CN106629579A

CN106629579A - 微机电器件的制备方法

Info

Publication number: CN106629579A
Application number: CN201510740434.XA
Authority: CN
Inventors: 苗斌; 李加东; 吴东岷
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2017-05-10

Abstract

本发明公开了一种微机电器件的制备方法，包括：图形化硅片，在所述硅片的表面形成若干光刻胶掩膜；其中，若干光刻胶掩膜之间形成硅片的暴露区；在硅片的具有光刻胶掩膜的一侧沉积金属层；其中，金属层包括叠层设置的3nm～8nm厚的Ag层和8nm～12nm厚的Au层；将具有金属层和光刻胶掩膜的硅片浸入刻蚀液中，暴露区被刻蚀，形成微机电器件。本发明通过调整金属层的组分和厚度、以及刻蚀液中各组分的含量，制备得到了具有毫米尺寸的微机电器件，获得的微机电器件还具有高深宽比以及垂直侧壁的特点。根据本发明的微机电器件的制备方法，克服了现有技术中的微机电器件的制备方法所存在的导热不均或是无法获得垂直侧壁的不足。

Description

微机电器件的制备方法

技术领域

本发明属于微机电器件制造技术领域，具体地讲，涉及一种微机电器件的制备方法。

背景技术

硅基微机电***目前已经广泛的应用在军事、生物医学以及光学领域中。在微机电器件的体硅制作工艺中，深硅刻蚀工艺凭借其高深宽比、垂直度高的优势仍旧占据主导地位；但是设备使用成本较高、在刻蚀过程中的导热问题一直是影响深硅刻蚀效果的最大因素，尤其是导热面处有较高台阶高度；当刻蚀面积较大用于制备大尺寸的微机电器件时，导热问题就更加凸显，经常造成表面的保护胶体破裂甚至提前被刻蚀干净，而普通的湿法腐蚀工艺由于材料自身晶向原因使其无法获得垂直的侧壁。因此，寻找一种适合大尺寸的微机电器件制备，并且可以实现高深宽比及垂直度高的性能的方法是亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种微机电器件的制备方法，该制备方法通过调整金属层的组分和厚度、以及刻蚀液中各组分的含量，制备得到了具有毫米尺寸的微机电器件。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种微机电器件的制备方法，包括：图形化硅片，在所述硅片的表面形成若干光刻胶掩膜；其中，所述若干光刻胶掩膜之间形成所述硅片的暴露区；在所述硅片的具有光刻胶掩膜的一侧沉积金属层；其中，所述金属层包括叠层设置的3nm～8nm厚的Ag层和8nm～12nm厚的Au层；将所述具有金属层和光刻胶掩膜的硅片浸入刻蚀液中，所述暴露区被刻蚀，形成微机电器件。

进一步地，所述金属层包括依次叠层设置在所述光刻胶掩膜和所述硅片的暴露区的表面上的5nm厚的Ag层和10nm厚的Au层。

进一步地，所述刻蚀液包括氢氟酸和过氧化氢；其中，在所述刻蚀液中，所述氢氟酸的质量分数为20％～23％，所述过氧化氢的质量分数为10％～12％。

进一步地，在所述刻蚀液中，所述氢氟酸的质量分数为22％，所述过氧化氢的质量分数为11％。

进一步地，所述图形化硅片步骤具体包括：在所述硅片上涂布光刻胶层；对所述光刻胶层进行光刻曝光，在所述硅片的表面形成若干光刻胶掩膜。

进一步地，所述光刻胶层的厚度为1μm～2μm。

进一步地，所述光刻胶层的光刻曝光时间为5.5s～7.5s。

进一步地，在所述硅片上涂布光刻胶层之前，对所述硅片进行清洁处理；其中，清洁处理的方法具体包括：将所述硅片依次置于丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗5min～10min；将所述硅片置于浓硫酸和过氧化氢的混合溶液中进行无机清洗15min～20min；其中，所述浓硫酸和所述过氧化氢的体积之比为3:1；用N₂吹干所述硅片。

进一步地，在将所述具有金属层和光刻胶掩膜的硅片浸入所述刻蚀液中之前，将所述具有金属层和光刻胶掩膜的硅片浸入缓冲刻蚀液中30s～60s，用去离子水清洗后用N₂吹干。

进一步地，所述缓冲刻蚀液包括氢氟酸和氟化铵；其中，在所述缓冲刻蚀液中，所述氢氟酸和所述氟化铵的质量分数之比为1:5。

本发明通过调整金属层的组分和厚度、以及刻蚀液中各组分的含量，制备得到了具有毫米尺寸的微机电器件；与此同时，根据本发明的制备方法获得的微机电器件其中的刻蚀孔具有高深宽比以及垂直侧壁的特点。与现有技术中的干法深硅刻蚀相比，克服了由于导热不均造成保护胶体被破坏的不良情况；同时相比于现有技术中的湿法腐蚀工艺，还避免了由于硅片晶向导致无法获得垂直侧壁的问题。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的覆盖有光刻胶层的硅片的结构示意图；

图2是根据本发明的实施例的覆盖有光刻胶掩膜的硅片的结构示意图；

图3是根据本发明的实施例的覆盖有金属膜及光刻胶掩膜的硅片的结构示意图；

图4是根据本发明的实施例的覆盖有金属膜及光刻胶掩膜的微机电器件的结构示意图；

图5是根据本发明的实施例的微机电器件的结构示意图；

图6是根据本发明的实施例的微机电器件的扫描电镜图；

图7是图6的A区域的局部放大的扫描电镜图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

本发明的实施例公开了一种大尺寸(毫米尺寸)的微机电器件的制备方法，与此同时，在制备过程中，克服了现有技术中大尺寸的微机电器件的制备过程中存在的导热问题，同时使制备得到的微机电器件中的刻蚀孔具有垂直侧壁以及高深宽比的特点。以下将对本实施例的微机电器件的制备方法进行详细的描述，根据本实施例的微机电器件的制备方法包括如下步骤。

步骤一：对硅片1a进行清洁处理。具体地，首先依次利用丙酮、乙醇和去离子水对硅片1a进行超声清洗，清洗时间均为5min；然后利用体积比为3:1的浓硫酸和过氧化氢的混合溶液对所述硅片1a进行无机清洗15min；最后将经过清洗后的硅片1a用N₂吹干。

步骤一中所述对硅片1a的清洁处理，丙酮、乙醇和去离子水对硅片1a依次进行超声清洗的时间一般均控制在5min～10min即可，而利用所述浓硫酸和过氧化氢的混合溶液对硅片1a进行无机清洗的时间一般控制为15min～20min即可，以去除所述硅片1a表面的有机、无机等杂质。

步骤二：在经过清洁处理的硅片1a的其中一表面上旋涂1μm～2μm厚的光刻胶，在硅片1a的表面上形成光刻胶层2a，如图1所示。

在本实施例中，所述光刻胶为AZ5214型光刻胶；优选地，为了使后续光刻曝光的效果更好，将覆盖有光刻胶层2a的硅片1a在95℃下前烘处理90s～100s。

步骤三：采用光刻机对所述光刻胶层2a进行光刻曝光，得到预制备的微机电器件1的图形；也就是说，部分光刻胶层2a被去除形成预制备的微机电器件1的图形，而剩余的光刻胶层2a则保留形成光刻胶掩膜2。如此，被所述光刻胶掩膜2覆盖的部分形成硅片1a的覆盖区，而未被所述光刻胶掩膜2覆盖的、在所述光刻胶掩膜2之间的部分则形成所述硅片1a的暴露区，如图2所示。

在本实施例中，光刻曝光时间为6s，但本发明并不限制于此，一般地，控制光刻曝光时间为5.5s～7.5s即可满足要求。

当然，在对所述光刻胶层2a进行光刻曝光后，还需将所述硅片1a置于显影液中进行显影，才可完全形成预制备的微机电器件1的图形。在本实施例中，所述硅片1a在所述显影液中显影的时间为30s～50s。然后，将经过显影的硅片1a用大量的去离子水进行冲洗，并用N₂进行吹干处理。

步骤四：将覆盖有光刻胶掩膜2的硅片1a置于缓冲刻蚀液(简称BOE溶液)中浸泡30s左右，以去除所述硅片1a表面的自然氧化层。

在本实施例中，所述BOE溶液为5:1BOE溶液，也就是说，在所述BOE溶液中，氢氟酸和氟化铵的质量分数分别为6％和30％，质量分数之比为1:5；与此同时，覆盖有光刻胶掩膜2的硅片1a在BOE溶液中浸泡的时间一般控制为30s～60s即可。

步骤五：用电子束蒸发法在所述硅片1a的覆盖有光刻胶掩膜2的一侧沉积金属层3，所述光刻胶掩膜2以及硅片1的暴露区的表面上均沉积形成金属层3，如图3所示。

值得说明的是，金属层3包括叠层设置在光刻胶掩膜2和硅片1a的暴露区的表面上的3nm～8nm厚的Ag层31和8nm～12nm厚的Au层32；优选地，Ag层31的厚度为5nm，而Au层32的厚度为10nm，且Ag层21和Au层32依次叠层设置在所述光刻胶掩膜2和硅片1a的暴露区的表面上。

步骤六：将覆盖有光刻胶掩膜2和金属层3的硅片1a置于刻蚀液中浸泡14h，硅片1a的暴露区被刻蚀去除，得到微机电器件1，如图4所示。

在本实施例中，刻蚀液由40％(wt％)氢氟酸水溶液、30％(wt％)过氧化氢水溶液以及去离子水混合而成，所述40％(wt％)氢氟酸水溶液、30％(wt％)过氧化氢水溶液以及去离子水的体积比为41:20:139；也就是说，在所述刻蚀液中，氢氟酸的质量分数为22.2％，过氧化氢的质量分数为10.8％；一般地，控制刻蚀液中氢氟酸的质量分数为20％～23％，过氧化氢的质量分数为10％～12％即可。

以上述刻蚀液刻蚀硅片1a的过程其实质是一个电化学反应，该电化学反应的总反应式如式(1)所示：

Si+HF+H₂O₂→H₂SiF₆+H₂O+H₂ (1)

在刻蚀过程中，金属层3相当于微阴极，其可促进氧化剂过氧化氢的分解，过氧化氢分解后产生的H⁺会注入到金属层3下的硅片1a中并刺激所述硅片1a产生空穴，从而使得硅片1a的暴露区被氧化，而刻蚀液中的氢氟酸则会继续腐蚀被氧化后的硅片1a，从而达到刻蚀暴露区的目的；也就是说，在上述暴露区的腐蚀的过程中，金属层3中的金属对上述电化学反应起到了金属催化的作用，而其他未覆盖有金属层3的硅片1a则不会被所述刻蚀液刻蚀掉。

在本实施例中，制备得到的微机电器件1具有刻蚀孔11；其中，刻蚀孔11的深度通过控制刻蚀时间(即在刻蚀液中的浸泡时间)以及刻蚀速率来控制，而其宽度则由位于暴露区的金属层3的宽度来决定。随着暴露区逐渐被刻蚀去除，刻蚀孔11逐渐加深，而位于暴露区表面上的金属层3即逐渐下移，并始终保持在刻蚀孔11的底部并与硅片1a相接触。

步骤七：将光刻胶掩膜2以及金属层3进行剥离，得到如图5中所示的微机电器件1的结构。

对本实施例制备得到的微机电器件1进行了扫描电镜测试，测试结果分别如图6和图7所示。在图6和图7中，可以清晰地看出所述微机电器件1处于毫米尺寸，属于大尺寸的微机电器件1；与此同时，可以看出所述微机电器件1中的刻蚀孔11具有高深宽比的特点，有利于提高该微机电器件1的表面积，同时该刻蚀孔11还具有垂直的侧壁。

值得说明的是，大尺寸(毫米尺寸)的微机电器件的制备方法与小尺寸(纳米或微米尺寸)的微机电器件的制备方法相比，主要存在刻蚀方向性和刻蚀过程中的扩散效应难以把握的问题。所谓刻蚀方向性是指刻蚀垂直度问题，在刻蚀过程中，微机电器件1中的刻蚀孔11的侧壁垂直度会出现偏差；所谓刻蚀过程中的扩散效应是指在刻蚀过程中由于催化效应产生的空穴过多，扩散到周围的硅片1a之中，从而造成非目标区域的硅片1a(即硅片1a的覆盖区)仍然被刻蚀的现象。在本实施例中，以叠层设置的3nm～8nm厚的Ag层31和8nm～12nm厚的Au层32作为金属层3的材料，同时，通过调整刻蚀液中各组分的含量为20％～23％(wt％)氢氟酸和10％～12％(wt％)过氧化氢，达到了制备具有高深宽比及垂直侧壁的刻蚀孔11的微机电器件1，所述微机电器件1的制备方法不仅克服了干法深硅刻蚀中存在的由于导热不均造成保护胶体被破坏的不良情况，同时还避免了湿法腐蚀工艺由于硅片晶向导致无法获得垂直侧壁的问题。

为验证本实施例的金属层3中Ag层31和Au层32的厚度，以及刻蚀液中各组分的含量对制备结果的影响，分别针对上述实施例进行了对比例1和对比例2。

对比例1

在对比例1的描述中，与上述实施例的相同之处在此不再赘述，只描述与上述实施例的不同之处。对比例1与上述实施例的不同之处在于，在步骤五中，金属层3包括依次叠层设置在光刻胶掩膜2和暴露区的表面上的5nm厚的Ag层31和5nm厚的Au层32；其余步骤均参照上述实施例中所述，制备得到了微机电器件1。

通过对所述对比例1中的微机电器件1进行测试，发现本对比例1中的微机电器件1在刻蚀的过程中，扩散效应降低，硅片1a的刻蚀速率下降，微机电器件1中刻蚀孔11的侧面垂直度较差。因此说，用作金属层3的Ag层31和Au层32的厚度对最后制备得到的微机电器件1能够获得垂直度好的侧壁起到关键的作用。

对比例2

在对比例2的描述中，与上述实施例的相同之处在此不再赘述，只描述与上述实施例的不同之处。对比例2与上述实施例的不同之处在于，在步骤六中，在所述刻蚀液中，氢氟酸的质量分数为8.6％，而过氧化氢的质量分数为33.1％，本对比例2所述刻蚀液由40％(wt％)氢氟酸水溶液和30％(wt％)过氧化氢水溶液、以及去离子水混合而成，混合时40％(wt％)氢氟酸水溶液、30％(wt％)过氧化氢水溶液以及去离子水的体积比为16:62:122；其余步骤均参照上述实施例中所述，制备得到了微机电器件1。

通过对所述对比例2中的微机电器件1进行测试，发现本对比例2中的微机电器件1在刻蚀的过程中，扩散效应明显，微机电器件1的表面被破坏，微机电器件1中的刻蚀孔11的侧壁的垂直度较差。因此说，刻蚀液中各组分的含量对最后制备得到的微机电器件1能够获得良好的形貌起到关键的作用。

本发明通过调整金属层的组分和厚度、以及刻蚀液中各组分的含量，制备得到了具有毫米尺寸的微机电器件；与此同时，根据本发明的制备方法获得的微机电器件其中的刻蚀孔具有高深宽比以及垂直侧壁的特点。与现有技术中的干法深硅刻蚀相比，克服了制备大尺寸微机电器件时由于导热不均造成保护胶体被破坏的不良情况；同时与现有技术中的湿法腐蚀工艺相比，还避免了由于硅片晶向导致无法获得垂直侧壁的问题。另外，根据本发明的微机电器件的制备方法，工艺简单，成本较低。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims

1.一种微机电器件的制备方法，其特征在于，包括：

图形化硅片，在所述硅片的表面形成若干光刻胶掩膜；其中，所述若干光刻胶掩膜之间形成所述硅片的暴露区；

在所述硅片的具有光刻胶掩膜的一侧沉积金属层；其中，所述金属层包括叠层设置的3nm～8nm厚的Ag层和8nm～12nm厚的Au层；

将所述具有金属层和光刻胶掩膜的硅片浸入刻蚀液中，所述暴露区被刻蚀，形成微机电器件。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属层包括依次叠层设置在所述光刻胶掩膜和所述硅片的暴露区的表面上的5nm厚的Ag层和10nm厚的Au层。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀液包括氢氟酸和过氧化氢；其中，在所述刻蚀液中，所述氢氟酸的质量分数为20％～23％，所述过氧化氢的质量分数为10％～12％。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述刻蚀液中，所述氢氟酸的质量分数为22％，所述过氧化氢的质量分数为11％。

5.根据权利要求1至4任一所述的制备方法，其特征在于，所述图形化硅片步骤具体包括：

在所述硅片上涂布光刻胶层；

对所述光刻胶层进行光刻曝光，在所述硅片的表面形成若干光刻胶掩膜。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述光刻胶层的厚度为1μm～2μm。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述光刻胶层的光刻曝光时间为5.5s～7.5s。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述硅片上涂布光刻胶层之前，对所述硅片进行清洁处理；其中，清洁处理的方法具体包括：

将所述硅片依次置于丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗5min～10min；

将所述硅片置于浓硫酸和过氧化氢的混合溶液中进行无机清洗15min～20min；其中，所述浓硫酸和所述过氧化氢的体积之比为3:1；

用N₂吹干所述硅片。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在将所述具有金属层和光刻胶掩膜的硅片浸入所述刻蚀液中之前，将所述具有金属层和光刻胶掩膜的硅片浸入缓冲刻蚀液中30s～60s，用去离子水清洗后用N₂吹干。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲刻蚀液包括氢氟酸和氟化铵；其中，在所述缓冲刻蚀液中，所述氢氟酸和所述氟化铵的质量分数之比为1:5。