專利名稱：一種基于(100)硅片采用雙面對穿腐蝕制造薄膜器件結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜器件的結(jié)構(gòu)及其制造方法，更確切地說，涉及一種基
于(100)硅片采用雙面對穿腐蝕制造薄膜器件結(jié)構(gòu)及方法。屬于微電子機械 系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，各種薄膜器件，如紅外探測器、紅外光源和微型面加熱器等， 己經(jīng)在公共安全、醫(yī)學診斷、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制、天文研究等領(lǐng)域中逐步 得到應用，并日益受到人們的關(guān)注。隨著應用的不斷推廣，對薄膜器件的低 成本、低功耗、高性能、高可靠的要求也日益強烈。采用目前日臻成熟的 MEMS技術(shù)，利用穩(wěn)定可靠的工藝手段是薄膜器件微型化、低成本、高可靠 的主流發(fā)展方向。
目前基于硅襯底的薄膜器件加工過程中，在進行薄膜結(jié)構(gòu)釋放的時候主 要采用兩種方法實現(xiàn)。 一是從背面腐蝕穿透整個襯底來釋放膜結(jié)構(gòu)，二是從 正面腐蝕犧牲層或部分腐蝕襯底從而實現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)釋放。
利用背面腐蝕制造器件，需要腐蝕數(shù)百微米厚的襯底才能釋放薄膜，導 致腐蝕時間長，器件面積大，成品率不高，同時硅片厚度的偏差引起腐蝕狀 況不一致，導致薄膜釋放不徹底、不均勻，最終器件性能偏差大、難以滿足 大批量生產(chǎn)的需要。
利用正面腐蝕制造器件，腐蝕時間短、器件面積小，但薄膜與襯底的間 距由腐蝕窗口決定，通常只有幾十微米，對于熱相關(guān)器件，特別對高溫薄膜 器件來說，隔熱效果差，直接導致器件性能差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于(100)硅片采用雙面對穿腐蝕制造的薄 膜器件結(jié)構(gòu)及其制造方法。本發(fā)明提供的一種基于(100)硅片采用雙面對穿腐蝕制造薄膜器件的結(jié) 構(gòu)特征為硅片正面是具有特定組合結(jié)構(gòu)腐蝕窗口的薄膜器件結(jié)構(gòu)層，在該
結(jié)構(gòu)層上可以根據(jù)不同的應用制作不同的功能層；硅片反面是矩形腐蝕窗口；
中間是雙面對穿腐蝕形成的空腔。本發(fā)明制造薄膜器件的關(guān)鍵在于正反兩面
腐蝕窗口的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其排布上。具體如下
正面腐蝕窗口的特征正面腐蝕窗口為與<100>晶向成±30度夾角以內(nèi)、 長寬比為5: 1到100: 1比例范圍的狹長條形窗口，如圖1所示。窗口數(shù)量 可以為單個條形窗口或多個條形窗口的組合，組合方式可分為兩類平行組
合方式(如圖2(a)所示)和正交組合方式(如圖2(b)所示)。在實際應用中可
以使用一種組合方式也可同時使用平行和正交兩種組合方式來制作器件，如
圖3所示。夾角的選擇應綜合考慮器件功能層的大小、結(jié)構(gòu)層薄膜支撐強度 等因素。窗口長寬比例應結(jié)合腐蝕時間和結(jié)構(gòu)要求選定，不同取向的腐蝕窗 口側(cè)蝕后可形成不同的薄膜形狀和面積。狹長的腐蝕窗口可以保證長邊兩側(cè) 的快速腐蝕和短邊兩側(cè)的緩慢腐蝕，從而實現(xiàn)小面積窗口腐蝕得到大面積薄 膜的釋放。通過適當排布條形窗口可以達到快速而準確地釋放膜區(qū)的目的。
反面腐蝕窗口的特征反面腐蝕窗口是邊長沿<110>晶向的矩形，如圖4
所示。由于硅的各向異性腐蝕液對(111)面的腐蝕速度相對(100)面來說很慢， 因此可以認為(lll)面是自停止面。由于(100)面和(111)面的夾角約為54.7度， 根據(jù)公式/。 = 7^ (其中/。是對應矩形腐蝕窗口邊長的最小取值，A是腐蝕的深 度)，在已知需要腐蝕的硅的深度Z/時很容易計算出/。的值，為了確保實現(xiàn)對 穿腐蝕，本發(fā)明的反面矩形腐蝕窗口沿<110>晶向的邊長/取&/。。
對于這種具有正反兩面腐蝕窗口的薄膜器件，在腐蝕初期，正面狹長的 腐蝕窗口將快速完成薄膜區(qū)的結(jié)構(gòu)層釋放，完成釋放后，這些分離的條形腐 蝕窗口會在釋放的結(jié)構(gòu)層薄膜下方貫通，形成一個大面積的腐蝕腔，該腐蝕 腔將與背面窗口同時完成器件的對穿腐蝕，釋放后的薄膜器件截面示意圖如 圖5所示。
本發(fā)明提供的一種基于(100)硅片采用雙面對穿腐蝕制造薄膜器件的制 造方法可以概括為以下五個步驟
1. 薄膜器件結(jié)構(gòu)層的制作。
2. 制作正面腐蝕窗口。3. 制作反面腐蝕窗口。
4. 薄膜釋放和對穿腐蝕。
5. 功能層的制作。 對于本發(fā)明提供的制造方法的五個步驟需要特別說明四點
1. 薄膜器件結(jié)構(gòu)層的制作必需放在第一步，只有完成薄膜器件結(jié)構(gòu)層的制作 才能進行后續(xù)的步驟。
2. 正面腐蝕窗口和反面腐蝕窗口的在制作上沒有嚴格的先后順序，可以先制 作正面腐蝕窗口后再制作反面腐蝕窗口，也可先制作反面腐蝕窗口后制作 正面腐蝕窗口，可以視具體情況而定。
3. 只有完成了正反兩面腐蝕窗口的制作，才能進行薄膜釋放和對穿腐蝕。
4. 功能層的制作在步驟上比較靈活，只需放在薄膜器件結(jié)構(gòu)層的制作之后即 可，具體放在第幾步可以根據(jù)實際情況而定。 對于本發(fā)明提供的制造方法有以下五點要求.-
1. 采用的硅片限定為(100)面的硅片。
2. 薄膜器件的結(jié)構(gòu)層材料可以是氧化硅，氮化硅，有機聚合物，金屬或金屬
氧化物等。制作工藝可以是氧化，化學氣相沉積，物理氣相沉積，濺射或 蒸發(fā)等。薄膜器件的結(jié)構(gòu)層可以是一種材料的單層膜也可以是多種材料的
復合膜。結(jié)構(gòu)層的厚度范圍在0.01微米到50微米之間。
3. 制作腐蝕窗口可以利用光刻膠做掩膜，采用千法刻蝕(如RIE和km-beam 等)或濕法刻蝕完成。
4. 薄膜釋放和對穿腐蝕采用的是硅各向異性腐蝕液，如KOH (氫氧化鉀)， NaOH (氫氧化鈉)，TMAH (四甲基氫氧化銨)，EPW (乙二胺，鄰苯二 酸，水)等。
5. 功能層的制作方法不固定，對于不同應用的薄膜器件其功能層的制作也不 一樣。
對于本發(fā)明提供的制造方法，采用不同的步驟就有不同的流程。圖6所示 為本發(fā)明的一種制造流程(本發(fā)明的制造方法并不僅限于此種流程)，具體如 下
1.薄膜器件結(jié)構(gòu)層制作。取(100)晶面的硅片進行熱氧化，在硅片的正反兩 面均生長一層氧化硅薄膜，再用低壓化學氣相沉積(LPCVD)在硅片的正反兩面沉積氮化硅薄膜。如圖6(a)所示。
2. 功能層的制作。在硅片正面制造出功能層，如圖6(b)所示。
3. 制作反面腐蝕窗口。在硅片背面用光刻膠做掩膜，RIE干法刻蝕氧化硅氮 化硅的復合膜直到露出襯底硅，形成矩形腐蝕窗口，如圖6(c)所示。
4. 制作正面腐蝕窗口。在硅片正面用光刻膠做掩膜，RIE干法刻蝕氧化硅氮 化硅的復合膜直到露出襯底硅，形成與<100〉晶向成±30度夾角以內(nèi)的狹 長的條形腐蝕窗口，如圖6(d)所示。
5. 使用各向異性腐蝕液，如四甲基氫氧化銨(TMAH)或氫氧化鉀(KOH) 等對薄膜結(jié)構(gòu)進行釋放腐蝕，完成后即得到薄膜器件，如圖6(e)所示。
本發(fā)明的優(yōu)點如下
1. 本發(fā)明提出的正反雙面腐蝕的薄膜器件結(jié)構(gòu)設(shè)計方便，工藝簡單，特別適 合于熱相關(guān)薄膜器件的制造。
2. 采用本發(fā)明的正反雙面腐蝕制造薄膜器件的方法，從正反兩面對薄膜結(jié)構(gòu) 進行釋放腐蝕，有效地降低了釋放腐蝕時間。
3. 采用本發(fā)明的正反雙面腐蝕制造薄膜器件的方法，實現(xiàn)了小面積腐蝕窗口 釋放大面積薄膜的工藝，器件體積小，薄膜占空比大。
4. 正反雙面腐蝕工藝先完成薄膜結(jié)構(gòu)的釋放再完成襯底硅的腐蝕，可以做到 均勻徹底釋放薄膜，器件的均勻性非常好，成品率高。


圖i為本發(fā)明之正面腐蝕窗口。 (3)沿<100>方向的長條形制作口設(shè)計，(b)
與<100>方向成±30度夾角以內(nèi)的長條形制作口設(shè)計。
圖2為發(fā)明之正面腐蝕窗口的組合方式。(a)平行組合方式，(b)正交組合 方式。
圖3為本發(fā)明之一種具有平行和正交兩種組合方式的正面腐蝕窗口。
圖4為本發(fā)明之背面邊長沿<110>晶向的矩形腐蝕窗口。
圖5為本發(fā)明之雙面對穿腐蝕釋放薄膜后的截面示意圖。
圖6為本發(fā)明之雙面對穿腐蝕制造薄膜器件的一種流程。(a)薄膜器件結(jié)
構(gòu)層的制作，(b)正面功能層制作，(c)制作背面腐蝕窗口， (d)制作正面腐蝕窗 口， (e)雙面對穿腐蝕釋放薄膜。圖7為本發(fā)明用于微型薄膜加熱器的正面結(jié)構(gòu)示意圖。(a)僅含有平行組 合方式的長條形正面腐蝕窗口， (b)同時含有平行和正交組合方式的長條形正
面腐蝕窗口。
圖8為本發(fā)明用于熱電堆紅外探測器的正面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中l(wèi)為襯底硅，2為氧化硅，3為氮化硅，4為正面功能層。
具體實施例方式
實施例l:
該實施例為本發(fā)明在微型薄膜加熱器中的應用，正面的結(jié)構(gòu)圖參見圖 7(a),其中正面腐蝕窗口是平行組合的多個狹長矩形。其制作工藝如下
1. 薄膜器件結(jié)構(gòu)層的制作。先在(100)單晶硅上熱氧化生長膜厚約為3000A 的氧化硅，接著利用LPCVD在硅片雙面沉積膜厚約為2000A的氮化硅。 再利用PECVD在硅片正面沉積Si02/Si3N4/Si02/Si3N4四層復合的介質(zhì)膜， 每層膜厚5000A。
2. 功能層的制作。正面光刻出金屬電阻圖形，濺射金屬Ti/Pt，厚度約為 500A/10000A，再利用lift-off (剝離)工藝制作出鉑電阻絲和引線盤。然 后在氮氣氛圍下350。 C退火半小時。
3. 制作反面腐蝕窗口。反面光刻，在光刻膠的保護下，利用Ion-Beam或RIE 干法刻蝕氧化硅氮化硅的復合膜直到露出襯底硅，形成背面腐蝕窗口。
4. 制作正面腐蝕窗口 。正面光刻，在光刻膠的保護下，利用Ion-Beam或RIE 干法刻蝕氧化硅氮化硅的復合膜直到露出襯底硅，形成正面腐蝕窗口。
5. 薄膜釋放和對穿腐蝕。采用濃度為25M的TMAH各向異性腐蝕溶液釋放 懸空薄膜結(jié)構(gòu)，80 。C水浴7小時即可完成結(jié)構(gòu)釋放和穿通腐蝕，然后進 行酒精脫水干燥得到器件。
實施例2:
該實施例為本發(fā)明在微型薄膜加熱器中的應用，正面的結(jié)構(gòu)圖參見圖
7(b)，其中正面腐蝕窗口是平行和正交組合的多個狹長矩形。其余同實施例1。該實施例為本發(fā)明在熱電堆紅外探測器中的應用，正面的結(jié)構(gòu)圖參見圖 8，其中正面腐蝕窗口是平行和正交組合的多個狹長矩形。其制作工藝如下
1. 薄膜器件結(jié)構(gòu)層的制作。先在(100)單晶硅上熱氧化生長2000A的氧化硅，
接著利用LPCVD在硅片雙面沉積3000A的氮化硅。然后利用LPCVD或 PECVD依次沉積10000A的多晶硅和2000A的氧化硅。
2. 功能層的制作。在硅片正面，利用P、 B離子注入形成多晶硅電阻條，方 塊電阻在20-50Q/口。離子干法刻蝕電阻條圖形外的多晶硅，然后在 IOOO'C高溫退火激活注入的離子。再PECVD沉積1500A的氮化硅，作為最 后硅各向異性腐蝕工藝的多晶硅保護層。最后經(jīng)過光刻、BOE等工藝后露
出多晶硅電阻條引線接觸孔，濺射2000A金作為電阻之間的引線及器件 Pad，采用帶膠剝離工藝圖形化金屬引線。
3. 制作正面腐蝕窗口 。正面光刻，在光刻膠的保護下，利用Ion-Beam或RIE 干法刻蝕氧化硅和氮化硅的復合膜形成正面腐蝕窗口 。
4. 制作反面腐蝕窗口 。反面光刻，在光刻膠的保護下，利用Ion-Beam或RIE 干法刻蝕氧化硅和氮化硅的復合膜形成背面矩形腐蝕窗口 。
5. 薄膜釋放和對穿腐蝕。采用濃度為25。/。的TMAH各向異性腐蝕溶液釋放懸 空薄膜絕熱結(jié)構(gòu)，8(TC水浴約7小時即可完成結(jié)構(gòu)釋放和穿通腐蝕，然后 進行酒精脫水干燥得到器件。
權(quán)利要求
1、一種基于(100)硅片采用雙面對穿腐蝕制造薄膜器件結(jié)構(gòu)，其特征在于硅片正面是具有特定組合結(jié)構(gòu)腐蝕窗口的薄膜器件結(jié)構(gòu)層，在該結(jié)構(gòu)層上根據(jù)不同的應用制作不同的功能層；硅片的反面是矩形腐蝕窗口；中間是雙面對穿腐蝕形成的空腔。
2、 按權(quán)利要求所述的薄膜器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的正面具有特定組 合結(jié)構(gòu)腐蝕窗口為狹長的條形窗口，長寬比例范圍介于5:1到100:1之間， 窗口是沿著與<100>晶向成±30度夾角以內(nèi)排列的。
3、 按權(quán)利要求1或2所述的薄膜器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的窗口數(shù)量 為單個條形窗口或多個條形窗口的組合。
4、 按權(quán)利要求3所述的薄膜器件結(jié)構(gòu)，其特征在于多個條形窗口的組合 為平行組合、正交組合或平行和正交的兩種組合。
5、 按權(quán)利要求1所述的薄膜器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的硅片的反面腐 蝕窗口是邊長沿<110>晶向的矩形。
6、 按權(quán)利要求5所述的薄膜器件結(jié)構(gòu)，其特征在于沿<110>晶向的矩形 邊長1大于或等于對應矩形腐蝕窗口邊長的最小取值/。，其中/。=7^， h為腐 蝕的深度。
7、 一種基于(100)硅片采用雙面對穿腐蝕制造薄膜器件的制作方法， 包括以下5個步驟① 薄膜器件結(jié)構(gòu)層的制作；② 制作正面腐蝕窗口；③ 制作反面腐蝕窗口；④ 薄膜釋放和對穿腐蝕；⑤ 功能層的制作；其中①薄膜器件結(jié)構(gòu)層的制作是必需放在第一步；② 可先制作正面腐蝕窗口再制作反面腐蝕窗口或者先制作反面腐蝕窗口 再制作正面腐蝕窗口；③ 薄膜釋放和對穿腐蝕的制作是在正面腐蝕窗口或反面腐蝕窗口制作之 后進行的；④ 功能層的制作步驟是在薄膜器件結(jié)構(gòu)層步驟之后制作，或在薄膜釋放和對穿腐蝕步驟之后制作。
8、 按權(quán)利要求7所述的制作方法，其特征在于① 薄膜器件結(jié)構(gòu)層材料為Si3N4、 Si02、有機聚合物或金屬氧化物，結(jié) 構(gòu)層為一種材料的單層膜或多種材料的復合膜；采用熱氧化物理氣相沉積、 化學氣相沉積、濺射或蒸發(fā)方式制作的；② 正面腐蝕窗口或反面腐蝕窗口的制作是用光刻膠做掩膜，采用干法刻 蝕或濕法刻蝕完成的；③ 薄膜釋放和對穿腐蝕采用的是KOH、 NaOH、 TMAH或EPW的硅各向異性腐蝕液。
9、 按權(quán)利要求1所述的一種基于(100)硅片采用雙面對穿腐蝕制造薄 膜器件的結(jié)構(gòu)的應用，其特征在于用于微型薄膜加熱器或熱電堆紅外探測器。
10、 按權(quán)利要求9所述的一種基于(100)硅片采用雙面對穿腐蝕制造薄 膜器件的結(jié)構(gòu)的應用，其特征在于-A.微型薄膜加熱器的制作步驟是-① 薄膜器件結(jié)構(gòu)層的制作先在(100)單晶硅上熱氧化生長膜厚為3000A 的氧化硅，接著利用LPCVD在硅片雙面沉積膜厚約為2000A的氮化硅；再 利用PECVD在硅片正面沉積Si02/Si3N4/Si02/Si3N4四層復合的介質(zhì)膜，每層 膜厚為5000A;② 功能層的制作正面光刻出金屬電阻圖形，濺射金屬Ti/Pt，厚度為 500A/10000A，再利用lift-off工藝制作出鉑電阻絲和引線盤；然后在氮氣氛 圍下350° C退火半小時；③ 制作反面腐蝕窗口反面光刻，在光刻膠的保護下，利用Ion-Beam或 R1E干法刻蝕氧化硅氮化硅的復合膜直到露出襯底硅，形成反面腐蝕窗口；④ 制作正面腐蝕窗口正面光刻，在光刻膠的保護下，利用Ion-Beam或 RIE干法刻蝕氧化硅氮化硅的復合膜直到露出襯底硅，形成正面腐蝕窗口； 正面腐蝕窗口為平行組合的多個狹長矩形，或平行和正交組合的多個狹長矩 形.，⑤ 薄膜釋放和對穿腐燭采用濃度為25%的TMAH各向異性腐蝕溶液 釋放懸空薄膜結(jié)構(gòu)，8(TC水浴7小時即可完成結(jié)構(gòu)釋放和穿通腐蝕，然后進 行酒精脫水干燥得到器件；B.熱電堆紅外探測器的制作步驟是① 薄膜器件結(jié)構(gòu)層的制作先在(100)單晶硅上熱氧化生長2000 A的氧化硅，接著利用LPCVD在硅片雙面沉積3000 A的氮化硅，然后利用LPCVD 或PECVD依次沉積10000 A的多晶硅和2000 A的氧化硅；② 功能層的制作在硅片正面，利用P和B離子注入形成多晶硅電阻條， 方塊電阻在20-50Q/口；離子干法刻蝕電阻條圖形外的多晶硅，然后在IOO(TC 高溫退火激活注入的離子；再PECVD沉積1500 A的氮化硅，作為最后硅各向 異性腐蝕工藝的多晶硅保護層；最后經(jīng)過光刻和BOE工藝后露出多晶硅電阻 條引線接觸孔，濺射2000A金作為電阻之間的引線及器件Pad，采用帶膠剝 離工藝圖形化金屬引線；③ 制作正面腐蝕窗口正面光刻，在光刻膠的保護下，利用Ion-Beam或 RIE干法刻蝕氧化硅和氮化硅的復合膜形成正面腐蝕窗口；正面腐蝕窗口為 平行和正交組合的多個狹長矩形；④ 制作反面腐蝕窗口反面光刻，在光刻膠的保護下，利用Ion-Beam或 RIE干法刻蝕氧化硅和氮化硅的復合膜形成背面矩形腐蝕窗口 ；⑤ 薄膜釋放和對穿腐蝕采用濃度為25%的TMAH各向異性腐蝕溶液釋放 懸空薄膜絕熱結(jié)構(gòu)，8(TC水浴約7小時即可完成結(jié)構(gòu)釋放和穿通腐蝕，最后 進行酒精脫水干燥得到器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在(100)硅片上采用雙面對穿腐蝕制造的薄膜器件結(jié)構(gòu)及其制造方法。其特征在于硅片正面是具有特定組合結(jié)構(gòu)腐蝕窗口的薄膜器件結(jié)構(gòu)層和功能層，硅片反面是矩形腐蝕窗口；中間是雙面對穿腐蝕形成的空腔。關(guān)鍵在于正反兩面腐蝕窗口的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其排布上。正面腐蝕窗口為與<100>晶向成±30度夾角以內(nèi)、長寬比例范圍在5∶1到100∶1以內(nèi)的狹長條形窗口及其組合，反面腐蝕窗口為邊長沿<110>晶向的矩形窗口。雙面對穿腐蝕釋放薄膜的方法有效減少薄膜器件的制造時間，準確控制釋放薄膜的結(jié)構(gòu)尺寸，使器件具有良好的一致性和高的成品率，并顯著提升器件的性能，特別適合于熱相關(guān)的器件。
文檔編號B81B7/00GK101665231SQ20091019587
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者劉延祥, 宏 周, 鐵 李, 翊 王, 王躍林, 磊 許 申請人:上海芯敏微系統(tǒng)技術(shù)有限公司