蝕刻含矽材料的物質的方法以及形成微機械結構的方法

2023-05-19 08:53:21 2

專利名稱：：蝕刻含矽材料的物質的方法以及形成微機械結構的方法
技術領域：
：本發明是有關於一種形成微機械結構(micromechanicalstructure)的方法，特別是有關於一種在微機電結構(microelectromechanicalstructure，MEMS)製程中，蝕刻犧牲矽層的方法。
背景技術：
：在製造半導體元件和MEMS的製程中，經常使用具有選擇性的蝕刻劑來去除多層結構中的犧牲層或區域，而留下相鄰的層或區域。目前的MEMS結構已經發現有相當多的應用，例如慣性測量(inertialmeasurement)、壓力感測、熱測量、微射流(micro-fluidics)、光學元件、射頻通訊元件…等等，且其應用範圍仍不斷成長中。MEMS結構的一應用例是反射式空間光調製器(spatiallightmodulator，SLM)，其為一種包含有眾多偏向鏡面板(deflectablemirrors)的一平面陣列，每一偏向鏡面板的尺寸相當微小。上述空間光調製器通常用來當作高解析度且大螢幕投射裝置的微顯示系統(micro-displaysystem)。犧牲層在上述元件製程中，是被沉積的鏡面材料所覆蓋。一旦鏡面結構完成時，就會將該犧牲層除去而形成一間隙(gap)於鏡面板與基板之間，且該鏡面板是通過一微樞紐(microhinge)而與基板結合。該間隙和該微樞紐使具有自由移動特性的鏡面板能夠進行偏向。上述空間光調製器已揭示於許多文獻中，例如美國專利第6356378號。然而，要成功地完成包含去除犧牲層的結構製程，則必須依賴蝕刻製程的選擇性能力。例如對於偏向鏡面板結構而言，各層的厚度和橫向尺寸、間隙寬度以及微樞紐的完整度等等因素，是能夠得到均勻微機械性質以及無缺陷產品的製程良率與否的重要關鍵。而影響這些關鍵因素的重要原因之一，就是蝕刻製程的品質。也就是說，若能增加相對於相鄰功能層的犧牲層的蝕刻選擇比，則元件性能、一致性與良率都能獲得改善。在MEMS製程中，用來去除多層結構中的犧牲層或區域的蝕刻劑通常是採用鈍氣氟化物或滷素氟化物。這些蝕刻劑是以氣態的方式，相對於其他材料而選擇蝕刻矽，上述其他材料例如是含矽的化合物、金屬或金屬化合物。而上述蝕刻劑的蝕刻選擇比並非無限大，而可能會因為機臺、製程、材料、反應條件等的不同而會有不同的效果。例如XeF2就能顯現400∶1～500∶1的高蝕刻選擇比。然而，對於現行的半導體製程來說，XeF2蝕刻設備(etcher)是一種特殊且高價的設備，因而增加了設備成本與材料成本。除此之外，由於一般的犧牲層相當厚(例如2000以上)，這會使XeF2蝕刻設備需要相當長的時間來進行蝕刻，而降低生產效率。在美國專利公開第20020197761號中，Patel有揭示一種釋放(release)微機械結構的方法。該方法的第一蝕刻是使用CH4或C4H8的蝕刻劑來物理性或物理性及化學性地去除部分犧牲材料。然後進行第二蝕刻，即使用XeF2、IF5、IF7或BrF3來化學性地去除額外的犧牲材料。儘管該方法能有效去除犧牲材料，但是卻還是要需要特殊且高價的例如是XeF2的乾式蝕刻設備。在美國專利第6290864號中，Patel有揭示一種MEMS製程中的氣相蝕刻程序。該方法是通過添加非蝕刻性氣體於鈍氣氟化物或滷素氟化物的蝕刻劑中，用以提升犧牲矽層與其他的微機械結構之間的蝕刻選擇比。同樣地，該方法仍然還是要需要特殊且高價的例如是XeF2的乾式蝕刻設備。在美國專利第6396619號中，Huibers有揭示一種偏向的空間光調製器。該專利有教導犧牲層的材質可以是矽或聚合物。然而，該專利卻沒有教導如何蝕刻非晶矽的犧牲層。
發明內容有鑑於此，本發明的目的在於提供一種釋放微機械結構的方法。本發明的另一目的在於提供一種在MEMS製程之中蝕刻犧牲矽層的方法。本發明的又一目的在於提供一種形成微鏡(micromirror)結構的方法。根據上述目的，本發明提供一種蝕刻含矽材料的物質的方法，包括下列步驟對一矽材料提供一含胺蝕刻劑；以及蝕刻該矽材料。上述蝕刻含矽材料的物質的方法中，該矽材料優選包含非晶矽與結晶矽的至少其一。相對於包含金屬的一非矽材料而言，該含胺蝕刻劑優先蝕刻該矽材料。上述蝕刻含矽材料的物質的方法中，該含胺蝕刻劑包含單乙醇胺(MEA，monoethanolamine)；該含胺蝕刻劑優選還包含二甲亞碸(DMSO，dimethylsulfoxide)；此時，該含胺蝕刻劑的操作溫度範圍優選是90～120℃。該含胺蝕刻劑優選進一步包含羥胺(HDA，hydroxylamine)、H2O、二甘醇胺(DGA，2-(2-aminoethoxy)ethanol)以及鄰苯二酚(Catechol)；此時，該含胺蝕刻劑的操作溫度範圍優選是60～80℃。根據上述目的，本發明還提供一種形成微機械結構的方法，包括下列步驟提供至少一微機械結構層於一基底上方，該微機械結構層是被具有矽材料的一犧牲層所支撐著；以及利用一含胺蝕刻劑蝕刻該矽材料。上述形成微機械結構的方法中，該基底優選是一玻璃或石英基底。該矽材料優選包含非晶矽與結晶矽的至少其一。相對於包含金屬的一非矽材料來說，該含胺蝕刻劑優先蝕刻該矽材料。上述形成微機械結構的方法中，該含胺蝕刻劑包含單乙醇胺(MEA，monoethanolamine)；該含胺蝕刻劑優選還包含二甲亞碸(DMSO，dimethylsulfoxide)；此時，該含胺蝕刻劑的操作溫度範圍優選是90～120℃。該含胺蝕刻劑優選進一步包含羥胺(HDA，hydroxylamine)、H2O、二甘醇胺(DGA，2-(2-aminoethoxy)ethanol)以及鄰苯二酚(Catechol)；此時，該含胺蝕刻劑的操作溫度範圍優選是60～80℃。根據上述目的，本發明再提供一種形成微機械結構的方法，包括下列步驟提供至少一微機械結構層於一基底上方，該微機械結構層是被具有矽材料的一犧牲層所支撐著；以及利用一含胺蝕刻劑同時地溼式蝕刻該犧牲層以及聚合物殘留物，而不會實質地破壞非矽材料，其中該聚合物殘留物是在進行前述溼式蝕刻步驟前所形成；其中該含胺蝕刻劑包含單乙醇胺(MEA，monoethanolamine)。上述形成微機械結構的方法中，該含胺蝕刻劑優選還包含二甲亞碸(DMSO，dimethylsulfoxide)，該含胺蝕刻劑優選進一步包含羥胺(HDA，hydroxylamine)、H2O、二甘醇胺(DGA，2-(2-amineoethoxy)ethanol)以及鄰苯二酚(Catechol)。本發明方法通過現行的溼式蝕刻設備，利用含胺蝕刻劑而同時蝕刻犧牲矽層以及聚合物殘留物。因此，本發明不需增加特別或額外的蝕刻製程(例如XeF2蝕刻製程)來去除犧牲矽層，就能釋放微機械結構，因而能夠降低設備與材料成本。以下配合附圖以及較佳實施例，以更詳細地說明本發明。圖1A～圖1H是顯示根據本發明方法的MEMS製程剖面圖；以及圖2A～圖2H是顯示根據本發明另一方法的MEMS製程的立體示意圖。具體實施例方式本發明提出一蝕刻製程，例如用在MEMS製程中同時蝕刻聚合物殘留物(polymerresidue，其由幹蝕刻光阻時所造成)以及含矽材料的物質，其特徵在於採用一含胺蝕刻劑(amine-basedetchant)對該含矽材料進行蝕刻，其中該含胺蝕刻劑可以包含單乙醇胺(MEA，monoethanolamine)。該含胺蝕刻劑可進一步包含二甲亞碸(DMSO，dimethylsulfoxide)與抑制劑(inhibitor)，或進一步包含羥胺(HDA，hydroxylamine)、H2O、二甘醇胺(DGA，2-(2-aminoethoxy)ethanol)以及鄰苯二酚(Catechol)。上述矽材料可以是非晶矽(amorphoussilicon)或結晶矽(crystallinesilicon)。在一實施例中，該含胺蝕刻劑包含MEA(約70vol％)、DMSO(約25vol％)以及抑制劑(約5vol％)，而其使用時的操作溫度範圍是90～120℃，最好是115℃。在另一實施例中，該含胺蝕刻劑包含MEA、HDA、H2O、DGA以及Catechol，而其使用時的操作溫度範圍是60～80℃，最好是70℃。發明人等提供如下表1、2及3的實驗結果，用以顯示當使用本發明的含胺蝕刻劑時，相對於包含金屬的一非矽材料而言，該含胺蝕刻劑優先蝕刻該矽材料。上述非矽材料例如是非矽金屬、非矽金屬的化合物、以及矽被鍵結於非矽元素的含矽化合物。使用於表1的蝕刻劑是含有MEA(70vol％)、DMSO(25vol％)及抑制劑如鄰苯二酚(Catechol)(5vol％)的含胺蝕刻劑，其例如是ACT(AdvancedChemicalTechnology)公司生產的型號ACT-690的光阻脫除劑(stripper)，還有其操作溫度設在約115℃。使用於表2的蝕刻劑是含有MEA、HDA、H2O、DGA以及Catechol的含胺蝕刻劑，其例如是EKC科技公司生產的型號EKC-270T的光阻脫除劑，還有其操作溫度設在約70℃。為了要與表1、表2做比較，使用於表3的蝕刻劑是含有HDA、H2O以及Catechol的非含胺蝕刻劑，其例如是EKC科技公司生產的型號EKC-265的光阻脫除劑，還有其操作溫度設在約65℃。表1使用ACT-690C當作是本發明的含胺蝕刻劑表2使用EKC-270T當作是本發明的含胺蝕刻劑表3使用EKC-265當作是比較例的非含胺蝕刻劑根據上述的實驗結果，可證明含胺蝕刻劑可以同時地蝕刻矽(非晶矽或多晶矽)以及聚合物殘留物(其由幹蝕刻光阻時所造成)，而不會實質破壞非矽材料。要注意的是，ACT-690的蝕刻選擇特性優於EKC-270T。除此之外，本發明的蝕刻方法可以在時間模式下，去除部分的矽材料。本發明方法非常適合應用於MEMS製程。根據本發明方法，可以應用於許多MEMS元件的製造，例如微感測器(microsensors)、微閥(microvalves)、光學掃描器的微鏡(micromirrors)、顯微鏡、光譜儀、投影顯示器以及光學開關…等等。以下本發明雖以微鏡結構的MEMS製程來舉例說明本發明方法與應用，但並非限定本發明的應用範圍。以下利用圖1A～圖1H，來說明根據本發明而製作MEMS元件的一方法。請參見圖1A，提供一基底100，該基底100具有互相對向的第一表面102與第二表面104，且一金屬氮化層110形成於該基底100的第一表面102上。該基底100是一可以穿透光的玻璃或石英基板。該金屬氮化層110一般是TiN層，其用來當做是保護層與遮光層。也就是說，本實施例是採用背面具有金屬氮化層的透明玻璃基板當作範例，其為商業化的產品。然後將具有矽材料的一犧牲層120形成在該基底100的第二表面104上。該矽材料是通過PECVD(等離子體加強式化學氣相沉積)或濺鍍(sputtering或物理氣相沉積，PVD)所形成的非晶矽或結晶矽層，其厚度例如是5000～20000。當使用非晶矽層時，則可以額外再進行一退火製程(annealing)而增進穩定性。請參見圖1B，使用微影製程以及本發明的含胺蝕刻劑，部分蝕刻該犧牲層120而形成露出部分基底100的第二表面104的至少一孔洞130。然後，將導體材料沉積至該孔洞130內而形成當作是鏡面板支撐結構(mirrorsupportstructure)的一插塞135，而附著於該基底100。其中該導體材料例如是鎢、鉬、鈦、鉭或導體金屬化合物。對於一些的插塞材料，有時會先沉積一底襯層(liner，未圖示)用以避免剝離，例如在形成鎢插塞時，會先將TiN，TiW或TiWN底襯層沉積於這些犧牲矽層中的孔洞130中而環繞鎢插塞。在上述金屬沉積步驟之後，可通過CMP(化學機械研磨)而使該插塞135和該犧牲層120具有一平坦表面。請參見圖1C，將一鏡面板140形成在部分該犧牲層120上，並且連接該插塞135。該鏡面板140可以是通過濺鍍與圖案化製程所形成的Al、AlCu或AlSiCu層。在本例子中，當完成後續的釋放製程(releasingprocess)時，該鏡面板140會通過該插塞135(支撐結構)而當作是偏向耦合於該基底100的一反射元件。請參見圖1D，形成一光阻層150而全面覆蓋於該基底100的第二表面104上方。請參見圖1E，以該光阻層150為罩幕，而蝕刻去除該金屬氮化層110。例如利用含氟的蝕刻氣體來去除例如是TiN層的該金屬氮化層110。請參見圖1F，利用氧灰化製程(O2ashing)而去除該光阻層150。然而，在此步驟中會產生聚合物殘留物(未圖示)。請參見圖1G，進行具有含胺蝕刻劑的後段清潔程序(post-cleaningprocedure)160，而同時地蝕刻該聚合物殘留物(未圖示)以及具有矽材料的該犧牲層120。這裡要提醒的是，上述具有含胺蝕刻劑的後段清潔程序160可以通過現行的溼式蝕刻機臺來進行。完成後段清潔程序160之後，則如圖1H所示，該插塞135和該鏡面板140(也即微機械結構)就被釋放了，而不需要像已知般地額外需要例如是XeF2蝕刻製程。在此提供上述後段清潔程序160的例子，但並非限定本發明。在除去光阻層150之後，該後段清潔程序160是先將該微機械結構浸入ACT-690C中30分鐘，用以同時去除聚合物殘留物以及矽材料，然後再浸入當作是中和劑的N-甲基吡咯烷酮(N-Methyl-2-Pyrrolidinone，NMP)中5分鐘。最後，利用去離子水衝洗該微機械結構使其乾淨後，再利用旋幹機(spindryer)予以旋幹。以下利用圖2A～2H，來說明根據本發明而製作MEMS元件的另一方法。請參見圖2A，提供一基底200，該基底200具有互相對向的第一表面202與第二表面204，且一金屬氮化層210形成於該基底200的第一表面202上。該基底200是一可以穿透光的玻璃或石英基板。該金屬氮化層210一般是TiN層，其用來當作是保護層與遮光層。也就是說，本實施例是採用背面具有金屬氮化層的透明玻璃基板當作範例，其為商業化的產品。然後將具有矽材料的一第一犧牲層220形成在該基底200的第二表面204上。該矽材料是通過PECVD或濺鍍所形成的非晶矽或結晶矽層，其厚度例如是5000～20000。當使用非晶矽層時，則可以額外再進行一退火製程而增進穩定性。將一鏡面板230形成在部分該第一犧牲層220上。該鏡面板230可以是通過濺鍍與圖案化製程所形成的含有Al、AlCu或AlSiCu的金屬層。在本例子中，該鏡面板230當作是偏向耦合於該基底200的一反射元件。這裡要注意的是，在根據本發明的典型SLM(空間光調製裝置)中，整體的微鏡陣列是在同一時間形成。為了簡化圖示與說明，該基底200上的其他鏡面板的形成說明在此予以省略。請參見圖2B，將一第二犧牲矽層240沉積在該第一犧牲矽層220與該鏡面板230上。然後，使用微影製程以及本發明的含胺蝕刻劑，部分蝕刻上述犧牲層220與240而形成露出部分鏡面板230的開口250以及露出部分基底200的第二表面204的至少一孔洞252。請參見圖2C，將導體材料沉積至該開口250與該孔洞252內而定義出鏡面板230的一支撐結構254，而附著於該基底200。其中該導體材料例如是鎢、鉬、鈦、鉭或導體金屬化合物。在此例子中，該支撐結構254包含有附著於該鏡面板230的一電極部分254′，以及附著於該基底200的一樞紐支撐結構254″(hingesupportstructure，如圖2H所示)。請參見圖2D，形成一光阻層260而全面覆蓋於該基底200的第二表面204上方。請參見圖2E，以該光阻層260為罩幕，而蝕刻去除該金屬氮化層210。例如利用含氟的蝕刻氣體來去除例如是TiN層的該金屬氮化層210。請參見圖2F，利用氧灰化製程而去除該光阻層260。然而，在此步驟中會產生聚合物殘留物(未圖示)。請參見圖2G，進行具有含胺蝕刻劑的後段清潔程序270，而同時地蝕刻該聚合物殘留物(未圖示)以及具有矽材料的上述犧牲層220與240。這裡要提醒的是，上述具有含胺蝕刻劑的後段清潔程序270可以通過現行的溼式蝕刻機臺來進行。完成後段清潔程序270之後，則如圖2H所示，該支撐結構254和該鏡面板230(也即微機械結構)就被釋放了，而不需要像已知般地額外需要例如是XeF2蝕刻製程。在此提供上述後段清潔程序270的例子，但並非限定本發明。在除去光阻層260之後，該後段清潔程序270是先將該微機械結構浸入ACT-690C中30分鐘，用以同時去除聚合物殘留物以及矽材料，然後再浸入當作是中和劑的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中5分鐘。最後，利用去離子水衝洗該微機械結構使其乾淨後，再利用旋幹機予以旋幹。上述所得的微鏡結構能夠被夾於該基底200與具有電極與迴路的一半導體基底(未圖示)之間，而形成類似三明治結構的光閥元件(lightvalvedevice)。用以驅動微鏡結構的半導體基底的製程已揭示於美國專利第5835256號及相關專利中，在此為了不混淆本發明的特徵，故不予討論。本發明在後段清潔程序中，以現行的溼式蝕刻設備而利用含胺蝕刻劑而同時蝕刻犧牲矽層以及聚合物殘留物。因此，本發明不需增加特別或額外的蝕刻製程(例如XeF2蝕刻製程)來去除犧牲矽層，就能釋放微機械結構，因而能夠降低設備與材料成本。以上所述僅為本發明較佳實施例，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟悉本項技術的人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，可在此基礎上做進一步的改進和變化，因此本發明的保護範圍當以本申請的權利要求書所界定的範圍為準。附圖中符號的簡單說明如下100、200基底102、202第一表面104、204第二表面110、210金屬氮化層120、220、240犧牲層130、252孔洞135插塞(支撐結構)140、230鏡面板160、270後段清潔程序250開口150、260光阻層254支撐結構254′電極部分254″樞紐支撐結構權利要求1.一種蝕刻含矽材料的物質的方法，包括下列步驟對一矽材料提供一含胺蝕刻劑；以及蝕刻該矽材料。2.根據權利要求1所述的蝕刻含矽材料的物質的方法，其中該矽材料包含非晶矽與結晶矽的至少其一。3.根據權利要求1所述的蝕刻含矽材料的物質的方法，其中相對於包含金屬的一非矽材料而言，該含胺蝕刻劑優先蝕刻該矽材料。4.根據權利要求1所述的蝕刻含矽材料的物質的方法，其中該含胺蝕刻劑包含單乙醇胺。5.根據權利要求4所述的蝕刻含矽材料的物質的方法，其中該含胺蝕刻劑還包含二甲亞碸。6.根據權利要求5所述的蝕刻含矽材料的物質的方法，其中該含胺蝕刻劑的操作溫度範圍是90～120℃。7.根據權利要求4所述的蝕刻含矽材料的物質的方法，其中該含胺蝕刻劑進一步包含羥胺、H2O、二甘醇胺以及鄰苯二酚。8.根據權利要求7所述的蝕刻含矽材料的物質的方法，其中該含胺蝕刻劑的操作溫度範圍是60～80℃。9.一種形成微機械結構的方法，包括下列步驟提供至少一微機械結構層於一基底上方，該微機械結構層是被具有矽材料的一犧牲層所支撐著；以及利用一含胺蝕刻劑蝕刻該矽材料。10.根據權利要求9所述的形成微機械結構的方法，其中該基底是一玻璃或石英基底。11.根據權利要求9所述的形成微機械結構的方法，其中該矽材料包含非晶矽與結晶矽的至少其一。12.根據權利要求9所述的形成微機械結構的方法，其中相對於包含金屬的一非矽材料來說，該含胺蝕刻劑優先蝕刻該矽材料。13.根據權利要求9所述的形成微機械結構的方法，其中該含胺蝕刻劑包含單乙醇胺。14.根據權利要求13所述的形成微機械結構的方法，其中該含胺蝕刻劑還包含二甲亞碸。15.根據權利要求14所述的形成微機械結構的方法，其中該含胺蝕刻劑的操作溫度範圍是90～120℃。16.根據權利要求13所述的形成微機械結構的方法，其中該含胺蝕刻劑進一步包含羥胺、H2O、二甘醇胺以及鄰苯二酚。17.根據權利要求16所述的形成微機械結構的方法，其中該含胺蝕刻劑的操作溫度範圍是60～80℃。18.一種形成微機械結構的方法，包括下列步驟提供至少一微機械結構層於一基底上方，該微機械結構層是被具有矽材料的一犧牲層所支撐著；以及利用一含胺蝕刻劑同時地溼式蝕刻該犧牲層以及聚合物殘留物，而不會實質地破壞非矽材料，其中該聚合物殘留物是在進行前述溼式蝕刻步驟前所形成；其中該含胺蝕刻劑包含單乙醇胺。19.根據權利要求18所述的形成微機械結構的方法，其中該含胺蝕刻劑還包含二甲亞碸。20.根據權利要求18所述的形成微機械結構的方法，其中該含胺蝕刻劑進一步包含羥胺、H2O、二甘醇胺以及鄰苯二酚。全文摘要本發明提供一種蝕刻含矽材料的物質的方法以及形成微機械結構的方法。本發明的蝕刻含矽材料的物質的方法，包括對一矽材料提供一含胺蝕刻劑；以及蝕刻該矽材料。本發明的形成微機械結構的方法包括提供至少一微機械結構層於一基底上方，微機械結構層是被一犧牲矽層所支撐著；利用一含胺蝕刻劑同時地蝕刻犧牲矽層以及前段步驟所造成的聚合物殘留物。也就是說，本發明在使用含胺蝕刻劑的後段清潔程序中，一併去除犧牲層以及聚合物殘留物，而不需增加額外的蝕刻製程。文檔編號C23F1/24GK1834292SQ20061006486公開日2006年9月20日申請日期2006年3月16日優先權日2005年3月17日發明者陳斐筠,吳子揚,陳世雄申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司