基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法與流程
本發(fā)明屬于微納加工技術領域，特別是涉及一種基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法。
背景技術：
微機電系統(tǒng)技術(mems，microelectromechanicalsystem)采用與集成電路兼容的工藝在硅片上實現(xiàn)傳感器與執(zhí)行器的集成，是集成電路的一個分支。目前，微機電系統(tǒng)技術領域的支柱性產(chǎn)品包括加速度傳感器、微機械陀螺、壓力傳感器、麥克風、數(shù)字投影芯片等。其中加速度傳感器和微機械陀螺等一般采用梁-質量塊結構，通常采用表面微機械或體微機械加工技術制作。由于加速度傳感器和微機械陀螺等慣性器件的性能與質量相關，一般質量塊的質量越大則總體性能越高，高性能的加速度傳感器和微機械陀螺一般采用體微機械工藝制作。
體微機械加工技術是從集成電路工藝發(fā)展而來的，其基本工藝流程為通過循環(huán)使用光刻工藝和腐蝕工藝在硅片上腐蝕形成結構。體微機械工藝具有與集成電路工藝相同的特點，為并行加工工藝，即同時對硅片上的所有芯片單元進行加工，因此便于實現(xiàn)批量化制造。但是另一方面，現(xiàn)有的體微機械腐蝕工藝種類不多，特別是對于高深寬比(即深度與寬度的比值)的結構，必須采用深反應離子刻蝕工藝(deepreactiveionetching,drie)加工。深反應離子刻蝕工藝的刻蝕深寬比可達25：1，并且刻蝕深度的控制精度較高，是制作高性能慣性傳感器的關鍵工藝，但是該工藝的成本較高，對傳感器的成本有很大影響。
激光加工工藝是一種串行加工工藝，即激光加工是逐個芯片燒蝕的。隨著激光加工機功率的不斷提高，激光加工的效率已可與并行加工工藝相比擬，并且加工成本顯著低于深反應離子刻蝕工藝。限制激光加工在傳感器制造方面廣泛應用的主要原因在于，激光燒蝕深度的控制精度與深反應離子刻蝕工藝有差距，難以在保證加工效率的同時保持較高的控制精度。
技術實現(xiàn)要素：
鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明提出了一種深反應離子刻蝕、各向異性濕法腐蝕與激光加工相結合的工藝，可在(111)硅片上制作厚度精確可控的梁-質量塊結構，可實現(xiàn)加速度傳感器與微機械陀螺等器件的高精度、低成本制造。
為實現(xiàn)上述目的的他相關目的，本發(fā)明提供一種基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：
1)提供(111)硅片；
2)采用激光加工工藝在所述(111)硅片背面形成第一深槽，所述第一深槽為環(huán)形閉合槽，環(huán)繞于后續(xù)要形成質量塊的區(qū)域外圍；
3)在所述(111)硅片正面形成第二深槽，所述第二深槽與所述第一深槽上下對應，且被后續(xù)要形成梁的區(qū)域分割為多段；所述第一深槽與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側面及底部形成第一氧化層；
5)在所述(111)硅片正面形成第三深槽，所述第三深槽位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側，并沿后續(xù)要形成梁的區(qū)域的長度方向延伸，且一端與所述第二深槽相連通；
6)在所述第一氧化層表面及所述第三深槽的側面及底部形成第二氧化層；
7)采用反應離子刻蝕工藝及各向異性腐蝕工藝釋放梁。
作為本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中形成的所述第一深槽的深度滿足如下關系式：
hlt＝h-hb-δ
式中，hlt為所述第一深槽的深度，h為所述(111)硅片的厚度，hb為后續(xù)要形成的梁的厚度，δ為安全余量。
作為本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)中形成的所述第二深槽的寬度滿足如下關系式：
wdt≤wlt-2ε
式中，wdt為所述第二深槽的寬度，wlt為所述第一深槽的寬度，ε為正反光刻對準誤差。
作為本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)中，采用熱氧化工藝在所述(111)硅片表面、所述第一深槽及所述第二深槽側面及底部形成所述第一氧化層。
作為本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟5)中形成的所述第三深槽的長度方向沿<112>晶向；所述第三深槽的深度等于后續(xù)要形成的梁的厚度，所述第三深槽的長度等于后續(xù)要形成的梁的長度，位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側的所述第三深槽的間隔寬度等于后續(xù)要形成的梁的寬度；位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側的所述第三深槽的間隔寬度與所述第三深槽的長度滿足如下關系式：
式中，w1為位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側的所述第三深槽的間隔寬度，l1為所述第三深槽的長度。
作為本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法的一種優(yōu)選方案， 步驟6)中，采用熱氧化工藝在所述第一氧化層表面及所述第三深槽的側面及底部形成所述第二氧化層。
作為本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述第二氧化層的厚度小于所述第一氧化層的厚度。
作為本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟7)中，采用反應離子刻蝕工藝及各向異性腐蝕工藝釋放梁包括如下步驟：
71)采用反應離子刻蝕工藝去除所述第三深槽底部的所述第二氧化層；
72)采用深反應離子刻蝕工藝自所述第三深槽底部繼續(xù)刻蝕所述(111)硅片；
73)采用各向異性濕法腐蝕液自所述第三深槽底部繼續(xù)刻蝕的區(qū)域腐蝕所述(111)硅片，使得位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側的自所述第三深槽底部繼續(xù)刻蝕的區(qū)域連通在一起，以確保梁被完全釋放。
作為本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟72)中，自所述第三深槽底部繼續(xù)刻蝕的深度滿足如下關系式：
h2＞h-hlt-hb
式中，h2為自所述第三深槽底部繼續(xù)刻蝕的深度，h為所述(111)硅片的厚度，hlt為所述第一深槽的深度，hb為所述第三深槽的深度。
作為本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟73)中，所述各向異性濕法腐蝕液包括氫氧化鉀溶液或四甲基氫氧化銨溶液。
如上所述，本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法，具有以下有益效果：采用激光加工工藝結合反應離子刻蝕工藝及各向異性腐蝕工藝形成梁-質量塊結構，利用激光加工工藝較低的成本，可降低整個工藝的成本；梁結構的厚度由從(111)硅片正面進行的深反應離子刻蝕決定，工藝精度高；可在(111)硅片上制作厚度精確可控的梁-質量塊結構，可實現(xiàn)加速度傳感器與微機械陀螺等器件的高精度、低成本制造。
附圖說明
圖1顯示為本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法的流程圖。
圖2至圖20顯示為本發(fā)明的基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法中各步驟的結構示意圖。
元件標號說明
1(111)硅片
2第一深槽
3第二深槽
4第三深槽
5自第三深槽底部繼續(xù)刻蝕的區(qū)域
6釋放腔體
7質量塊
8梁
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱圖1至圖20需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，雖圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。
請參閱圖1，本發(fā)明還提供一種基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法，所述基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法包括以下步驟：
1)提供(111)硅片；
2)采用激光加工工藝在所述(111)硅片背面形成第一深槽，所述第一深槽為環(huán)形閉合槽，環(huán)繞于后續(xù)要形成質量塊的區(qū)域外圍；
3)在所述(111)硅片正面形成第二深槽，所述第二深槽與所述第一深槽上下對應，且被后續(xù)要形成梁的區(qū)域分割為多段；所述第一深槽與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側面及底部形成第一氧化層；
5)在所述(111)硅片正面形成第三深槽，所述第三深槽位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側，并沿后續(xù)要形成梁的區(qū)域的長度方向延伸，且一端與所述第二深槽相連通；
6)在所述第一氧化層表面及所述第三深槽的側面及底部形成第二氧化層；
7)采用反應離子刻蝕工藝及各向異性腐蝕工藝釋放梁。
在步驟1)中，請參閱圖1中的s1步驟及圖2，提供(111)硅片1。
作為示例，所述(111)硅片1即為上下表面與單晶硅(111)晶面的夾角在±1°范圍內(nèi)的單晶硅片。
在步驟2)中，請參閱圖1中的s2步驟及圖3至圖4，其中，圖3為該步驟對應的立體結構示意圖，圖4為該步驟對應的截面結構示意圖，采用激光加工工藝在所述(111)硅片1背面形成第一深槽2，所述第一深槽2為環(huán)形閉合槽，環(huán)繞于后續(xù)要形成質量塊的區(qū)域外圍，即所述第一深槽2環(huán)繞的內(nèi)部區(qū)域即為后續(xù)要形成的質量塊。
作為示例，所述第一深槽2的深度滿足如下關系式：
hlt＝h-hb-δ
式中，hlt為所述第一深槽2的深度，h為所述(111)硅片1的厚度，hb為后續(xù)要形成的梁的厚度，δ為安全余量，安全余量δ可以為但不僅限于激光加工工藝誤差的3倍。
作為示例，可以采用納秒激光器或皮秒激光器對所述(111)硅片1的背面進行加工以形成所述第一深槽2。
由于激光加工工藝的成本較低，使用激光加工工藝在所述(111)硅片1的背面形成所述第一深槽2，可降低整個工藝的成本。
需要說明的是，圖3中所述(111)硅片1為不透明結構，此次為了便于顯示所述第一深槽2故意將所述(111)硅片1繪制成透明結構。
在步驟3)中，請參閱圖1中的s3步驟及圖5至圖7，在所述(111)硅片1正面形成第二深槽3，所述第二深槽3與所述第一深槽2上下對應，且被后續(xù)要形成梁的區(qū)域分割為多段；所述第一深槽2與所述第二深槽3的深度之和大于或等于所述(111)硅片1的厚度。
作為示例，在所述(111)硅片1正面形成第二深槽3的具體方法為：首先，在所述(111)硅片1正面涂覆光刻膠層(未示出)；其次，采用光刻工藝在所述光刻膠層內(nèi)定義出所述第二深槽3的圖形；然后，依據(jù)所述圖形化的光刻膠層采用深反應離子刻蝕工藝刻蝕所述(111)硅片1以形成所述第二深槽3；最后，去除所述光刻膠層。
作為示例，所述第二深槽3的位置與所述第一深槽2采用雙面對準光刻對準，以確保所述第二深槽3與所述第一深槽2上下精確對應。
作為示例，所述第二深槽3的寬度滿足如下關系式：
wdt≤wlt-2ε
式中，wdt為所述第二深槽3的寬度，wlt為所述第一深槽2的寬度，ε為正反光刻對準誤差。
所述第二深槽3的深度滿足如下關系式：
hdt＞h-hlt
式中，hdt為所述第二深槽3的深度，h為所述(111)硅片1的厚度，hlt為所述第一深槽2的深度。即所述第二深槽3的深度應大于所述(111)硅片1的厚度減去所述第一深槽2的深度，以確保所述第二深槽3與所述第一深槽2能夠連通，形成貫通所述(111)硅片1的深槽，以將質量塊7釋放。
作為示例，后續(xù)要形成梁的區(qū)域將所述第二深槽3分割為多段，即在后續(xù)要形成梁的區(qū)域不刻蝕形成所述第二深槽3，使得所述第二深槽3不閉合，在對應于后續(xù)要形成梁的區(qū)域形成開口，以確保后續(xù)形成梁后，形成的梁的一端能夠與所述質量塊7相連接，以起到支撐所述質量塊7的作用。后續(xù)要形成梁的區(qū)域的數(shù)量可以根據(jù)實際需要進行設定，即后續(xù)形成梁的數(shù)量可以根據(jù)實際需要進行設定，此處不做限定。
在一示例中，請參閱圖5及圖6，后續(xù)要形成的梁的區(qū)域的數(shù)量為4個，即后續(xù)形成梁的數(shù)量為4個，以在制備完成后形成四梁-質量塊結構；4個后續(xù)要形成的梁的區(qū)域對稱地分布于所述質量塊7的兩側。圖5為四梁-質量塊結構對應該步驟的立體結構示意圖，圖6為圖5的截面結構示意圖。
在另一示例中，請參閱圖7，后續(xù)要形成的梁的區(qū)域的數(shù)量為2個，即后續(xù)要形成梁的數(shù)量為2個，以在制備完成后形成雙梁-質量塊結構；2個后續(xù)要形成梁的區(qū)域平行分布于所述質量塊7的同一側，但具體示例中并不以此為限，2個后續(xù)要形成梁的區(qū)域還可以對稱地分布于所述質量塊7的兩側。圖7為雙梁-質量塊結構對應該步驟的立體結構示意圖。
在步驟4)中，請參閱圖1中的s4步驟，在所述(111)硅片1表面、所述第一深槽2及所述第二深槽3側面及底部形成第一氧化層。
作為示例，可以通過熱氧化工藝在所述(111)硅片1表面、所述第一深槽2及所述第二深槽3側面及底部形成所述第一氧化層(未示出)。
作為示例，所述第一氧化層的厚度可以根據(jù)實際需要選擇，此處不做限制。
在步驟5)中，請參閱圖1中的s5步驟及圖8至圖11，在所述(111)硅片1正面形成第三深槽4，所述第三深槽4位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側，并沿后續(xù)要形成梁的區(qū)域的長度方向延伸，且一端與所述第二深槽3相連通。
作為示例，在所述(111)硅片1正面形成第三深槽4的具體方法為：首先，在所述(111)硅片1正面涂覆光刻膠層(未示出)；其次，采用光刻工藝在所述光刻膠層內(nèi)定義成所述第三深槽4的圖形，所述第三深槽4的圖形位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側，并沿后續(xù)要形成梁的區(qū)域的長度方向延伸，且一端與所述第二深槽3部分重疊，共同形成包圍梁-質量塊結構的深槽圖形；然后，依據(jù)所述圖形化的光刻膠層先腐蝕去除所述第三深槽4圖形內(nèi)的所述第一氧化層，再采用深反應離子刻蝕工藝刻蝕所述(111)硅片1形成所述第三深槽4；最后，去 除所述光刻膠層。
作為示例，所述第三深槽4的長度方向沿<112>晶向；所述第三深槽4的深度等于后續(xù)要形成的梁的厚度，所述第三深槽4的長度等于后續(xù)要形成的梁的長度，位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側的所述第三深槽4的間隔寬度等于后續(xù)要形成的梁的寬度；位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側的所述第三深槽4的間隔寬度與所述第三深槽4的長度(即后續(xù)要形成的梁的寬度與梁的長度)滿足如下關系式：
式中，w1為位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側的所述第三深槽的間隔寬度，l1為所述第三深槽的長度。
作為示例，圖8為四梁-質量塊結構對應該步驟的立體結構示意圖，圖9為圖8的截面結構示意圖，圖10為圖8的俯視結構示意圖。
作為示例，圖11為雙梁-質量塊結構對應該步驟的立體結構示意圖。
在步驟6)中，請參閱圖1中的s6步驟，在所述第一氧化層表面及所述第三深槽4的側面及底部形成第二氧化層。
作為示例，可以采用熱氧化工藝在所述第一氧化層表面及所述第三深槽4的側面及底部形成所述第二氧化層。
作為示例，所述第二氧化層的厚度可以根據(jù)實際需要選擇，優(yōu)選的，本實施了中，所述第二氧化層的厚度小于所述第一氧化層的厚度。
在步驟7)中，請參閱圖1中的s7步驟及圖12至圖20，采用反應離子刻蝕工藝及各向異性腐蝕工藝釋放梁8。
作為示例，采用反應離子刻蝕工藝及各向異性腐蝕工藝釋放所述梁8包括如下步驟：
71)采用反應離子刻蝕工藝去除所述第三深槽4底部的所述第二氧化層；由于反應離子刻蝕的側向腐蝕速率遠小于向下的腐蝕速率，在采用反應離子刻蝕工藝去除所述第三深槽4底部的所述第二氧化層時，所述第三深槽4側壁的所述第二氧化層被保留；又由于所述第二氧化層的厚度小于所述第一氧化層的厚度，通過控制反應離子刻蝕的時間，可以使得所述第一氧化層保留一定的厚度；
72)采用深反應離子刻蝕工藝自所述第三深槽4底部繼續(xù)刻蝕所述(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繼續(xù)刻蝕的區(qū)域5，如圖12至圖14所示，其中，圖12為四梁-質量塊結構對應該步驟的立體結構示意圖，圖13為圖12的截面結構示意圖，圖14為雙梁-質量塊結構對應該步驟的立體結構示意圖；由于僅所述第三深槽4底部沒有所述第二氧化層保護，所述第三深槽4被繼續(xù)向下腐蝕；自所述第三深槽4底部繼續(xù)刻蝕的深 度滿足如下關系式：
h2＞h-hlt-hb
式中，h2為自所述第三深槽底部繼續(xù)刻蝕的區(qū)域5的深度，h為所述(111)硅片1的厚度，hlt為所述第一深槽2的深度，hb為所述第三深槽3的深度，即所述第三深槽4兩次刻蝕的總深度應大于所述(111)硅片1的厚度減去所述第一深槽2的深度；
73)采用各向異性濕法腐蝕液自所述第三深槽底部繼續(xù)刻蝕的區(qū)域5腐蝕所述(111)硅片1，使得位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側的自所述第三深槽底部繼續(xù)刻蝕的區(qū)域5連通在一起，以確保梁8被完全釋放，如圖15至圖20所示，其中，圖15為四梁-質量塊結構對應該步驟的立體結構示意圖，圖16為圖15的截面結構示意圖，圖17為圖15的俯視結構示意圖，圖19為雙梁-質量塊結構對應該步驟的立體結構示意圖；所述各向異性濕法腐蝕液包括氫氧化鉀溶液或四甲基氫氧化銨溶液。由于各向異性腐蝕存在自停止特性，當腐蝕時間略長于所需時間時，結構受到的影響較小。各向異性濕法腐蝕液對單晶硅(111)晶面的腐蝕速率極低，僅為(100)晶面腐蝕速率的0.01，可忽略不計。所述第三深槽4的側壁有所述第二氧化層保護，故也不會被腐蝕；自所述第三深槽底部繼續(xù)刻蝕的區(qū)域5的側壁沒有所述第二氧化層保護，會被各向異性腐蝕液腐蝕，但是所述第三深槽4的底部為(111)晶面，因此不會自所述第三深槽底部繼續(xù)刻蝕的區(qū)域5的底部繼續(xù)向下腐蝕。所述第三深槽4的短邊沿<110>晶向，在各向異性腐蝕液腐蝕下會形成與上表面(111)晶向成70.53°的(11
步驟73)完成后，最終形成的四梁-質量塊結構的立體結構示意圖如圖18所示，最終形成的雙梁-質量塊結構的立體結構示意圖如圖20所示；由圖18及圖20可知，所述梁8一端與所述質量塊7相連接，另一端與所述(111)硅片1相連接，所述梁8的長度方向沿<112>晶向、垂直于<110>晶向。由于步驟73)完成之后的形貌較為復雜，為了便于顯示，圖18及圖20中，對于對梁-質量塊結構力學特性的影響可忽略不計的形貌結構未予顯示。
綜上所述，本發(fā)明提供一種基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法，所述基于激光結合各向異性腐蝕的梁-質量塊結構的制備方法包括以下步驟：1)提供(111)硅 片；2)采用激光加工工藝在所述(111)硅片背面形成第一深槽，所述第一深槽為環(huán)形閉合槽，環(huán)繞于后續(xù)要形成質量塊的區(qū)域外圍；3)在所述(111)硅片正面形成第二深槽，所述第二深槽與所述第一深槽上下對應，且被后續(xù)要形成梁的區(qū)域分割為多段；所述第一深槽與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側面及底部形成第一氧化層；5)在所述(111)硅片正面形成第三深槽，所述第三深槽位于后續(xù)要形成梁的區(qū)域兩側，并沿后續(xù)要形成梁的區(qū)域的長度方向延伸，且一端與所述第二深槽相連通；6)在所述第一氧化層表面及所述第三深槽的側面及底部形成第二氧化層；7)采用反應離子刻蝕工藝及各向異性腐蝕工藝釋放梁。采用激光加工工藝結合反應離子刻蝕工藝及各向異性腐蝕工藝形成梁-質量塊結構，利用激光加工工藝較低的成本，可降低整個工藝的成本；梁結構的厚度由從(111)硅片正面進行的深反應離子刻蝕決定，工藝精度高；可在(111)硅片上制作厚度精確可控的梁-質量塊結構，可實現(xiàn)加速度傳感器與微機械陀螺等器件的高精度、低成本制造。
上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理的功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
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