一种改善MEMS器件牺牲层刻蚀粘结的方法与流程

本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，涉及一种MEMS(微机电系统)的制造工艺，尤其涉及一种改善MEMS器件牺牲层刻蚀粘结的方法。

背景技术：

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)，是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等结构与功能于一体的微型器件或系统。MEMS是在微电子基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、刻蚀、非硅加工和精密机械加工等技术，具有微小智能工艺兼容性好、成本低等诸多优点，广泛应用于传感器、汽车、电子、生物及医疗等诸多领域。

在实现MEMS器件的机械性能的制作过程中，通常需要形成空腔结构或者悬臂梁结构。现有技术中采用腐蚀牺牲层的方式来形成空腔结构或者悬臂梁结构，如图1所示，主要包括以下步骤:

步骤S1：提供一基底层结构。该基底层结构可以为含有器件的半导体衬底，也可以为无器件的半导体衬底。

步骤S2：在基底层上淀积牺牲层材料。二氧化硅由于其易刻蚀性，刻蚀速率较快、对硅刻蚀选择比较高等优点成为牺牲层材料的主流选择之一。

步骤S3：图案化牺牲层，形成牺牲层图形。牺牲层图形为空腔结构图形或悬臂梁结构图形。

步骤S4：在牺牲层图形上生长上层薄膜。通常，硅材料作为上层薄膜材料。

步骤S5：图案化上层薄膜，形成牺牲层刻蚀开口。

步骤S6：通过牺牲层刻蚀开口刻蚀牺牲层，形成空腔结构或悬臂梁结构。现有技术中采用湿法腐蚀二氧化硅牺牲层完成结构的制作。

在上述步骤S6中，湿法腐蚀化学药液通过牺牲层刻蚀开口进入到牺牲层中，由于湿法腐蚀的各向同性的特性，药液在纵向刻蚀的同时进行横向扩散，从而将牺牲层材料刻蚀干净，保留上层薄膜，进而形成空腔结构或者悬臂梁结构。但是，由于湿法腐蚀是一种液相的腐蚀工艺，而上层薄膜材料与基底层间距较小，在湿法腐蚀最后的干燥过程中，随着液体量的减少，受液体表面张力的作用，上层薄膜会受到向下的往基底层拉的力，从而造成如图2所示的悬臂梁结构13与下层基底层11的粘连现象或者空腔结构(未在图中表现)的上层薄膜与下层基底层粘连而破裂坍塌的恶劣结果，从而造成最终器件结构的破坏。因此，有必要改善制造工艺，避免上层薄膜材料和基底层材料之间的粘连。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述缺陷，提出了一种改善MEMS器件牺牲层刻蚀粘结的方法，避免了上层薄膜材料和基底层材料之间的粘连。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种改善MEMS器件牺牲层刻蚀粘结的方法，其主要包括以下步骤：

步骤S01：提供一基底层结构；

步骤S02：刻蚀预处理所述基底层上表面，形成粗糙的基底层上表面；

步骤S03：在所述粗糙的基底层表面淀积牺牲层；

步骤S04：图案化牺牲层，形成牺牲层图形；

步骤S05：刻蚀预处理所述牺牲层图形的上表面，形成粗糙的牺牲层图形上表面；

步骤S06：在所述粗糙的牺牲层图形上表面生长上层薄膜，使上层薄膜具有粗糙的下表面；

步骤S07：图案化上层薄膜，形成牺牲层刻蚀开口；

步骤S08：通过牺牲层刻蚀开口刻蚀掉牺牲层材料。

优选地，所述步骤S04中，所述牺牲层图形为空腔结构图形或悬臂梁结构图形。

优选地，所述步骤S02中，采用第一湿法刻蚀药液刻蚀预处理所述基底层上表面。

优选地，所述第一湿法刻蚀药液为SC1混合药液，所述SC1混合药液由NH₄OH、H₂O₂和H₂O组成，NH₄OH、H₂O₂和H₂O的体积比为1:4:20～1:1:5，工艺温度为30℃～70℃,刻蚀时间为30分钟～90分钟。

优选地，所述步骤S05中，采用第二湿法刻蚀药液刻蚀预处理所述牺牲层图形的上表面。

优选地，所述第二湿法刻蚀药液为第一DHF稀释药液，所述第一DHF稀释药液由HF和H₂O组成，HF和H₂O的体积比为1:50～1:200，工艺温度为20℃～25℃，刻蚀时间为30分钟～60分钟；或者所述第二湿法刻蚀药液为第一BHF稀释药液，所述第一BHF稀释药液由HF、NH₄F和H₂O组成，HF、NH₄F和H₂O体积比为1:5:50～1:20:100，工艺温度为20℃～25℃，刻蚀时间为30分钟～60分钟。

优选地，所述步骤S01中，所述基底层的材质为硅；所述步骤S03中，所述牺牲层的材质为二氧化硅；所述步骤S06中,所述上层薄膜的材质为硅。

优选地，所述的第一BHF稀释药液由HF、NH₄F和H₂O组成，HF、NH₄F和H₂O体积比为1:5:50～1:20：100，工艺温度为20℃～25℃，刻蚀时间为30～60分钟。

优选地，所述步骤S08中，采用第三湿法刻蚀药液通过牺牲层刻蚀开口刻蚀掉牺牲层材料。

优选地，所述第三湿法刻蚀药液为第二DHF稀释药液，所述第二DHF稀释药液由HF和H₂O组成，HF和H₂O体积比为1:1～1:50，工艺温度为20℃～25℃，刻蚀时间为30分钟～60分钟；或者所述第三湿法刻蚀药液为第二BHF稀释药液，所述第二BHF稀释药液由NH₄F和HF组成，NH₄F和HF体积比为20:1～4:1，工艺温度为20℃～25℃，刻蚀时间为30分钟～60分钟。

从上述技术方案可以看出，本发明通过增加基底层表面和上层薄膜材料下表面的粗糙度，减小了空腔结构或者悬臂梁结构的上层薄膜所受的向下的拉力,避免了在干燥过程中发生上层薄膜与基底层的的粘连、上层薄膜破裂或者坍塌等恶劣结果。因此，本发明可以确保MEMS器件结构的完整有效，增加了器件的良品率。

附图说明

图1是现有工艺中MEMS器件牺牲层刻蚀的工艺流程图；

图2是现有工艺中悬臂梁结构发生粘结的结构示意图；

图3是本发明的一种改善MEMS器件牺牲层刻蚀粘结的方法流程图；

图4-图11是本发明一实施例中按照图3所示的方法刻蚀牺牲层形成悬臂梁结构的结构示意图。

图12-图19是本发明另一实施例中按照图3所示的方法刻蚀牺牲层形成空腔结构的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例，对本发明作进一步详细的描述。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

当液体与固体接触时，液体与固体的表面张力互相作用使得他们之间的接触程度不同，即有润湿或者不润湿状态。固液接触角是判定润湿性好坏的依据。当接触角等于0度时，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；当接触角小于90度时，可认为液体可润湿固体；当接触角大于90度小于180度时，可认为液体不润湿固体。当接触角等于180度时，液体在固体表面凝聚成小球，完全不润湿。固液接触角的大小与表面微结构和表面化学性质相关，在表面化学性质无法改变的情况下，可以通过改变表面微结构来改变固液接触角，从而改善固液界面的润湿性，以达到改变固液界面相互作用关系的目的。在MEMS牺牲层制作过程中，为了避免上层薄膜与基底层因液体表面张力而造成粘连、坍塌等现象，本发明通过将基底层上表面和牺牲层表面进行轻刻蚀，使基底层上表面和上层薄膜材料下表面的粗糙度增加，以减小在干燥过程中上层薄膜受到向下的往基底层拉的力，从而最终避免牺牲层刻蚀过程的粘连现象的发生，以确保MEMS器件结构的完整有效。

实施例一

本实施例以牺牲层刻蚀后形成悬臂梁结构为例，参考图3，并结合参考图4～11，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。如图3所示，本发明的一种改善MEMS器件牺牲层刻蚀粘结的方法，主要包括以下步骤：

步骤S01：提供一基底层结构。

请参阅图4。基底层结构21可以为含有器件的半导体衬底，也可以为不含有器件的半导体衬底。通常，基底层结构的上表面是光滑的，光滑表面更易造成液体在固体表面不润湿，表面张力较大。在本实施例中，基底层的材质为硅。当然，也可以为其它适合材质，本发明对此不作约束。

步骤S02：刻蚀预处理所述基底层上表面，形成粗糙的基底层上表面。

在该步骤中，为了减小固-液界面间相互作用，采用轻度刻蚀基底层21上表面的方式，增加基底层21上表面的粗糙度，刻蚀量非常小，仅达到粗糙化的效果。可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀的方式执行本步骤。在本实施例中，采用湿法刻蚀工艺，以SC1混合药液为第一湿法刻蚀药液，工艺温度为30～70℃,刻蚀时间为30～90分钟，轻微刻蚀基底层21上表面，刻蚀量非常小，仅达到粗糙表面的功效。该SC1混合药液由NH₄OH，H₂O₂和H₂O组成，NH₄OH，H₂O₂及H₂O的体积比为1:4:20～1:1:5。刻蚀后的基底层21上表面由光滑变为粗糙，如图5所示。

步骤S03：在所述粗糙的基底层表面淀积牺牲层。

在该步骤中，采用现有技术在粗糙的基底层21上表面淀积一层牺牲层22，通常包括常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、等离子体沉积等。二氧化硅由于其易刻蚀性，刻蚀速率较快、对硅刻蚀选择比较高等优点成为牺牲层22材料的主流选择之一。在本实施例中，牺牲层22为二氧化硅材料。如图6所示，牺牲层22与粗糙的基底层21上表面相接触的下表面，具有与粗糙的基底层22上表面相同的粗糙度。牺牲层22的上表面是光滑的。

步骤S04：图案化牺牲层，形成牺牲层图形。

在该步骤中，为了实现MEMS器件的机械性能，去掉牺牲层22中不需要的部分，形成空腔结构或者悬臂梁结构。在牺牲层22上表面涂布光刻胶后用干法等离子体将牺牲层22刻蚀掉一部分，图案化牺牲层22，形成牺牲层图形27。在本实施例中，牺牲层图形27为悬臂梁结构图形，仅暴露出位于牺牲层单侧的基底，最后形成由上层薄膜和基底层构成的悬臂梁结构29，如图7所示。牺牲层图形27下表面是粗糙的，上表面仍然是光滑的。当然，也可以采用其它方式图案化牺牲层，诸如硬掩膜等方式。

步骤S05：刻蚀预处理所述牺牲层图形的上表面，形成粗糙的牺牲层图形上表面。

由于上层薄膜是生长在牺牲层图形27上，所以，增加牺牲层图形27上表面的粗糙度相当于增加上层薄膜下表面的粗糙度。可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀的方式执行本步骤。如图8所示，在本实施例中，使用第二湿法刻蚀药液对牺牲层图形27的上表面进行轻度刻蚀，形成粗糙的牺牲层图形上表面。在湿法药液腐蚀过程中，在步骤S04中因图形化牺牲层而暴露出的粗糙的基底层表面也会受到部分刻蚀，为了避免基底层被过度刻蚀，可以选择对二氧化硅刻蚀速度较快，对硅刻蚀选择比较高的药液作为第二刻蚀药液。优选地，可以采用第一DHF稀释药液作为第二湿法刻蚀药液，该第一DHF稀释药液由HF和H₂O组成，HF和H₂O的体积比为1:50～1:200，工艺温度为20℃～25℃，刻蚀时间为30～60分钟。或者，也可以采用第一BHF稀释药液作为第二湿法刻蚀药液，该第一BHF稀释药液由HF、NH₄F和H₂O组成，HF、NH₄F和H₂O体积比为1:5:50～1:20：100，工艺温度为20℃～25℃，刻蚀时间为30～60分钟。

步骤S06：在所述粗糙的牺牲层图形上表面生长上层薄膜，使上层薄膜具有粗糙的下表面。

如图9所示，由于牺牲层图形27上表面是粗糙的，因此，与牺牲层图形上表面接触的上层薄膜23的下表面也是粗糙的，并具有相同的粗糙度。这种表面微结构的变化会使在接下来的干燥过程中，减小固-液界面间相互作用。在本实施例中，上层薄膜23为硅材质。生长上层薄膜的方式采用现有技术即可，在此不作赘述。

步骤S07：图案化上层薄膜，形成牺牲层刻蚀开口。

在该步骤中，为了形成刻蚀牺牲层的开口，图案化上层薄膜23。如图10所示，在上层薄膜上表面涂布光刻胶后用干法等离子体将上层薄膜刻蚀掉一部分，形成牺牲层刻蚀开口28。在本实施例中，由于是形成悬臂梁结构，所以，牺牲层刻蚀开口28位于悬臂梁的末端。在接下来的步骤中，第三湿法刻蚀药液由牺牲层刻蚀开口28进入，与牺牲层接触，并对牺牲层进行刻蚀，形成空腔结构或悬臂梁结构。当然，也可以采用其它方式图案化上层薄膜，诸如硬掩膜等方式。

步骤S08：通过牺牲层刻蚀开口刻蚀掉所有牺牲层材料。

在该步骤中，根据设计的需要，需要形成位于基底层和上层薄膜之间的空腔或悬臂梁结构，以实现器件的机械性能。可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀的方式执行本步骤。如图11所示，在本实施例中，第三湿法刻蚀药液由步骤S07所形成的牺牲层刻蚀开口28进入，与牺牲层22接触，并对牺牲层22进行刻蚀，由于湿法刻蚀的各向同性的特性，第三湿法刻蚀药液在纵向刻蚀的同时进行横向扩散，从而将上层薄膜下的牺牲层材料刻蚀干净，从而形成悬臂梁结构29。在湿法药液腐蚀过程中，在步骤S07中因上层薄膜被刻蚀掉而暴露出的上层薄膜的侧壁30也会受到部分刻蚀，为了避免上层薄膜硅材质被过度刻蚀，可以选择对二氧化硅刻蚀速度较快，对硅刻蚀选择比较高的药液作为第三刻蚀药液。优选地，可以采用第二DHF药液作为第三湿法刻蚀药液，第二DHF稀释药液由HF和H₂O组成，HF和H₂O体积比为1:1～1:50，工艺温度为20℃～25℃，刻蚀时间为30～60分钟。或者，也可以采用第二BHF药液作为第三湿法刻蚀药液，所述的第二BHF稀释药液由NH₄F和HF组成，NH₄F和HF体积比为20:1～4:1，工艺温度为20℃～25℃，刻蚀时间为30～60分钟。

在完成对牺牲层的刻蚀后，需要对刻蚀药液进行干燥。在干燥过程中，随着空腔结构或者悬臂梁结构29(即上层薄膜)与基底层21之间刻蚀药液数量的减少，药液与基底层表面和悬臂梁结构29的下表面之间的作用力会逐渐增加，直至药液与悬臂梁结构29的下表面之间脱离接触。本实施例中基底层表面和悬臂梁结构29的下表面均为粗糙表面，药液与粗糙表面之间的作用力小于药液与光滑表面之间的作用力，因此减小了悬臂梁结构29所受的向下的拉力。

实施例二

本实施例以牺牲层刻蚀后形成空腔结构为例，参考图3，并结合参考图12～19，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。如图3所示，本发明的一种改善MEMS器件牺牲层刻蚀粘结的方法，主要包括以下步骤：

步骤S01：提供一基底层结构31，如图12所示。

步骤S02：刻蚀预处理所述基底层31上表面，形成粗糙的基底层上表面，如图13所示。

步骤S03：在所述粗糙的基底层表面淀积牺牲层32，如图14所示。

上述三个步骤所涉及的方法与结构均与实施例一相同，在此不作重复描述。

步骤S04：图案化牺牲层，形成牺牲层图形37，如图15所示。

在该步骤中，为了实现MEMS器件的机械性能，去掉牺牲层32中不需要的部分，形成空腔结构或者悬臂梁结构。在牺牲层32上表面涂布光刻胶后用干法等离子体将牺牲层32刻蚀掉一部分，图案化牺牲层32，形成牺牲层图形37。在本实施例中，牺牲层图形为空腔结构图形37，暴露出位于牺牲层两侧的基底，最后形成由上层薄膜和基底层构成的空腔结构39，如图15所示。牺牲层图形37下表面是粗糙的，上表面仍然是光滑的。当然，也可以采用其它方式图案化牺牲层，诸如硬掩膜等方式。

步骤S05：刻蚀预处理所述牺牲层图形37的上表面，形成粗糙的牺牲层图形上表面,如图16所示。

步骤S06：在所述粗糙的牺牲层图形上表面生长上层薄膜33，使上层薄膜33具有粗糙的下表面,如图17所示。

上述两个步骤所涉及的方法与结构均与实施例一相同，在此不作重复描述。

步骤S07：图案化上层薄膜，形成牺牲层刻蚀开口38,如图18所示。

在该步骤中，为了形成刻蚀牺牲层的开口，图案化上层薄膜33。如图18所示，在上层薄膜上表面涂布光刻胶后用干法等离子体将上层薄膜刻蚀掉一部分，形成牺牲层刻蚀开口38。在本实施例中，由于是形成空腔结构，所以，牺牲层刻蚀开口38位于空腔结构图形37的上表面。在接下来的步骤中，第三湿法刻蚀药液由牺牲层刻蚀开口38进入，与牺牲层接触，并对牺牲层进行刻蚀，形成空腔结构39。当然，也可以采用其它方式图案化上层薄膜，诸如硬掩膜等方式。

步骤S08：通过牺牲层刻蚀开口38刻蚀掉牺牲层材料。

在该步骤中，根据设计的需要，需要形成位于基底层和上层薄膜之间的空腔或悬臂梁结构，以实现器件的机械性能。可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀的方式执行本步骤。如图19所示，在本实施例中，第三湿法刻蚀药液由步骤S07所形成的牺牲层刻蚀开口38进入，与牺牲层32接触，并对牺牲层32进行刻蚀，由于湿法刻蚀的各向同性的特性，第三湿法刻蚀药液在纵向刻蚀的同时进行横向扩散，从而将上层薄膜下的牺牲层材料刻蚀干净，从而形成空腔结构39。在湿法药液腐蚀过程中，在步骤S07中因上层薄膜被刻蚀掉而暴露出的上层薄膜的侧壁也会受到部分刻蚀，为了避免上层薄膜硅材质被过度刻蚀，可以选择对二氧化硅刻蚀速度较快，对硅刻蚀选择比较高的药液作为第三刻蚀药液。优选地，可以采用第二DHF药液作为第三湿法刻蚀药液，第二DHF稀释药液由HF和H₂O组成，HF和H₂O体积比为1:1～1:50，工艺温度为20℃～25℃，刻蚀时间为30～60分钟。或者，也可以采用第二BHF药液作为第三湿法刻蚀药液，所述的第二BHF稀释药液由NH₄F和HF组成，NH₄F和HF体积比为20:1～4:1，工艺温度为20℃～25℃，刻蚀时间为30～60分钟。

在完成对牺牲层的刻蚀后，需要对刻蚀药液进行干燥。在干燥过程中，随着空腔结构39内刻蚀药液数量的减少，药液与基底层表面和上层薄膜33的下表面之间的作用力会逐渐增加，直至药液与上层薄膜33的下表面之间脱离接触。本实施例中基底层表面和上层薄膜33的下表面均为粗糙表面，药液与粗糙表面之间的作用力小于药液与光滑表面之间的作用力，因此减小了上层薄膜33所受的向下的拉力。

综上所述，本发明通过增加基底层表面和上层薄膜材料下表面的粗糙度，减小了上层薄膜的空腔结构或者悬臂梁结构所受的向下的拉力,避免了在干燥过程中发生上层薄膜与基底层的的粘连、上层薄膜破裂或者悬臂梁断裂等恶劣结果。因此，本发明可以确保MEMS器件结构的完整有效，增加了器件的良品率。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。