本发明属于微纳加工技术领域，特别是涉及一种基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法。
背景技术：
微机电系统技术(mems，microelectromechanicalsystem)采用与集成电路兼容的工艺在硅片上实现传感器与执行器的集成，是集成电路的一个分支。目前，微机电系统技术领域的支柱性产品包括加速度传感器、微机械陀螺、压力传感器、麦克风、数字投影芯片等。其中加速度传感器和微机械陀螺等一般采用梁-质量块结构，通常采用表面微机械或体微机械加工技术制作。由于加速度传感器和微机械陀螺等惯性器件的性能与质量相关，一般质量块的质量越大则总体性能越高，高性能的加速度传感器和微机械陀螺一般采用体微机械工艺制作。
体微机械加工技术是从集成电路工艺发展而来的，其基本工艺流程为通过循环使用光刻工艺和腐蚀工艺在硅片上腐蚀形成结构。体微机械工艺具有与集成电路工艺相同的特点，为并行加工工艺，即同时对硅片上的所有芯片单元进行加工，因此便于实现批量化制造。但是另一方面，现有的体微机械腐蚀工艺种类不多，特别是对于高深宽比(即深度与宽度的比值)的结构，必须采用深反应离子刻蚀工艺(deepreactiveionetching,drie)加工。深反应离子刻蚀工艺的刻蚀深宽比可达25：1，并且刻蚀深度的控制精度较高，是制作高性能惯性传感器的关键工艺，但是该工艺的成本较高，对传感器的成本有很大影响。
激光加工工艺是一种串行加工工艺，即激光加工是逐个芯片烧蚀的。随着激光加工机功率的不断提高，激光加工的效率已可与并行加工工艺相比拟，并且加工成本显著低于深反应离子刻蚀工艺。限制激光加工在传感器制造方面广泛应用的主要原因在于，激光烧蚀深度的控制精度与深反应离子刻蚀工艺有差距，难以在保证加工效率的同时保持较高的控制精度。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提出了一种深反应离子刻蚀、各向异性湿法腐蚀与激光加工相结合的工艺，可在(111)硅片上制作厚度精确可控的梁-质量块结构，可实现加速度传感器与微机械陀螺等器件的高精度、低成本制造。
为实现上述目的的他相关目的，本发明提供一种基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供(111)硅片；
2)采用激光加工工艺在所述(111)硅片背面形成第一深槽，所述第一深槽为环形闭合槽，环绕于后续要形成质量块的区域外围；
3)在所述(111)硅片正面形成第二深槽，所述第二深槽与所述第一深槽上下对应，且被后续要形成梁的区域分割为多段；所述第一深槽与所述第二深槽的深度之和大于或等于所述(111)硅片的厚度；
4)在所述(111)硅片表面、所述第一深槽及所述第二深槽侧面及底部形成第一氧化层；
5)在所述(111)硅片正面形成第三深槽，所述第三深槽位于后续要形成梁的区域两侧，并沿后续要形成梁的区域的长度方向延伸，且一端与所述第二深槽相连通；
6)在所述第一氧化层表面及所述第三深槽的侧面及底部形成第二氧化层；
7)采用反应离子刻蚀工艺及各向异性腐蚀工艺释放梁。
作为本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法的一种优选方案，步骤2)中形成的所述第一深槽的深度满足如下关系式：
hlt＝h-hb-δ
式中，hlt为所述第一深槽的深度，h为所述(111)硅片的厚度，hb为后续要形成的梁的厚度，δ为安全余量。
作为本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法的一种优选方案，步骤3)中形成的所述第二深槽的宽度满足如下关系式：
wdt≤wlt-2ε
式中，wdt为所述第二深槽的宽度，wlt为所述第一深槽的宽度，ε为正反光刻对准误差。
作为本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法的一种优选方案，步骤4)中，采用热氧化工艺在所述(111)硅片表面、所述第一深槽及所述第二深槽侧面及底部形成所述第一氧化层。
作为本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法的一种优选方案，步骤5)中形成的所述第三深槽的长度方向沿<112>晶向；所述第三深槽的深度等于后续要形成的梁的厚度，所述第三深槽的长度等于后续要形成的梁的长度，位于后续要形成梁的区域两侧的所述第三深槽的间隔宽度等于后续要形成的梁的宽度；位于后续要形成梁的区域两侧的所述第三深槽的间隔宽度与所述第三深槽的长度满足如下关系式：
式中，w1为位于后续要形成梁的区域两侧的所述第三深槽的间隔宽度，l1为所述第三深槽的长度。
作为本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法的一种优选方案， 步骤6)中，采用热氧化工艺在所述第一氧化层表面及所述第三深槽的侧面及底部形成所述第二氧化层。
作为本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法的一种优选方案，所述第二氧化层的厚度小于所述第一氧化层的厚度。
作为本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法的一种优选方案，步骤7)中，采用反应离子刻蚀工艺及各向异性腐蚀工艺释放梁包括如下步骤：
71)采用反应离子刻蚀工艺去除所述第三深槽底部的所述第二氧化层；
72)采用深反应离子刻蚀工艺自所述第三深槽底部继续刻蚀所述(111)硅片；
73)采用各向异性湿法腐蚀液自所述第三深槽底部继续刻蚀的区域腐蚀所述(111)硅片，使得位于后续要形成梁的区域两侧的自所述第三深槽底部继续刻蚀的区域连通在一起，以确保梁被完全释放。
作为本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法的一种优选方案，步骤72)中，自所述第三深槽底部继续刻蚀的深度满足如下关系式：
h2＞h-hlt-hb
式中，h2为自所述第三深槽底部继续刻蚀的深度，h为所述(111)硅片的厚度，hlt为所述第一深槽的深度，hb为所述第三深槽的深度。
作为本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法的一种优选方案，步骤73)中，所述各向异性湿法腐蚀液包括氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液。
如上所述，本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法，具有以下有益效果：采用激光加工工艺结合反应离子刻蚀工艺及各向异性腐蚀工艺形成梁-质量块结构，利用激光加工工艺较低的成本，可降低整个工艺的成本；梁结构的厚度由从(111)硅片正面进行的深反应离子刻蚀决定，工艺精度高；可在(111)硅片上制作厚度精确可控的梁-质量块结构，可实现加速度传感器与微机械陀螺等器件的高精度、低成本制造。
附图说明
图1显示为本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法的流程图。
图2至图20显示为本发明的基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法中各步骤的结构示意图。
元件标号说明
1(111)硅片
2第一深槽
3第二深槽
4第三深槽
5自第三深槽底部继续刻蚀的区域
6释放腔体
7质量块
8梁
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图20需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明还提供一种基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法，所述基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法包括以下步骤：
1)提供(111)硅片；
2)采用激光加工工艺在所述(111)硅片背面形成第一深槽，所述第一深槽为环形闭合槽，环绕于后续要形成质量块的区域外围；
3)在所述(111)硅片正面形成第二深槽，所述第二深槽与所述第一深槽上下对应，且被后续要形成梁的区域分割为多段；所述第一深槽与所述第二深槽的深度之和大于或等于所述(111)硅片的厚度；
4)在所述(111)硅片表面、所述第一深槽及所述第二深槽侧面及底部形成第一氧化层；
5)在所述(111)硅片正面形成第三深槽，所述第三深槽位于后续要形成梁的区域两侧，并沿后续要形成梁的区域的长度方向延伸，且一端与所述第二深槽相连通；
6)在所述第一氧化层表面及所述第三深槽的侧面及底部形成第二氧化层；
7)采用反应离子刻蚀工艺及各向异性腐蚀工艺释放梁。
在步骤1)中，请参阅图1中的s1步骤及图2，提供(111)硅片1。
作为示例，所述(111)硅片1即为上下表面与单晶硅(111)晶面的夹角在±1°范围内的单晶硅片。
在步骤2)中，请参阅图1中的s2步骤及图3至图4，其中，图3为该步骤对应的立体结构示意图，图4为该步骤对应的截面结构示意图，采用激光加工工艺在所述(111)硅片1背面形成第一深槽2，所述第一深槽2为环形闭合槽，环绕于后续要形成质量块的区域外围，即所述第一深槽2环绕的内部区域即为后续要形成的质量块。
作为示例，所述第一深槽2的深度满足如下关系式：
hlt＝h-hb-δ
式中，hlt为所述第一深槽2的深度，h为所述(111)硅片1的厚度，hb为后续要形成的梁的厚度，δ为安全余量，安全余量δ可以为但不仅限于激光加工工艺误差的3倍。
作为示例，可以采用纳秒激光器或皮秒激光器对所述(111)硅片1的背面进行加工以形成所述第一深槽2。
由于激光加工工艺的成本较低，使用激光加工工艺在所述(111)硅片1的背面形成所述第一深槽2，可降低整个工艺的成本。
需要说明的是，图3中所述(111)硅片1为不透明结构，此次为了便于显示所述第一深槽2故意将所述(111)硅片1绘制成透明结构。
在步骤3)中，请参阅图1中的s3步骤及图5至图7，在所述(111)硅片1正面形成第二深槽3，所述第二深槽3与所述第一深槽2上下对应，且被后续要形成梁的区域分割为多段；所述第一深槽2与所述第二深槽3的深度之和大于或等于所述(111)硅片1的厚度。
作为示例，在所述(111)硅片1正面形成第二深槽3的具体方法为：首先，在所述(111)硅片1正面涂覆光刻胶层(未示出)；其次，采用光刻工艺在所述光刻胶层内定义出所述第二深槽3的图形；然后，依据所述图形化的光刻胶层采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀所述(111)硅片1以形成所述第二深槽3；最后，去除所述光刻胶层。
作为示例，所述第二深槽3的位置与所述第一深槽2采用双面对准光刻对准，以确保所述第二深槽3与所述第一深槽2上下精确对应。
作为示例，所述第二深槽3的宽度满足如下关系式：
wdt≤wlt-2ε
式中，wdt为所述第二深槽3的宽度，wlt为所述第一深槽2的宽度，ε为正反光刻对准误差。
所述第二深槽3的深度满足如下关系式：
hdt＞h-hlt
式中，hdt为所述第二深槽3的深度，h为所述(111)硅片1的厚度，hlt为所述第一深槽2的深度。即所述第二深槽3的深度应大于所述(111)硅片1的厚度减去所述第一深槽2的深度，以确保所述第二深槽3与所述第一深槽2能够连通，形成贯通所述(111)硅片1的深槽，以将质量块7释放。
作为示例，后续要形成梁的区域将所述第二深槽3分割为多段，即在后续要形成梁的区域不刻蚀形成所述第二深槽3，使得所述第二深槽3不闭合，在对应于后续要形成梁的区域形成开口，以确保后续形成梁后，形成的梁的一端能够与所述质量块7相连接，以起到支撑所述质量块7的作用。后续要形成梁的区域的数量可以根据实际需要进行设定，即后续形成梁的数量可以根据实际需要进行设定，此处不做限定。
在一示例中，请参阅图5及图6，后续要形成的梁的区域的数量为4个，即后续形成梁的数量为4个，以在制备完成后形成四梁-质量块结构；4个后续要形成的梁的区域对称地分布于所述质量块7的两侧。图5为四梁-质量块结构对应该步骤的立体结构示意图，图6为图5的截面结构示意图。
在另一示例中，请参阅图7，后续要形成的梁的区域的数量为2个，即后续要形成梁的数量为2个，以在制备完成后形成双梁-质量块结构；2个后续要形成梁的区域平行分布于所述质量块7的同一侧，但具体示例中并不以此为限，2个后续要形成梁的区域还可以对称地分布于所述质量块7的两侧。图7为双梁-质量块结构对应该步骤的立体结构示意图。
在步骤4)中，请参阅图1中的s4步骤，在所述(111)硅片1表面、所述第一深槽2及所述第二深槽3侧面及底部形成第一氧化层。
作为示例，可以通过热氧化工艺在所述(111)硅片1表面、所述第一深槽2及所述第二深槽3侧面及底部形成所述第一氧化层(未示出)。
作为示例，所述第一氧化层的厚度可以根据实际需要选择，此处不做限制。
在步骤5)中，请参阅图1中的s5步骤及图8至图11，在所述(111)硅片1正面形成第三深槽4，所述第三深槽4位于后续要形成梁的区域两侧，并沿后续要形成梁的区域的长度方向延伸，且一端与所述第二深槽3相连通。
作为示例，在所述(111)硅片1正面形成第三深槽4的具体方法为：首先，在所述(111)硅片1正面涂覆光刻胶层(未示出)；其次，采用光刻工艺在所述光刻胶层内定义成所述第三深槽4的图形，所述第三深槽4的图形位于后续要形成梁的区域两侧，并沿后续要形成梁的区域的长度方向延伸，且一端与所述第二深槽3部分重叠，共同形成包围梁-质量块结构的深槽图形；然后，依据所述图形化的光刻胶层先腐蚀去除所述第三深槽4图形内的所述第一氧化层，再采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀所述(111)硅片1形成所述第三深槽4；最后，去 除所述光刻胶层。
作为示例，所述第三深槽4的长度方向沿<112>晶向；所述第三深槽4的深度等于后续要形成的梁的厚度，所述第三深槽4的长度等于后续要形成的梁的长度，位于后续要形成梁的区域两侧的所述第三深槽4的间隔宽度等于后续要形成的梁的宽度；位于后续要形成梁的区域两侧的所述第三深槽4的间隔宽度与所述第三深槽4的长度(即后续要形成的梁的宽度与梁的长度)满足如下关系式：
式中，w1为位于后续要形成梁的区域两侧的所述第三深槽的间隔宽度，l1为所述第三深槽的长度。
作为示例，图8为四梁-质量块结构对应该步骤的立体结构示意图，图9为图8的截面结构示意图，图10为图8的俯视结构示意图。
作为示例，图11为双梁-质量块结构对应该步骤的立体结构示意图。
在步骤6)中，请参阅图1中的s6步骤，在所述第一氧化层表面及所述第三深槽4的侧面及底部形成第二氧化层。
作为示例，可以采用热氧化工艺在所述第一氧化层表面及所述第三深槽4的侧面及底部形成所述第二氧化层。
作为示例，所述第二氧化层的厚度可以根据实际需要选择，优选的，本实施了中，所述第二氧化层的厚度小于所述第一氧化层的厚度。
在步骤7)中，请参阅图1中的s7步骤及图12至图20，采用反应离子刻蚀工艺及各向异性腐蚀工艺释放梁8。
作为示例，采用反应离子刻蚀工艺及各向异性腐蚀工艺释放所述梁8包括如下步骤：
71)采用反应离子刻蚀工艺去除所述第三深槽4底部的所述第二氧化层；由于反应离子刻蚀的侧向腐蚀速率远小于向下的腐蚀速率，在采用反应离子刻蚀工艺去除所述第三深槽4底部的所述第二氧化层时，所述第三深槽4侧壁的所述第二氧化层被保留；又由于所述第二氧化层的厚度小于所述第一氧化层的厚度，通过控制反应离子刻蚀的时间，可以使得所述第一氧化层保留一定的厚度；
72)采用深反应离子刻蚀工艺自所述第三深槽4底部继续刻蚀所述(111)硅片1，在所述第三深槽4底部下方形成自第三深槽底部继续刻蚀的区域5，如图12至图14所示，其中，图12为四梁-质量块结构对应该步骤的立体结构示意图，图13为图12的截面结构示意图，图14为双梁-质量块结构对应该步骤的立体结构示意图；由于仅所述第三深槽4底部没有所述第二氧化层保护，所述第三深槽4被继续向下腐蚀；自所述第三深槽4底部继续刻蚀的深 度满足如下关系式：
h2＞h-hlt-hb
式中，h2为自所述第三深槽底部继续刻蚀的区域5的深度，h为所述(111)硅片1的厚度，hlt为所述第一深槽2的深度，hb为所述第三深槽3的深度，即所述第三深槽4两次刻蚀的总深度应大于所述(111)硅片1的厚度减去所述第一深槽2的深度；
73)采用各向异性湿法腐蚀液自所述第三深槽底部继续刻蚀的区域5腐蚀所述(111)硅片1，使得位于后续要形成梁的区域两侧的自所述第三深槽底部继续刻蚀的区域5连通在一起，以确保梁8被完全释放，如图15至图20所示，其中，图15为四梁-质量块结构对应该步骤的立体结构示意图，图16为图15的截面结构示意图，图17为图15的俯视结构示意图，图19为双梁-质量块结构对应该步骤的立体结构示意图；所述各向异性湿法腐蚀液包括氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液。由于各向异性腐蚀存在自停止特性，当腐蚀时间略长于所需时间时，结构受到的影响较小。各向异性湿法腐蚀液对单晶硅(111)晶面的腐蚀速率极低，仅为(100)晶面腐蚀速率的0.01，可忽略不计。所述第三深槽4的侧壁有所述第二氧化层保护，故也不会被腐蚀；自所述第三深槽底部继续刻蚀的区域5的侧壁没有所述第二氧化层保护，会被各向异性腐蚀液腐蚀，但是所述第三深槽4的底部为(111)晶面，因此不会自所述第三深槽底部继续刻蚀的区域5的底部继续向下腐蚀。所述第三深槽4的短边沿<110>晶向，在各向异性腐蚀液腐蚀下会形成与上表面(111)晶向成70.53°的(11
步骤73)完成后，最终形成的四梁-质量块结构的立体结构示意图如图18所示，最终形成的双梁-质量块结构的立体结构示意图如图20所示；由图18及图20可知，所述梁8一端与所述质量块7相连接，另一端与所述(111)硅片1相连接，所述梁8的长度方向沿<112>晶向、垂直于<110>晶向。由于步骤73)完成之后的形貌较为复杂，为了便于显示，图18及图20中，对于对梁-质量块结构力学特性的影响可忽略不计的形貌结构未予显示。
综上所述，本发明提供一种基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法，所述基于激光结合各向异性腐蚀的梁-质量块结构的制备方法包括以下步骤：1)提供(111)硅 片；2)采用激光加工工艺在所述(111)硅片背面形成第一深槽，所述第一深槽为环形闭合槽，环绕于后续要形成质量块的区域外围；3)在所述(111)硅片正面形成第二深槽，所述第二深槽与所述第一深槽上下对应，且被后续要形成梁的区域分割为多段；所述第一深槽与所述第二深槽的深度之和大于或等于所述(111)硅片的厚度；4)在所述(111)硅片表面、所述第一深槽及所述第二深槽侧面及底部形成第一氧化层；5)在所述(111)硅片正面形成第三深槽，所述第三深槽位于后续要形成梁的区域两侧，并沿后续要形成梁的区域的长度方向延伸，且一端与所述第二深槽相连通；6)在所述第一氧化层表面及所述第三深槽的侧面及底部形成第二氧化层；7)采用反应离子刻蚀工艺及各向异性腐蚀工艺释放梁。采用激光加工工艺结合反应离子刻蚀工艺及各向异性腐蚀工艺形成梁-质量块结构，利用激光加工工艺较低的成本，可降低整个工艺的成本；梁结构的厚度由从(111)硅片正面进行的深反应离子刻蚀决定，工艺精度高；可在(111)硅片上制作厚度精确可控的梁-质量块结构，可实现加速度传感器与微机械陀螺等器件的高精度、低成本制造。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理的功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
