[發(fā)明專(zhuān)利]一種微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)傳感器的制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410508390.3
• 申請(qǐng)日: 2014-09-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105523520A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余暉俊;沈文江;李鵬
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類(lèi)號(hào): B81C1/00
• 分類(lèi)號(hào): B81C1/00
• 代理公司: 深圳市銘粵知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44304
• 代理人: 孫偉峰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及微機(jī)電硅片的釋放工藝的改 進(jìn)方法。

背景技術(shù)

在現(xiàn)有的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem，簡(jiǎn)稱(chēng) MEMS)運(yùn)動(dòng)傳感器的釋放懸浮結(jié)構(gòu)工藝中，通常采用濕法腐蝕釋放的工藝， 濕法腐蝕工藝容易造成釋放后的懸浮結(jié)構(gòu)和襯底發(fā)生黏附作用造成器件的失 效。濕法腐蝕用的腐蝕液，需要回收進(jìn)行無(wú)害化處理，無(wú)疑又增加了生產(chǎn)成本。

微電子機(jī)械系統(tǒng)通常包括彈簧、懸臂梁、薄膜、鉸鏈和齒輪等微/納型基本 單元,在這些典型結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程中,由于微型機(jī)械的表面積與體積之比相對(duì) 提高,表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)增強(qiáng),相鄰構(gòu)件或構(gòu)件與基體間經(jīng)常發(fā)生粘附。黏附 是指兩個(gè)光滑表面相接觸時(shí)，在表面力的作用下彼此粘連在一起的現(xiàn)象。這里 所指的表面力可以是范德華力、表面張力、毛細(xì)管力、靜電吸附力等。表面張 力是由于在表面上或表面附近的分子聚合力的不平衡而形成的一種液體特征。 其結(jié)果是液體平面趨于收縮,并具有類(lèi)似于展開(kāi)的彈性膜特性的特征。微懸臂梁 器件厚度較小并包含微小間隙,微結(jié)構(gòu)的釋放后,此時(shí)清洗液的表面張力足夠 大,能使得懸浮的微懸臂梁結(jié)構(gòu)被拖動(dòng)產(chǎn)生顯著的形變,造成微懸臂梁結(jié)構(gòu)與硅 基底相接觸,造成持久的粘附。

用氫氟酸腐蝕犧牲層、釋放多晶硅微結(jié)構(gòu)、干燥時(shí)，由于硅片表面薄層水 的表面張力使兩片親水、間隙在微米/納米數(shù)量級(jí)的硅片粘合。在體硅溶片工藝 和各種表面工藝中，當(dāng)水或其他液體烘干揮發(fā)時(shí)，會(huì)因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔檬箖? 個(gè)相鄰的表面有彼此靠近甚至相互接觸的趨勢(shì)。除了水的表面張力外，硅表面 的化學(xué)狀態(tài)對(duì)微結(jié)構(gòu)間的粘合程度也有很大影響：表面氧化層厚度大、水接觸 角小、梁分開(kāi)長(zhǎng)度短、粘合功大，就容易粘合；反之，就不易發(fā)生粘附現(xiàn)象。 在犧牲層釋放后的微結(jié)構(gòu)清洗干燥過(guò)程中,截留在結(jié)構(gòu)間隙處液體的表面張力引 起毛細(xì)引力；犧牲層釋放之后干燥過(guò)程并非一蹴而就，困在懸空微結(jié)構(gòu)下的液 體需要更多時(shí)間除去,濕氣在結(jié)構(gòu)間隙處吸附形成液橋，也會(huì)引起毛細(xì)引力。和 毛細(xì)引力相比，范德華力和靜電引力的值較小，但沒(méi)有液體存在或間距極小時(shí), 范德華力和靜電引力的作用明顯增強(qiáng)。在蝕刻后的清洗和干糙過(guò)程中,由于液體 連接的內(nèi)外表面間Laplace壓差,截留的毛細(xì)液體可使微結(jié)構(gòu)下拉與基體接觸。

例如，傳統(tǒng)制作慣性傳感器懸浮梁及質(zhì)量塊的方法有以下過(guò)程：參見(jiàn)圖1(a) ～(b)所示，先在襯底30上沉積一層犧牲層50，再進(jìn)行光刻使?fàn)奚鼘?0圖形化。 然后沉積并圖形化結(jié)構(gòu)層10。結(jié)合圖1(c)所示，最后在釋放工藝中將犧牲層 50在溶液中腐蝕掉，使結(jié)構(gòu)層10釋放。其中，犧牲層50去除常常采用化學(xué)溶劑 來(lái)完成，然后再采用自然蒸發(fā)或強(qiáng)制蒸發(fā)的后處理方法對(duì)結(jié)構(gòu)層10或芯片進(jìn)行 干燥。但是，干燥過(guò)程并非一蹴而就，將犧牲層在溶液中腐蝕時(shí)，如果不采用 特殊的工藝過(guò)程，往往造成結(jié)構(gòu)層10與襯底30發(fā)生黏附作用，如附圖1(d)所示， 進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)層10在烘干工藝中失效。此外，結(jié)構(gòu)層厚度受表面沉積材料厚度 的限制，影響了器件的靈敏度、抗沖擊性能等等。

為了防止此種粘附的產(chǎn)生,目前采用的干燥釋放工藝主要有:1)冷凝升華 干燥法,即將刻蝕犧牲層的腐蝕液先冷凝后升華以消除其液相,但液相冷凝后 有很大的體積變化,這個(gè)變化引起的應(yīng)力可能破壞樣品。2)超臨界干燥法,即在 室溫和高壓下用液態(tài)CO₂取代清洗液，在臨界溫度時(shí)CO₂從液體到超臨界流體的 轉(zhuǎn)變不涉及液-氣界面。3)蒸發(fā)釋放法,它是在高溫下干燥清洗液,由于此時(shí)表面 張力作用下截留的液體不穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)也可減少粘附。但這些方法操作 復(fù)雜，并且在使用中的黏附問(wèn)題仍然一直威脅微機(jī)械的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)傳感器的制備方 法可有效解決MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)釋放工藝中的黏附問(wèn)題。

這種微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)傳感器的制備方法，包括釋放工藝，其特征在于，具 體步驟包括：在形成有頂金屬電極的硅片上進(jìn)行光刻工序，用于獲得與梳齒電 極和質(zhì)量塊對(duì)應(yīng)的光刻圖形；

再利用深硅刻蝕工序?qū)⑺龉饪虉D形轉(zhuǎn)移至所述硅片上，最后去除具有所 述光刻圖形的光刻膠。

其中，在所述釋放工藝之前還包括前期制作工藝，具體步驟如下：

步驟一：提供一正面刻蝕有圖案的硅片，令所述硅片正面與一襯底進(jìn)行鍵 合；