專利名稱：一種mems拱形結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法，它的直接應(yīng)用領(lǐng)域是微機電系統(tǒng) (MEMS)器件的制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)(MEMS)中的拱形結(jié)構(gòu)是MEMS器件中的一種常見結(jié)構(gòu)。它一般包括曲梁和殼等，此結(jié)構(gòu)通常用于制造可動的微結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于各類微傳感器和微執(zhí)行器中。對于各種形式的平面可動結(jié)構(gòu)，其制作方式比較簡單，工藝非常成熟。與平面可動結(jié)構(gòu)相比，拱形結(jié)構(gòu)在跨度、撓度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗彎能力以及抗粘附性等方面更具有優(yōu)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)是在拱形模具上制作了一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)。此方法是在硅片正面上各向同性刻蝕出一個直徑為2mm的孔洞， 由于采用各向同性腐蝕，腐蝕面為曲型凹面，然后在凹面內(nèi)制作拱形結(jié)構(gòu)型換能器，最后通過硅片背面刻蝕除去拱形結(jié)構(gòu)換能器下面的硅，形成完整獨立的拱形結(jié)構(gòu)。該方法的優(yōu)點是制造工藝簡單，缺點是由于需要刻蝕厚度2mm的硅片，制造效率較低，拱形結(jié)構(gòu)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， 它的制造方法為通過在SiO2犧牲層上制作出多晶硅薄膜，在1200°C高溫退火，并釋放S^2 犧牲層，在多晶硅薄膜內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，多晶硅薄膜拱起，形成MEMS拱形結(jié)構(gòu)。該方法的優(yōu)點是可以批量制作。缺點是1)由于拱形結(jié)構(gòu)制作在犧牲層上，在制作拱形結(jié)構(gòu)之前需要刻蝕犧牲層，在犧牲層四周產(chǎn)生比較陡直的臺階，容易導(dǎo)致斷裂；2)經(jīng)過高溫退火來釋放S^2 犧牲層，在拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力和壓應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)造成安全隱患；3)高溫工藝還會對集成在同一芯片上的電路的性能產(chǎn)生影響。因此，急需一種適合制作微米級、內(nèi)應(yīng)力較小、犧牲層臺階平滑的拱形結(jié)構(gòu)的低溫制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提出一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法，以克服現(xiàn)有MEMS拱形結(jié)構(gòu)制造工藝中的拱形結(jié)構(gòu)尺寸大、內(nèi)應(yīng)力較大、犧牲層臺階處不平滑的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟(1)在硅片上進行光刻、刻蝕，形成溝槽；(2)在所述形成了溝槽的硅片上淀積SW2犧牲層；(3)采用第一次化學(xué)機械拋光工藝，對硅片的表面進行平整化，將硅片表面的S^2 去除干凈，溝槽內(nèi)填滿S^2犧牲層；
(4)采用第二次化學(xué)機械拋光工藝，去掉硅片表面的一定厚度的硅層；(5)在所述兩次拋光工藝后的硅片上淀積支撐層；(6)光刻支撐層，并在支撐層上開出腐蝕窗口 ；(7)采用干法或濕法腐蝕工藝，腐蝕去掉S^2犧牲層，最終形成一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)。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犧牲層厚度大于溝槽的深度。所述步驟(3)中進行化學(xué)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(xué)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硅或氮化硅或各種金屬。根據(jù)不同器件用途，若需要保留溝槽內(nèi)的SiO2犧牲層，所述步驟(7)可以不操作。有益效果由于本發(fā)明方法采用了上述的技術(shù)方案，與已報道的工藝技術(shù)相比，本發(fā)明的 MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法具有以下特點1.本發(fā)明方法由于采用了選擇性化學(xué)機械拋光工藝，不會在拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，使拱形結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力較小，避免了拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較大預(yù)應(yīng)力。拱形結(jié)構(gòu)由兩次選擇性化學(xué)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(fā)明方法采用了低溫工藝，與文獻2相比，避免了高溫工藝對對集成在同一芯片上的電路或器件的性能產(chǎn)生影響。3.文獻1的硅片厚度為2毫米，采用同向異性腐蝕，因此其孔洞的直徑是2毫米， 無法形成微米級，而本發(fā)明方法則采用光刻刻蝕挖溝槽，溝槽的寬度和深度都只有幾微米， 能達微米級，其拱形結(jié)構(gòu)的尺寸更小，因此，本發(fā)明制作的拱形結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)微米級結(jié)構(gòu)，工藝簡單、制作效率高。


圖1是在硅片上進行光刻、刻蝕，形成溝槽后的硅片剖面示意圖；圖2是在圖1的硅片上淀積S^2犧牲層后的剖面示意圖；圖3是在圖2的硅片上平整化后的剖面示意圖；圖4是在圖3的硅片上去掉硅片表面的一定厚度后的剖面示意圖；圖5是在圖4的硅片上淀積支撐層后的剖面示意圖；圖6是在圖5的硅片上光刻支撐層、腐蝕去掉S^2犧牲層、最終形成一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；圖1-6中，1為硅片，2為溝槽，3為SW2犧牲層，31為一次CMP后的SW2犧牲層， 32為二次CMP后的拱形SW2犧牲層，4為支撐層。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明的具體步驟如下
1.在硅片1上進行光刻、刻蝕，形成溝槽2 (1)選用<100>晶向、厚度5邪士2(^111、電阻率7-13 0 .cm的P型硅片1，清洗，氧化，氧化層厚度為0. 6 士0. 05 μ m ；(2)常規(guī)光刻，開出溝槽區(qū)域2 ；(3)用氟化銨腐蝕劑，刻蝕去掉溝槽區(qū)域2上的SW2 ；(4)用質(zhì)量百分比20% 30%的KOH溶液、70°C下，濕法刻蝕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硅片上淀積SW2犧牲層3 對形成了溝槽的硅片進行清洗，在400°C下、采用PECVD工藝，淀積3 5 μ m厚的 SiO2犧牲層3，如圖2所示。其中，犧牲層厚度必須大于溝槽的深度。3.采用第一次化學(xué)機械拋光工藝，對硅片的表面進行平整化，將硅片表面的S^2 去除干凈，溝槽內(nèi)填滿SiO2犧牲層31 選用二氧化硅拋光液，采用常規(guī)化學(xué)機械拋光(CMP)工藝對硅片進行平整化，將硅片表面的SiA去除干凈，在溝槽內(nèi)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.采用第二次化學(xué)機械拋光工藝，去掉硅片表面的1 2 μ m厚度的硅層選用單晶硅拋光液，采用常規(guī)化學(xué)機械拋光工藝對硅片表面進行拋光，去掉硅片表面1 2 μ m厚度的硅層。由于單晶硅拋光液對單晶硅的腐蝕速率遠大于其對S^2的腐蝕速率，因此溝槽內(nèi)的拱形SW2犧牲層32形成了向上凸的拱形結(jié)構(gòu)，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后的硅片上淀積支撐層將所述兩次拋光工藝后的硅片進行清洗，在400°C下采用PECVD工藝，淀積1 2 μ m厚的氮化硅，作為支撐層4，如圖5所示。支撐層4材料可是多晶硅、氮化硅以及各種金屬。6.光刻支撐層，并在支撐層上開出腐蝕窗口。7.采用干法或濕法腐蝕工藝，腐蝕去掉S^2犧牲層，最終形成一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)，如圖6所示。根據(jù)不同器件用途的需要，若需要保留溝槽內(nèi)的SiOJS牲層可以不進行步驟(7) 的操作。本發(fā)明方法中所指的光刻、刻蝕、去膠、清洗、SiO2的干法/濕法腐蝕以及CMP工藝、PECVD工藝等均為本領(lǐng)域技術(shù)人員常規(guī)技術(shù)，也不是本發(fā)明方法的主題，在此不再詳述。
權(quán)利要求
1.一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于包括以下步驟(1)在硅片上進行光刻、刻蝕，形成溝槽；(2)在所述形成了溝槽的硅片上淀積S^2犧牲層；(3)采用第一次化學(xué)機械拋光工藝，對硅片的表面進行平整化，將硅片表面的SiO2去除干凈，溝槽內(nèi)填滿SiO2犧牲層；(4)采用第二次化學(xué)機械拋光工藝，去掉硅片表面的一定厚度的硅層；(5)在所述兩次拋光工藝后的硅片上淀積支撐層；(6)光刻支撐層，并在支撐層上開出腐蝕窗口；(7)采用干法或濕法腐蝕工藝，腐蝕去掉S^2犧牲層，最終形成一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述步驟(1) 中的溝槽深度為1-10 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述步驟(2) 中的SiO2犧牲層厚度大于溝槽的深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述步驟(3) 中進行化學(xué)機械拋光，其拋光的深度不超過S^2犧牲層的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述步驟(4) 中進行化學(xué)機械拋光，其拋光的深度不超過溝槽的深度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述步驟(5) 中的支撐層的材料可以是多晶硅或氮化硅或各種金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于根據(jù)不同器件用途，若需要保留溝槽內(nèi)的SiO2犧牲層，所述步驟(7)可以不操作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種MEMS拱形結(jié)構(gòu)的制造方法，通過運用犧牲層技術(shù)、選擇性化學(xué)機械拋光以及鍍膜技術(shù)，制作出一種新穎的MEMS拱形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明制作的拱形結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)微米級結(jié)構(gòu)，工藝簡單、制作效率高；由于采用低溫工藝，避免了高溫退火工藝對器件性能的影響；由于拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力小，避免了拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較大預(yù)應(yīng)力；犧牲層臺階處平滑，避免了容易斷裂的問題。本發(fā)明廣泛應(yīng)用于MEMS器件制造領(lǐng)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(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)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