專利名稱：由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)，尤其涉及一種由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及其制作方法。
背景技術(shù)：
微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是在集成電路工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來多學(xué)科交叉的新型 學(xué)科，涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、自動控制學(xué)、材料科學(xué)等多種工程技術(shù)和學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對陣列化感知和陣列化操作的需求日漸高漲。陣列化 傳感器可以使一個芯片同時對多種信息進(jìn)行感知或者對同一種信息的空間分布情況進(jìn)行 感知。陣列化執(zhí)行器可以同時并行的進(jìn)行微觀操作，使人類對微觀世界的加工效率有效的 提尚。而現(xiàn)有的MEMS陣列化傳感器與執(zhí)行器都存在著受到襯底與探測單元的間距限制 的問題。首先，間距限制了傳感器或執(zhí)行器的可動部分的動作空間；其次，對于工作在低真 空下的溫度傳感器來說，間距的大小直接影響到器件的響應(yīng)靈敏度與真空需求。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題為了解決所面臨的這些問題，本發(fā)明提供了一種由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng) 格結(jié)構(gòu)及其制作方法，將陣列化的傳感器或探測器制作在此種硅材料框架上可以有效地解 決之前所提到的各種問題，并且這種結(jié)構(gòu)在生物化學(xué)領(lǐng)域可以當(dāng)作細(xì)胞篩使用。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的的一個方面，本發(fā)明提供了一種由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng) 格結(jié)構(gòu)，該微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)由外部邊框1和網(wǎng)格區(qū)域2構(gòu)成；該外部邊框1為矩形，該網(wǎng) 格區(qū)域2中包含有網(wǎng)孔3，該網(wǎng)孔3重復(fù)平鋪于網(wǎng)格區(qū)域2所在的空間平面。上述方案中，所述外部邊框1為矩形，長和寬的長度范圍為1毫米到100毫米。上述方案中，所述網(wǎng)孔3圖形為三角形、矩形、正方形或任意多邊形，網(wǎng)孔3的邊長 為0. 1微米到1000微米之間。上述方案中，所述網(wǎng)格區(qū)域2中的網(wǎng)孔3之間是網(wǎng)格梁，在網(wǎng)格梁的表面進(jìn)一步附 著有鈍化材料氮化硅、氧化硅或碳化硅。為達(dá)到上述目的的另一個方面，本發(fā)明提供了一種制作由單晶硅材料構(gòu)成的微米 尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括步驟1、在單晶硅片上表面刻蝕溝槽；步驟2、在硅片正面淀積并在溝槽內(nèi)填充材料；步驟3、對硅片正面進(jìn)行平坦化工藝；步驟4、刻蝕硅片正面薄膜層；步驟5、從背面腐蝕單晶硅，直到露出溝槽中的填充材料后終止；
步驟6、從正面干法腐蝕剩余暴露出的單晶硅薄膜，構(gòu)成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；步驟7、腐蝕掉框架上殘留的薄膜層；步驟8、在網(wǎng)格框架上淀積所需要的薄膜材料，得到由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。上述方案中，步驟1中所述單晶硅片為<100>晶向的ρ型或η型硅片。上述方案中，步驟1中所述在單晶硅片上表面刻蝕溝槽是采用二氧化硅作為掩蔽 層，使用反應(yīng)離子刻蝕RIE設(shè)備或者感應(yīng)耦合等離子刻蝕ICP設(shè)備通過各向異性干法深硅 刻蝕實現(xiàn)的，刻蝕完成后采用HF或其緩沖溶液BOE腐蝕掉掩蔽層。上述方案中，步驟2中所述在硅片正面淀積并在溝槽內(nèi)填充材料，是通過低壓化 學(xué)氣相淀積LPCVD方法在硅片上表面實現(xiàn)的，填充的材料為氧化硅、磷硅玻璃PSG或硼磷硅 玻璃BPSG。上述方案中，步驟3中所述對硅片正面進(jìn)行平坦化工藝是采用化學(xué)物理表面刨光 CMP工藝，或者采用高溫爐進(jìn)行高溫回流工藝，工藝溫度范圍在200到700度之間。上述方案中，步驟4中所述刻蝕硅片正面薄膜層是通過使用反應(yīng)離子刻蝕RIE設(shè) 備，采用RIE工藝實現(xiàn)的。上述方案中，步驟5中所述從背面腐蝕單晶硅采用的是氫氧化鉀溶液或者四甲基 氫氧化銨TMAH溶液作為腐蝕溶液。上述方案中，步驟6中所述從正面干法腐蝕剩余暴露出的單晶硅薄膜是采用二氟 化氙作為腐蝕氣體的干法化學(xué)腐蝕工藝，或者是采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕ICP設(shè)備通過干 法深硅刻蝕實現(xiàn)的。上述方案中，步驟7中所述腐蝕掉框架上殘留的薄膜層是采用HF或其緩沖溶液 BOE腐蝕進(jìn)行濕法腐蝕實現(xiàn)的。上述方案中，步驟8中所述在網(wǎng)格框架上淀積所需要的薄膜材料是采用低壓化學(xué) 氣項淀積方法實現(xiàn)的，薄膜材料是鈍化材料氮化硅、氧化硅或碳化硅。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、利用本發(fā)明，由于構(gòu)成了鏤空的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所以滿足了部分傳感器或執(zhí)行器對 于大形變空間的需求，解決了依靠犧牲層結(jié)構(gòu)的局限性。2、利用本發(fā)明，由于其鏤空網(wǎng)格的特點，所以可以滿足某些光學(xué)傳感器對于背面 透光的需求。


圖1是本發(fā)明提供的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖2是本發(fā)明提供的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖3是本發(fā)明提供的由單晶硅材料構(gòu)成的附著有鈍化層的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的 剖面圖；圖4是本發(fā)明提供的制作由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法流程圖；圖5至圖13是本發(fā)明提供的制作由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的工藝 流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明提供的這種由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，是以常用的微細(xì)加工 手段進(jìn)行制備的。該微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)由外部邊框1和網(wǎng)格區(qū)域2構(gòu)成，其俯視圖如附圖 1所示。該外部邊框1為矩形，該矩形的長和寬的長度范圍為1毫米到100毫米，該網(wǎng)格區(qū) 域2中包含有網(wǎng)孔3，網(wǎng)孔3圖形可為三角形、矩形、正方形或任意多邊形，網(wǎng)孔3重復(fù)平鋪 于網(wǎng)格區(qū)域2所在的空間平面(附圖1中以正方形為例)，網(wǎng)孔的邊長為0. 1微米到1000 微米之間，網(wǎng)孔的網(wǎng)格寬度為0. 1微米到20微米之間。網(wǎng)格的剖面圖如附圖2所示，網(wǎng)格 的剖面為矩形高度為0. 1微米到40微米之間。網(wǎng)格梁的表面也可以根據(jù)應(yīng)用要求附著氮 化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或碳化硅(SiC)等鈍化材料4，如圖3所示。圖4示出了本發(fā)明提供的制作由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法流 程圖，具體制作方法包括如下步驟步驟1、按照預(yù)設(shè)圖案，在單晶硅片101上表面刻蝕溝槽102，如圖5、和圖6 ；該方 法選用的晶向為< 100>的硅片，P型、η型皆可。步驟2、在硅片正面淀積并在溝槽內(nèi)填充材料Α103，如圖7 ；步驟3、對硅片正面進(jìn)行平坦化工藝，如圖8 ；步驟4、按照預(yù)設(shè)圖案，刻蝕硅片正面薄膜層Α103，如圖9 ；步驟5、按照預(yù)設(shè)圖案，從背面腐蝕單晶硅，到露出深槽中的材料Α103后終止，如 圖10 ；步驟6、按預(yù)設(shè)圖案，從正面干法腐蝕剩余暴露出的單晶硅薄膜，構(gòu)成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如 圖11 ；步驟7、腐蝕掉框架上殘留的薄膜層Α103，如圖12 ；步驟8、在網(wǎng)格框架上淀積所需要的薄膜材料Β104，如圖13 ；從而得到硅材料的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，上述步驟1中，所述的單晶硅片上表面刻蝕溝槽是采用二氧化硅(SiO2) 作為掩蔽層，使用反應(yīng)粒子刻蝕(RIE)設(shè)備或者感應(yīng)耦合等離子刻蝕(ICP)設(shè)備通過各向 異性干法深硅刻蝕實現(xiàn)的，刻蝕完成后采用HF或其緩沖溶液(BOE)腐蝕掉掩蔽層。優(yōu)選的，上述步驟2中，所述的表面淀積以及溝槽填充材料A為氧化硅(SiO2)、磷 硅玻璃(PSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)，其通過低壓化學(xué)氣項淀積(LPCVD)的手段在硅片上表 面實現(xiàn)。優(yōu)選的，上述步驟3中，所述的表面平坦化工藝可以是化學(xué)物理表面刨光(CMP)工 藝也可以使用高溫爐進(jìn)行高溫回流工藝，工藝溫度范圍在200到700度之間。優(yōu)選的，上述步驟4中，所述的按照預(yù)設(shè)圖案刻蝕薄膜層Α，該刻蝕過程是通過使 用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)設(shè)備，采用RIE工藝實現(xiàn)的。優(yōu)選的，上述步驟5中，所述的按照預(yù)設(shè)圖案，從背面腐蝕單晶硅采用的是氫氧化 鉀(KOH)溶液或者四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液作為腐蝕溶液。優(yōu)選的，上述步驟6中，所述的正面干法腐蝕剩余暴露出的單晶硅薄膜是采用XeF2(二氟化氙 作為腐蝕氣體的干法化學(xué)腐蝕工藝或者采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕(ICP) 設(shè)備通過干法深硅刻蝕實現(xiàn)的。優(yōu)選的，上述步驟7中，所述的腐蝕框架上殘留的薄膜層A是采用HF或其緩沖溶 液(BOE)腐蝕進(jìn)行濕法腐蝕實現(xiàn)的。優(yōu)選的，上述步驟8中，所述的在網(wǎng)格框架上淀積所需要的薄膜材料B可為著氮化 硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或碳化硅(SiC)等鈍化材料4，其淀積方式采用低壓化學(xué)氣項淀 積(LPCVD)的手段實現(xiàn)。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，該微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)由外部邊框(1)和網(wǎng)格區(qū)域(2)構(gòu)成；該外部邊框(1)為矩形，該網(wǎng)格區(qū)域(2)中包含有網(wǎng)孔(3)，該網(wǎng)孔(3)重復(fù)平鋪于網(wǎng)格區(qū)域(2)所在的空間平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述 外部邊框(1)為矩形，長和寬的長度范圍為1毫米到100毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述 網(wǎng)孔(3)圖形為三角形、矩形、正方形或任意多邊形，網(wǎng)孔(3)的邊長為0. 1微米到1000微 米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述 網(wǎng)格區(qū)域(2)中的網(wǎng)孔(3)之間是網(wǎng)格梁，在網(wǎng)格梁的表面進(jìn)一步附著有鈍化材料氮化硅、 氧化硅或碳化硅。
5.一種制作由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括步驟1、在單晶硅片上表面刻蝕溝槽；步驟2、在硅片正面淀積并在溝槽內(nèi)填充材料；步驟3、對硅片正面進(jìn)行平坦化工藝；步驟4、刻蝕硅片正面薄膜層；步驟5、從背面腐蝕單晶硅，直到露出溝槽中的填充材料后終止；步驟6、從正面干法腐蝕剩余暴露出的單晶硅薄膜，構(gòu)成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；步驟7、腐蝕掉框架上殘留的薄膜層；步驟8、在網(wǎng)格框架上淀積所需要的薄膜材料，得到由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格 結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，步驟1 中所述單晶硅片為<100>晶向的ρ型或η型硅片。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，步驟1 中所述在單晶硅片上表面刻蝕溝槽是采用二氧化硅作為掩蔽層，使用反應(yīng)離子刻蝕RIE設(shè) 備或者感應(yīng)耦合等離子刻蝕ICP設(shè)備通過各向異性干法深硅刻蝕實現(xiàn)的，刻蝕完成后采用 HF或其緩沖溶液BOE腐蝕掉掩蔽層。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，步驟2 中所述在硅片正面淀積并在溝槽內(nèi)填充材料，是通過低壓化學(xué)氣相淀積LPCVD方法在硅片 上表面實現(xiàn)的，填充的材料為氧化硅、磷硅玻璃PSG或硼磷硅玻璃BPSG。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，步驟3 中所述對硅片正面進(jìn)行平坦化工藝是采用化學(xué)物理表面刨光CMP工藝，或者采用高溫爐進(jìn) 行高溫回流工藝，工藝溫度范圍在200到700度之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，步驟 4中所述刻蝕硅片正面薄膜層是通過使用反應(yīng)離子刻蝕RIE設(shè)備，采用RIE工藝實現(xiàn)的。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，步驟 5中所述從背面腐蝕單晶硅采用的是氫氧化鉀溶液或者四甲基氫氧化銨TMAH溶液作為腐 蝕溶液。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，步驟 6中所述從正面干法腐蝕剩余暴露出的單晶硅薄膜是采用二氟化氙作為腐蝕氣體的干法化 學(xué)腐蝕工藝，或者是采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕ICP設(shè)備通過干法深硅刻蝕實現(xiàn)的。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，步驟 7中所述腐蝕掉框架上殘留的薄膜層是采用HF或其緩沖溶液BOE腐蝕進(jìn)行濕法腐蝕實現(xiàn) 的。
14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，步驟 8中所述在網(wǎng)格框架上淀積所需要的薄膜材料是采用低壓化學(xué)氣項淀積方法實現(xiàn)的，薄膜 材料是鈍化材料氮化硅、氧化硅或碳化硅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，該微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)由外部邊框(1)和網(wǎng)格區(qū)域(2)構(gòu)成；該外部邊框(1)為矩形，該網(wǎng)格區(qū)域(2)中包含有網(wǎng)孔(3)，該網(wǎng)孔(3)重復(fù)平鋪于網(wǎng)格區(qū)域(2)所在的空間平面。本發(fā)明同時公開了一種制作由單晶硅材料構(gòu)成的微米尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法。利用本發(fā)明，可以解決傳感器或執(zhí)行器的大形變要求與犧牲層厚度限制的矛盾，也可以滿足部分光學(xué)傳感器對于背面透光的特殊要求。
文檔編號B81B7/02GK101985348SQ20091009012
公開日2011年3月16日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者葉田春, 焦斌斌, 陳大鵬 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所