[發(fā)明專利]利用SOI片制備MEMS器件的表面犧牲層工藝方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410191944.1
• 申請日: 2014-05-08
• 公開（公告）號: CN104003349A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙丹淇;張大成;何軍;黃賢;楊芳;田大宇;劉鵬;王瑋;李婷;羅葵
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11200
• 代理人: 邵可聲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)加工工藝領(lǐng)域，特別應(yīng)用在MEMS表面犧牲層工藝領(lǐng)域，涉及利用SOI片制作MEMS的表面犧牲層工藝方法。

背景技術(shù)

九十年代以來，微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)進入了高速發(fā)展階段，不僅是因為概念新穎，而且是由于MEMS器件跟傳統(tǒng)器件相比，具有小型化、集成化以及性能更優(yōu)的前景特點。在常規(guī)的表面犧牲層工藝中，結(jié)構(gòu)層采用淀積的方式制作。由于襯底材料和結(jié)構(gòu)層材料不一樣，可能引入襯底/結(jié)構(gòu)層失配，往往需要設(shè)置距離很近的錨點，限制了錨點甚至是結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

SOI(Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅)技術(shù)是在頂層硅和背襯底之間引入了一層埋氧化層。利用SOI片制作MEMS結(jié)構(gòu)的思想在MEMS發(fā)展中期就曾被提出。簡單來說，就是刻蝕SOI片的器件層和埋氧(BOX)層，腐蝕作為犧牲層的BOX層，釋放器件層作為MEMS結(jié)構(gòu)。SOI-MEMS技術(shù)的主要優(yōu)點為無須額外淀積結(jié)構(gòu)層，工藝簡單，且不存在淀積出現(xiàn)的應(yīng)力問題。但SOI-MEMS技術(shù)尚存在一些問題。根據(jù)文獻(xiàn)報道，采用鍵合方法制作的SOI片的器件硅層一般有60-80MPa的殘余應(yīng)力,如果需要使用低應(yīng)力的SOI片則需要特殊工藝制作。另外，它無法完成一些特定的結(jié)構(gòu)，比如可動的齒輪的制作。由于結(jié)構(gòu)層為單晶硅，單晶硅層的粗糙度很低，犧牲層為BOX層(厚度往往僅為幾μm)，非常容易粘附。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對上述問題，提出一種利用SOI片的表面犧牲層工藝，此工藝方法可以完成齒輪等結(jié)構(gòu)層完全可動的結(jié)構(gòu)的制作，可以獲得單晶硅結(jié)構(gòu)層的MEMS器件結(jié)構(gòu)，且通過預(yù)應(yīng)力和凸點設(shè)計，不會發(fā)生黏附。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種利用SOI片制備MEMS器件的表面犧牲層工藝方法，其步驟包括：

1)在SOI基片上光刻定義MEMS器件的結(jié)構(gòu)區(qū)，并刻蝕器件層單晶硅和埋氧(BOX)層氧化硅至襯底表面，其中埋氧層作為第一層犧牲層；

2)在刻蝕后的襯底和單晶硅表面淀積氧化硅，作為第二層犧牲層；

3)根據(jù)MEMS器件結(jié)構(gòu)光刻定義氧化硅區(qū)域，并對氧化硅進行刻蝕；

4)進行光刻，以氧化硅和光刻膠作雙層掩膜，刻蝕器件層單晶硅的隔離槽；

5)去除光刻膠，以氧化硅為掩膜刻蝕制作凸點(dimple)槽和錨點(anchor)槽；

6)淀積第二層結(jié)構(gòu)層，并進行刻蝕以形成MEMS器件結(jié)構(gòu)；

7)制作通孔和引線；

8)冷阱釋放，即去掉犧牲層，釋放器件結(jié)構(gòu)。

進一步地，步驟1)所述SOI片選用低應(yīng)力SOI片，器件層Si層厚度即為MEMS結(jié)構(gòu)層厚度，BOX層厚度即為第一層犧牲層厚度，Si層厚度優(yōu)選為1.5μm，BOX層厚度優(yōu)選為1.5μm。

進一步地，步驟2)所述氧化硅采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)方法淀積，淀積的氧化硅厚度為第二層犧牲層厚度，同時作為后續(xù)刻蝕的掩膜，其厚度根據(jù)步驟1)的光刻窗口大小確定，需要填充滿釋放孔，且厚度足夠做刻蝕掩膜，厚度優(yōu)選為2μm。

進一步地，步驟3)所述的刻蝕SiO₂自停止于Si表面，可以適量過刻蝕，優(yōu)選刻蝕厚度為2μm。

進一步地，步驟5)所述anchor槽為環(huán)形的封閉槽。

進一步地，步驟6)對淀積第二層結(jié)構(gòu)層進行退火處理以加入預(yù)應(yīng)力，防止黏附。優(yōu)選地，所述淀積第二層結(jié)構(gòu)層，包括淀積氮化硅層(Si₃N₄)和淀積多晶硅層(Poly-Si)，并進行多晶硅摻雜及退火處理，然后刻蝕氮化硅和多晶硅，形成MEMS器件的結(jié)構(gòu)層。所述氮化硅層和多晶硅層優(yōu)選采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)方法淀積。Si₃N₄用于電學(xué)隔離Poly-Si和器件層單晶硅。在淀積了Si₃N₄之后退火的作用是為結(jié)構(gòu)層加入預(yù)應(yīng)力，防止黏附。

進一步地，在步驟6)形成中空的dimple。這種中空dimple可以同時作為釋放孔和dimple的作用，還有減小結(jié)構(gòu)層應(yīng)力彎曲的作用。

進一步地，步驟7)所述引線的金屬優(yōu)選采用濺射或者蒸發(fā)的方法淀積，材料優(yōu)選為金(Au)，增加鉻(Cr)薄層增加金屬粘附性。

進一步地，步驟8)釋放所有的犧牲層，包括BOX的SiO₂和步驟2)淀積的SiO₂，釋放方法可以選用干法釋放或濕法釋放。