚀清洗(30sccm，250W，3min)和再次氧气RIE刻蚀清洗(50sccm，200W，30s)，该工艺方法可以很好地解决“硅草”或“黑硅”(”Silicon Grass”)现象的问题；
(4)本发明一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法在每个工艺步骤都采用MEMS标准化工艺，无特定的难度大、效率低的非标准辅助工艺，因此，可定量化、标准化、批量化执行，步骤简洁、膜系简单、实现难度小、精度高，具备很好的稳定性、一致性和高效率，利用该方法实现的硅微纳通孔结构开口精度和保形性好，且适合微电子制造思想的大批量生产；
(5)本发明一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法在每个工艺步骤都采用MEMS标准化工艺，具备与微电子芯片制造工艺集成的潜能，可用于微纳制造实现TSV多芯片立体互联集成封装、微型微波毫米波集成波导器件及各类MEMS传感器的封装与电极线引出等。
附图说明
图1为本发明硅MEMS通孔结构微纳实施方法三维立体结构示意图；
图2为本发明采用的沉积二氧化硅薄膜/金属薄膜步骤示意图；
图3为本发明采用的光刻图形转移步骤示意图；
图4为本发明采用的刻蚀二氧化硅图形转移步骤示意图；
图5为本发明采用的去除光刻胶图形薄膜步骤示意图；
图6为本发明采用的涂覆光刻胶保护薄膜步骤示意图；
图7为本发明采用的刻蚀硅通孔结构步骤示意图；
图8为本发明采用的去除光刻胶保护薄膜/金属薄膜/二氧化硅薄膜，最终形成通孔结构的步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为硅MEMS通孔结构微纳实施方法三维立体结构示意图，由图可知，一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，包括如下步骤：
步骤(一)、如图2所示为采用的沉积二氧化硅薄膜/金属薄膜步骤示意图，由图可知，在硅晶圆基片001的上表面生长一层二氧化硅薄膜层101，在硅晶圆基片001的下表面沉积一层金属薄膜层102；其中，生长二氧化硅薄膜层101的方法为PECVD法、热氧化法或LPCVD法，厚度大于2μm；金属薄膜层的材料为铝、铬、钛、钛钨合金、镍或钼，厚度大于200μm。
步骤(二)、如图3所示为采用的光刻图形转移步骤示意图，由图可知，在二氧化硅薄膜层101上表面进行通孔结构光刻图像转移，形成具有通孔图形结构的光刻胶薄膜层201；所述通孔结构光刻图像转移方法为：采用AZP4620或PR1 4000A光刻胶旋涂胶或者喷涂胶的方式在二氧化硅薄膜层101上表面涂覆一层光刻胶薄膜，厚度为10-15μm；然后曝光显影，加热90-110℃，保持18-22min，随后加热110-130℃，并保持28-32min。
步骤(三)、如图4所示为采用的刻蚀二氧化硅图形转移步骤示意图，由图可知，以光刻胶薄膜层201作为抗刻蚀掩模层，采用三氟甲烷RIE干法刻蚀微纳制造工艺，将光刻胶薄膜层201的通孔图像转移至二氧化硅薄膜层101，形成通孔图形化的二氧化硅薄膜层101；
步骤(四)、如图5所示为采用的去除光刻胶图形薄膜步骤示意图，由图可知，去除光刻胶薄膜层201；采用丙酮法或发烟硝酸湿法腐蚀法去除光刻胶薄膜层201。
步骤(五)、如图6所示为采用的涂覆光刻胶保护薄膜步骤示意图，由图可知，在金属薄膜层102下表面涂覆一层光刻胶薄膜层103；在金属薄膜层102下表面涂覆一层光刻胶薄膜层103的方法为：采用AZP4620或PR1 4000A光刻胶喷涂胶的方式涂覆，厚度为10-15μm，加热90-110℃，保持18-22min，再加热110-130℃，并保持28-32min。
步骤(六)、如图7所示为采用的刻蚀硅通孔结构步骤示意图，由图可知，以通孔图形化的二氧化硅薄膜层101作为抗干法刻蚀硅的掩模层，以金属薄膜层102和光刻胶薄膜层103组成的复合膜作为通孔结构背部保护层，制作硅晶圆基片001的硅通孔结构；制作硅晶圆基片001的硅通孔结构方法为DRIE干法刻蚀硅方法或ICP干法刻蚀硅方法，以避免“硅草”“Silicon Grass”现象问题。
在进行DRIE干法刻蚀硅方法或ICP干法刻蚀硅方法制作硅晶圆基片001的硅通孔结构前，需依次进行第一次氧气RIE刻蚀清洗、三氟甲烷RIE刻蚀清洗和第二次氧气RIE刻蚀清洗。
其中，第一次氧气RIE刻蚀清洗工艺为：氧气流量为49.5-50.5sccm，功率为198-202W，时间为44.5-45.5s；三氟甲烷RIE刻蚀清洗工艺为：三氟甲烷流量为29.5-30.5sccm，功率为248-252W，时间为178-182s；第二次氧气RIE刻蚀清洗工艺为：氧气流量为49.5-50.5sccm，功率为198-202W，时间为29.5-30.5s。
步骤(七)、如图8所示为采用的去除光刻胶保护薄膜/金属薄膜/二氧化硅薄膜，最终形成通孔结构的步骤示意图，由图可知，采用湿法腐蚀方法依次去除光刻胶薄膜层103、金属薄膜层102和二氧化硅薄膜层101，最终形成通孔结构001。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(一)、在硅晶圆基片(001)的上表面生长一层二氧化硅薄膜层(101)，在硅晶圆基片(001)的下表面沉积一层金属薄膜层(102)；
步骤(二)、在二氧化硅薄膜层(101)上表面进行通孔结构光刻图像转移，形成具有通孔图形结构的光刻胶薄膜层(201)；
步骤(三)、以光刻胶薄膜层(201)作为抗刻蚀掩模层，采用三氟甲烷RIE干法刻蚀微纳制造工艺，将光刻胶薄膜层(201)的通孔图像转移至二氧化硅薄膜层(101)，形成通孔图形化的二氧化硅薄膜层(101)；
步骤(四)、去除光刻胶薄膜层(201)；
步骤(五)、在金属薄膜层(102)下表面涂覆一层光刻胶薄膜层(103)；
步骤(六)、以通孔图形化的二氧化硅薄膜层(101)作为抗干法刻蚀硅的掩模层，以金属薄膜层(102)和光刻胶薄膜层(103)组成的复合膜作为通孔结构背部保护层，制作硅晶圆基片(001)的硅通孔结构；
步骤(七)、采用湿法腐蚀方法依次去除光刻胶薄膜层(103)、金属薄膜层(102)和二氧化硅薄膜层(101)，最终形成通孔结构(001)。
2.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(一)中，生长二氧化硅薄膜层(101)的方法为PECVD法、热氧化法或LPCVD法，厚度大于2μm。
3.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(一)中，金属薄膜层的材料为铝、铬、钛、钛钨合金、镍或钼，厚度大于200μm。
4.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(二)中，所述通孔结构光刻图像转移方法为：采用AZP4620或PR1 4000A光刻胶旋涂胶或者喷涂胶的方式在二氧化硅薄膜层(101)上表面涂覆一层光刻胶薄膜，厚度为10-15μm；然后曝光显影，加热90-110℃，保持18-22min，随后加热110-130℃，并保持28-32min。
5.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(四)中，采用丙酮法或发烟硝酸湿法腐蚀法去除光刻胶薄膜层(201)。
6.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(五)中，在金属薄膜层(102)下表面涂覆一层光刻胶薄膜层(103)的方法为：采用AZP4620或PR1 4000A光刻胶喷涂胶的方式涂覆，厚度为10-15μm，加热90-110℃，保持18-22min，再加热110-130℃，并保持28-32min。
7.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(六)中，制作硅晶圆基片(001)的硅通孔结构方法为DRIE干法刻蚀硅方法或ICP干法刻蚀硅方法。
8.根据权利要求7所述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，其特征在于：在进行DRIE干法刻蚀硅方法或ICP干法刻蚀硅方法制作硅晶圆基片(001)的硅通孔结构前，需依次进行第一次氧气RIE刻蚀清洗、三氟甲烷RIE刻蚀清洗和第二次氧气RIE刻蚀清洗。
9.根据权利要求8所述的一种硅基MEMS微纳通孔结构的制作方法，其特征在于：第一次氧气RIE刻蚀清洗工艺为：氧气流量为49.5-50.5sccm，功率为198-202W，时间为44.5-45.5s；三氟甲烷RIE刻蚀清洗工艺为：三氟甲烷流量为29.5-30.5sccm，功率为248-252W，时间为178-182s；第二次氧气RIE刻蚀清洗工艺为：氧气流量为49.5-50.5sccm，功率为198-202W，时间为29.5-30.5s。
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