一種mems拱形結構的製造方法
2023-05-31 13:37:06 1
專利名稱：一種mems拱形結構的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種MEMS拱形結構的製造方法，它的直接應用領域是微機電系統 (MEMS)器件的製造領域。
背景技術：
微機電系統(MEMS)中的拱形結構是MEMS器件中的一種常見結構。它一般包括曲梁和殼等，此結構通常用於製造可動的微結構，應用於各類微傳感器和微執行器中。對於各種形式的平面可動結構，其製作方式比較簡單，工藝非常成熟。與平面可動結構相比，拱形結構在跨度、撓度、結構穩定性、抗彎能力以及抗粘附性等方面更具有優勢。文獻 1 (Cheol-Hyun Han 等，論文名稱Micromachined piezoelectric ultrasonic transducerson dome-shaped-diaphragm in silicon substrate,1999 IEEE Ultrasonics Symoposium Proceedings，1999 年 10 月，P1167-1172)是在拱形模具上製作了一種MEMS拱形結構。此方法是在矽片正面上各向同性刻蝕出一個直徑為2mm的孔洞， 由於採用各向同性腐蝕，腐蝕面為曲型凹面，然後在凹面內製作拱形結構型換能器，最後通過矽片背面刻蝕除去拱形結構換能器下面的矽，形成完整獨立的拱形結構。該方法的優點是製造工藝簡單，缺點是由於需要刻蝕厚度2mm的矽片，製造效率較低，拱形結構的尺寸較大。文獻 2(Robert B. Reichenbach 等，Resistively actuated micromechanical dome resonators, Proceedings of SPIE，Vol. 5344，2004，P 51-58)是一種微機械諧振器， 它的製造方法為通過在SiO2犧牲層上製作出多晶矽薄膜，在1200°C高溫退火，並釋放S^2 犧牲層，在多晶矽薄膜內產生壓應力，多晶矽薄膜拱起，形成MEMS拱形結構。該方法的優點是可以批量製作。缺點是1)由於拱形結構製作在犧牲層上，在製作拱形結構之前需要刻蝕犧牲層，在犧牲層四周產生比較陡直的臺階，容易導致斷裂；2)經過高溫退火來釋放S^2 犧牲層，在拱形結構內部產生了較大的熱應力和壓應力，對結構造成安全隱患；3)高溫工藝還會對集成在同一晶片上的電路的性能產生影響。因此，急需一種適合製作微米級、內應力較小、犧牲層臺階平滑的拱形結構的低溫製造方法。
發明內容
為解決上述問題，本發明提出一種MEMS拱形結構的製造方法，以克服現有MEMS拱形結構製造工藝中的拱形結構尺寸大、內應力較大、犧牲層臺階處不平滑的問題。為實現上述目的，本發明的一種MEMS拱形結構的製造方法，包括以下步驟(1)在矽片上進行光刻、刻蝕，形成溝槽；(2)在所述形成了溝槽的矽片上澱積SW2犧牲層；(3)採用第一次化學機械拋光工藝，對矽片的表面進行平整化，將矽片表面的S^2 去除乾淨，溝槽內填滿S^2犧牲層；
(4)採用第二次化學機械拋光工藝，去掉矽片表面的一定厚度的矽層；(5)在所述兩次拋光工藝後的矽片上澱積支撐層；(6)光刻支撐層，並在支撐層上開出腐蝕窗口 ；(7)採用幹法或溼法腐蝕工藝，腐蝕去掉S^2犧牲層，最終形成一種MEMS拱形結構。所述步驟(1)中的溝槽深度為1-10 μ m。所述步驟O)中的S^2犧牲層厚度大於溝槽的深度。所述步驟(3)中進行化學機械拋光，其拋光的深度不超過S^2犧牲層的厚度。所述步驟中進行化學機械拋光，其拋光的深度不超過溝槽的深度。所述步驟(5)中的支撐層的材料可以是多晶矽或氮化矽或各種金屬。根據不同器件用途，若需要保留溝槽內的SiO2犧牲層，所述步驟(7)可以不操作。有益效果由於本發明方法採用了上述的技術方案，與已報導的工藝技術相比，本發明的 MEMS拱形結構的製造方法具有以下特點1.本發明方法由於採用了選擇性化學機械拋光工藝，不會在拱形結構內部產生應力，使拱形結構的內應力較小，避免了拱形結構內部存在較大預應力。拱形結構由兩次選擇性化學機械拋光工藝形成，SiO2犧牲層/Si界面與拋光墊完全充分接觸，因此，犧牲層臺階處平滑，避免了容易斷裂的問題。2.本發明方法採用了低溫工藝，與文獻2相比，避免了高溫工藝對對集成在同一晶片上的電路或器件的性能產生影響。3.文獻1的矽片厚度為2毫米，採用同向異性腐蝕，因此其孔洞的直徑是2毫米， 無法形成微米級，而本發明方法則採用光刻刻蝕挖溝槽，溝槽的寬度和深度都只有幾微米， 能達微米級，其拱形結構的尺寸更小，因此，本發明製作的拱形結構能實現微米級結構，工藝簡單、製作效率高。
圖1是在矽片上進行光刻、刻蝕，形成溝槽後的矽片剖面示意圖；圖2是在圖1的矽片上澱積S^2犧牲層後的剖面示意圖；圖3是在圖2的矽片上平整化後的剖面示意圖；圖4是在圖3的矽片上去掉矽片表面的一定厚度後的剖面示意圖；圖5是在圖4的矽片上澱積支撐層後的剖面示意圖；圖6是在圖5的矽片上光刻支撐層、腐蝕去掉S^2犧牲層、最終形成一種MEMS拱形結構的剖面示意圖；圖1-6中，1為矽片，2為溝槽，3為SW2犧牲層，31為一次CMP後的SW2犧牲層， 32為二次CMP後的拱形SW2犧牲層，4為支撐層。
具體實施例方式下面結合具體實施例及附圖，對本發明作進一步的詳細說明。本發明的具體步驟如下
1.在矽片1上進行光刻、刻蝕，形成溝槽2 (1)選用晶向、厚度5邪士2(^111、電阻率7-13 0 .cm的P型矽片1，清洗，氧化，氧化層厚度為0. 6 士0. 05 μ m ；(2)常規光刻，開出溝槽區域2 ；(3)用氟化銨腐蝕劑，刻蝕去掉溝槽區域2上的SW2 ；(4)用質量百分比20% 30%的KOH溶液、70°C下，溼法刻蝕3 5min，形成溝槽 2，溝槽的深度為3 5 μ m，如圖1所示。2.在所述形成了溝槽的矽片上澱積SW2犧牲層3 對形成了溝槽的矽片進行清洗，在400°C下、採用PECVD工藝，澱積3 5 μ m厚的 SiO2犧牲層3，如圖2所示。其中，犧牲層厚度必須大於溝槽的深度。3.採用第一次化學機械拋光工藝，對矽片的表面進行平整化，將矽片表面的S^2 去除乾淨，溝槽內填滿SiO2犧牲層31 選用二氧化矽拋光液，採用常規化學機械拋光(CMP)工藝對矽片進行平整化，將矽片表面的SiA去除乾淨，在溝槽內仍填滿SiA犧牲層31，其厚度為3 4 μ m。如圖3所示。其中，拋光的深度不能超過犧牲層的厚度。4.採用第二次化學機械拋光工藝，去掉矽片表面的1 2 μ m厚度的矽層選用單晶矽拋光液，採用常規化學機械拋光工藝對矽片表面進行拋光，去掉矽片表面1 2 μ m厚度的矽層。由於單晶矽拋光液對單晶矽的腐蝕速率遠大於其對S^2的腐蝕速率，因此溝槽內的拱形SW2犧牲層32形成了向上凸的拱形結構，SW2犧牲層32的厚度為3 4μπι，如圖4所示。其中，拋光的深度不超過溝槽的深度。5.在所述兩次拋光工藝後的矽片上澱積支撐層將所述兩次拋光工藝後的矽片進行清洗，在400°C下採用PECVD工藝，澱積1 2 μ m厚的氮化矽，作為支撐層4，如圖5所示。支撐層4材料可是多晶矽、氮化矽以及各種金屬。6.光刻支撐層，並在支撐層上開出腐蝕窗口。7.採用幹法或溼法腐蝕工藝，腐蝕去掉S^2犧牲層，最終形成一種MEMS拱形結構，如圖6所示。根據不同器件用途的需要，若需要保留溝槽內的SiOJS牲層可以不進行步驟(7) 的操作。本發明方法中所指的光刻、刻蝕、去膠、清洗、SiO2的幹法/溼法腐蝕以及CMP工藝、PECVD工藝等均為本領域技術人員常規技術，也不是本發明方法的主題，在此不再詳述。
權利要求
1.一種MEMS拱形結構的製造方法，其特徵在於包括以下步驟(1)在矽片上進行光刻、刻蝕，形成溝槽；(2)在所述形成了溝槽的矽片上澱積S^2犧牲層；(3)採用第一次化學機械拋光工藝，對矽片的表面進行平整化，將矽片表面的SiO2去除乾淨，溝槽內填滿SiO2犧牲層；(4)採用第二次化學機械拋光工藝，去掉矽片表面的一定厚度的矽層；(5)在所述兩次拋光工藝後的矽片上澱積支撐層；(6)光刻支撐層，並在支撐層上開出腐蝕窗口；(7)採用幹法或溼法腐蝕工藝，腐蝕去掉S^2犧牲層，最終形成一種MEMS拱形結構。
2.根據權利要求1所述的一種MEMS拱形結構的製造方法，其特徵在於所述步驟(1) 中的溝槽深度為1-10 μ m。
3.根據權利要求1所述的一種MEMS拱形結構的製造方法，其特徵在於所述步驟(2) 中的SiO2犧牲層厚度大於溝槽的深度。
4.根據權利要求1所述的一種MEMS拱形結構的製造方法，其特徵在於所述步驟(3) 中進行化學機械拋光，其拋光的深度不超過S^2犧牲層的厚度。
5.根據權利要求1所述的一種MEMS拱形結構的製造方法，其特徵在於所述步驟(4) 中進行化學機械拋光，其拋光的深度不超過溝槽的深度。
6.根據權利要求1所述的一種MEMS拱形結構的製造方法，其特徵在於所述步驟(5) 中的支撐層的材料可以是多晶矽或氮化矽或各種金屬。
7.根據權利要求1所述的一種MEMS拱形結構的製造方法，其特徵在於根據不同器件用途，若需要保留溝槽內的SiO2犧牲層，所述步驟(7)可以不操作。
全文摘要
本發明公開了一種MEMS拱形結構的製造方法，通過運用犧牲層技術、選擇性化學機械拋光以及鍍膜技術，製作出一種新穎的MEMS拱形結構。本發明製作的拱形結構能實現微米級結構，工藝簡單、製作效率高；由於採用低溫工藝，避免了高溫退火工藝對器件性能的影響；由於拱形結構內應力小，避免了拱形結構內部存在較大預應力；犧牲層臺階處平滑，避免了容易斷裂的問題。本發明廣泛應用於MEMS器件製造領域。
文檔編號B81C1/00GK102358613SQ20111030864
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月12日 優先權日2011年10月12日
發明者吳建, 徐俊, 楊增濤, 陳俊, 黃磊 申請人:中國電子科技集團公司第二十四研究所