一種微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動傳感器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)】
[0002]在現(xiàn)有的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System,簡稱 MEMS)運(yùn)動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)行無害化處理，無疑又增加了生產(chǎn)成本。
[0003]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)的制造過程中，由于微型機(jī)械的表面積與體積之比相對提高，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。黏附是指兩個光滑表面相接觸時，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，并具有類似于展開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。
[0004]用氣氟酸腐蝕犧牲層、釋放多晶娃微結(jié)構(gòu)、干燥時，由于娃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，會因為表面張力的作用使兩個相鄰的表面有彼此靠近甚至相互接觸的趨勢。除了水的表面張力外，硅表面的化學(xué)狀態(tài)對微結(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、梁分開長度短、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間除去，濕氣在結(jié)構(gòu)間隙處吸附形成液橋，也會引起毛細(xì)引力。和毛細(xì)引力相t匕，范德華力和靜電引力的值較小,但沒有液體存在或間距極小時，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。
[0005]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程:參見圖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)的后處理方法對結(jié)構(gòu)層10或芯片進(jìn)行干燥。但是，干燥過程并非一蹴而就，將犧牲層在溶液中腐蝕時，如果不采用特殊的工藝過程，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。
[0006]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，由于此時表面張力作用下截留的液體不穩(wěn)定性，實驗觀察發(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題仍然一直威脅微機(jī)械的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]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)動傳感器的制備方法可有效解決MEMS活動結(jié)構(gòu)釋放工藝中的黏附問題。
[0008]這種微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動傳感器的制備方法，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)量塊對應(yīng)的光刻圖形；
[0009]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。
[0010]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:
[0011]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；
[0012]步驟二:在所述硅片背面進(jìn)行硅片厚度加工；
[0013]步驟三:在所述步驟二獲得硅片背面沉積金屬層，并利用光刻工序刻蝕所述金屬層，獲得形成在硅片上的頂金屬電極。
[0014]其中，所述步驟二的厚度加工包括:拋光和打磨。
[0015]其中，所述金屬層是通過磁控濺射法沉積形成的。
[0016]有益效果:
[0017]本發(fā)明提出的微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動傳感器的制備工藝操作簡單，成本低。一方面，本發(fā)明提出的釋放工藝沒有引入犧牲層，可有效解決微機(jī)電活動結(jié)構(gòu)釋放過程中的黏附問題；另一方面，通過減薄拋光工藝控制懸浮結(jié)構(gòu)的厚度，避免了器件層厚度受表面沉積材料厚度的限制，提高了器件的靈敏度、抗沖擊性能。
【附圖說明】
[0018]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動傳感器的制備方法流程圖。
[0019]圖2為本發(fā)明微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動傳感器制備方法的步驟二?步驟二流程圖。
[0020]圖3為本發(fā)明微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動傳感器制備方法的步驟三?步驟四流程圖。
【具體實施方式】
[0021 ] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作詳細(xì)說明。
[0022]本發(fā)明提供一種微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動傳感器的制備方法，例如，可用于形成微機(jī)械慣性傳感，其詳細(xì)工藝闡述如圖2所示:
[0023]步驟一:選擇一高摻雜的單晶硅片I作為結(jié)構(gòu)層材料。該高摻雜的單晶硅是為了提高硅的導(dǎo)電性，對摻雜的元素沒有限制。單晶硅的斷裂強(qiáng)度大，能夠使懸臂梁質(zhì)量塊振動時具有良好的疲勞壽命。此外，高摻雜硅還具有良好的導(dǎo)電性。
[0024]將所述硅片I進(jìn)行清洗，去除表面的有機(jī)污染物和金屬雜質(zhì)。利用光刻工序進(jìn)行第一次光刻，即在所述硅片正面涂覆第一光刻膠21并形成深硅刻蝕的光刻圖形，其中第一光刻膠21可采用AZ6130 ;通過深硅刻蝕將光刻圖形轉(zhuǎn)移至所述硅片I正面，使所述硅片I具有合適深度的凹槽11，作為可動電極和質(zhì)量塊等懸浮結(jié)構(gòu)(例如，空腔)所對應(yīng)設(shè)置的圖案，參見圖2(a)?(b)所示。
[0025]然后，提供一摻雜有鈉離子、鉀離子的玻璃襯底3進(jìn)行清洗；將上述硅片I刻蝕有圖案的正面，與所述襯底3進(jìn)行陽極鍵合，形成具有空腔的、用于后續(xù)制備懸浮結(jié)構(gòu)的“硅-玻璃工程襯底”，參見圖2 (c)所示
[0026]步驟二:對步驟一種獲得的“硅-玻璃工程襯底”進(jìn)行加工。即對所述硅片3的背面進(jìn)行拋光和打磨以減薄硅片3厚度，參見圖2(d)所示，以此來控制后續(xù)的可動電極和質(zhì)量快的厚度，進(jìn)而控制器件的靈敏度和初始電容。
[0027]步驟三:在完成以上步驟二的硅片3背面利用磁控濺射工藝沉積一層厚度符合設(shè)計要求的金屬層4 (例如厚度一般為200nm的金屬鋁，只要能與硅形成歐姆接觸的金屬均可，其厚度也是根據(jù)實際應(yīng)用需要可以調(diào)整。)，參見圖3(a)所示，該金屬層4用于與加速度計的電連接。
[0028]然后進(jìn)行第二次光刻工序，即在金屬層4上涂覆第二光刻膠22 (例如為AZ5214光刻膠)，并在第二光刻膠22上刻蝕出與電連接結(jié)構(gòu)對應(yīng)的光刻圖形，繼而刻蝕所述金屬層4，獲得形成在硅片上的頂金屬電極41。所述頂金屬電極41可例如為金屬線，以使梳齒電極(圖中未示出)與電連接墊(這里的電連接墊是指器件跟外電路連接是的引線處，圖中未示出)之間形成有效的電連接。
[0029]步驟四:在形成有頂金屬電極41的硅片I上進(jìn)行第三次光刻工序，用于獲得與梳齒電極和質(zhì)量塊對應(yīng)的光刻圖形。其中，第三光刻膠23可例如為AZ6130光刻膠。
[0030]再利用深娃刻蝕工序?qū)⑺雠c梳齒電極和質(zhì)量塊對應(yīng)的光刻圖形轉(zhuǎn)移至所述石圭片I上，最后采用氧等離子體清洗去除所述第三光刻膠23，在襯底3正面將具有懸浮結(jié)構(gòu)的硅片I釋放，避免了活動結(jié)構(gòu)釋放工藝中的黏附問題。
[0031]最后，還需要說明的是，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。
【主權(quán)項】
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動傳感器的制備方法，包括釋放工藝，其特征在于，所述釋放工藝的具體步驟包括: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。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述釋放工藝之前還包括如下步驟: 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； 步驟二:在所述硅片背面進(jìn)行硅片厚度加工； 步驟三:在所述步驟二獲得硅片背面沉積金屬層，并利用光刻工序刻蝕所述金屬層，獲得形成在硅片上的頂金屬電極。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟二的厚度加工包括:打磨和拋光。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述金屬層是通過磁控濺射法沉積形成的。
【專利摘要】本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動傳感器的制備方法，包括釋放工藝，所述釋放工藝的具體步驟包括：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。本發(fā)明可有效解決微機(jī)電活動結(jié)構(gòu)釋放工藝中的黏附問題。
【IPC分類】B81C1/00
【公開號】CN105523520
【申請?zhí)枴緾N201410508390
【發(fā)明人】余暉俊, 沈文江, 李鵬
【申請人】中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2014年9月28日