CN107265394A - 一种悬空微结构的正面释放技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种悬空微结构的正面释放技术。以重掺杂硅片(1)作为衬底淀积组成微结构(2)的薄膜材料，然后光刻并刻蚀出腐蚀窗口(3)，最后在各向异性腐蚀液中正面腐蚀，在沿(100)面(4)纵向腐蚀的同时也沿(111)面(5)底切微结构(2)，使微结构(2)得以释放。上述悬空微结构(2)的正面释放技术具有不需要双面套准和光刻，占用芯片面积较小，悬空微结构(2)不会与衬底之间产生粘连，微结构(2)的设计不受晶向限制的优点。

Description

一种悬空微结构的正面释放技术
技术领域
本发明涉及一种悬空微结构的正面释放技术，特别是制作在重掺杂硅片上的微结构的正面释放技术，属于微电子机械***(MEMS)领域。
背景技术
微电子机械***是指采用微机械加工技术批量制作的微型传感器、微型机构、微型执行器等微型器件或微型***。它把信息***的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度。目前MEMS产品如微传感器、微执行器、微部件等正在工业过程控制、通讯、机器人、环境保护和监测、人类健康、飞行器、汽车运输和农业等领域发挥着巨大的作用。
微机械加工技术是在微电子制造工艺基础之上吸收融合其它加工技术逐渐发展起来用于实现各种微结构的手段。硅湿法腐蚀是微细加工技术的核心技术之一，在各向同性或各向异性腐蚀液有选择的腐蚀硅材料形成凹坑、沟槽以制作薄膜、梁等三维立体微结构。
为了释放微结构，通常先在正面光刻、刻蚀出微结构，然后背面光刻、腐蚀微结构下面的硅片，从而使微结构得以释放。这种背面释放法腐蚀时间长，且需要双面套准和光刻，占用芯片面积较大。
另一种微结构释放技术是正面腐蚀释放法。传统的正面腐蚀法利用牺牲层释放技术，首先生长一层牺牲层，然后在其上制作微结构，最后腐蚀牺牲层结构形成悬空的微结构。该方法占用芯片面积较小，也有利于微结构的封装。但如果微结构的残余应力控制不好或者释放时间不足，容易使悬浮微结构与衬底之间产生粘连。
上海微***与信息技术研究所李铁研究员提出一种基于<100>开条的正向悬浮微结构。该悬浮微结构架构于<110>边空腔之上，呈斜拉状，悬浮结构各边均沿<100>向。<110>边四方开口经KOH各向异性腐蚀后形成倒棱台坑而释放悬浮结构。该方法要求悬浮结构均沿<100>晶向。
发明内容
本发明的目的在于发明一种悬空微结构的正面释放新技术，简化器件结构，丰富微机械加工技术。
微机械加工过程中多使用(100)面、轻掺杂硅片。在各向异性腐蚀过程中(100)面的腐蚀速率远大于(111)面的腐蚀速率，因此可以近似认为氢氧化钾(KOH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)等各向异性腐蚀液不腐蚀(111)面。如果硅片掺杂浓度很高，各向异性腐蚀液对硅的腐蚀速率很小。通常利用这一方法实现自停止腐蚀。然而，我们在实验中发现：只要硅片的掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度，提高硅片的掺杂浓度时，(100)面的腐蚀速率基本不变，但(111)面的腐蚀速率显著提高。例如在80℃、40％KOH腐蚀液中，电阻率3Ω.cm的轻掺杂硅片的(100)/(111)面的腐蚀速率之比约为65，而电阻率0.0087Ω.cm的重掺杂硅片的(100)/(111)面的腐蚀速率之比约为11。相对于轻掺杂硅片，重掺杂硅片的(111)面腐蚀速率提高了5倍。在80℃、25％TMAH腐蚀液中，电阻率3Ω.cm的轻掺杂硅片的(100)/(111)面的腐蚀速率之比约为19.5，而电阻率为0.0087Ω.cm的重掺杂硅片的(100)/(111)面的腐蚀速率之比约为7.5。相对于轻掺杂硅片，重掺杂硅片的(111)面腐蚀速率提高了2.6倍。
基于以上实验结果，为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：采用重掺杂硅片(1)作为衬底淀积薄膜、制作微结构(2)，然后在各向异性腐蚀液中正面腐蚀以释放微结构(2)，使其悬空在腐蚀坑之上。
本发明提供的悬空微结构的正面释放技术，包括以下步骤：
(1)原始硅片是(100)面、电阻率小于0.1Ω.cm但掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度的重掺杂硅片(1)；
(2)采用氧化、化学气相沉积等方法在重掺杂硅片(1)表面制作组成微结构(2)的二氧化硅、氮化硅等薄膜；
(3)光刻并刻蚀出腐蚀窗口(3)；
(4)各向异性腐蚀液中腐蚀硅，在沿(100)面(4)纵向腐蚀硅的同时也沿(111)面(5)底切微结构(2)，使微结构(2)得以释放。
本发明所涉及的悬空微结构(2)的正面释放技术具有以下优点：不需要双面套准和光刻，占用芯片面积较小，悬空微结构(2)不会与重掺杂硅片(1)之间产生粘连，微结构(2)的设计不受晶向限制的优点。
附图说明
图1是本发明所涉及的悬空微结构的正面释放技术的工艺流程图。
图2是作为本发明实施例的电热激励/压阻检测微桥谐振器的制作和正面释放工艺流程图。
附图中：
1-重掺杂硅片 2-微结构
3-腐蚀窗口 4-(100)面
5-(111)面 6-二氧化硅薄膜
7-多晶硅薄膜 8-多晶硅电阻
9-Ti/Au引线 10-焊盘
11-氮化硅薄膜 12-微桥谐振器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。
实施例：利用本发明所提供的悬空微结构正面释放技术制作一种电热激励/压阻检测微桥谐振器，其制作和正面释放工艺流程如下：
1、原始硅片是(100)面、电阻率等于0.01Ω.cm的重掺杂硅片(1)。标准清洗，如附图2[1]所示。
2、1100℃热氧化生长二氧化硅薄膜(6)，厚度0.6μm，如附图2[2]所示。
3、低压化学气相沉积法淀积多晶硅薄膜(7)，厚度为0.6μm，如附图2[3]所示。
4、离子注入硼，氮气环境中、950℃激活30分钟，光刻多晶硅电阻(8)的图形，刻蚀电阻区域外的多晶硅薄膜(7)，形成多晶硅电阻(8)，如附图2[4]所示。
5、剥离工艺制作Ti/Au引线(9)和焊盘(10)，合金化，温度400℃，时间20min，如附图2[5]所示。
6、正面等离子增强化学气相沉积法(PECVD)淀积具有张应力的氮化硅薄膜(11)，平衡二氧化硅薄膜(6)的压应力，并保护Ti/Au引线(9)和多晶硅电阻(8)，如附图2[6]所示。
7、光刻、暴露出焊盘(10)图形，刻蚀焊盘(10)内的PECVD氮化硅薄膜(11)，如附图2[7]所示。
8、光刻成型槽图形，刻蚀成型槽中的PECVD氮化硅薄膜(11)和二氧化硅薄膜(6)，去胶，形成腐蚀窗口(3)，如附图2[8]所示。
9、80℃、25％TMAH中释放微桥谐振器(12)，在沿(100)面(4)纵向腐蚀硅的同时也沿(111)面(5)底切微桥谐振器(12)，如附图2[9]所示。释放后的微桥谐振器(12)如附图2[10]所示。
显然，上述说明并非是本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种悬空微结构的正面释放技术，其特征在于：采用重掺杂硅片(1)作为衬底淀积薄膜、制作微结构(2)，然后在各向异性腐蚀液中正面腐蚀以释放微结构(2)。
2.根据权利要求1所述的悬空微结构的正面释放技术，其特征在于：所述的悬空微结构(2)的正面释放技术的基本制作工艺步骤如下：
(1)原始硅片是(100)面、电阻率小于0.1Ω.cm但掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度的重掺杂硅片(1)；
(2)采用氧化、化学气相沉积等方法在重掺杂硅片(1)表面制作组成微结构(2)的二氧化硅、氮化硅等薄膜；
(3)光刻并刻蚀出腐蚀窗口(3)；
(4)各向异性腐蚀液中腐蚀硅，在沿(100)面(4)纵向腐蚀硅的同时也沿(111)面(5)底切微结构(2)，使微结构(2)得以释放。
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