一種基于三明治結(jié)構(gòu)的柔性硅薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS:micro-electro-mechanical systems)的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三明治結(jié)構(gòu)的柔性硅薄膜及其制備方法，是兩層楊氏模量相對于硅材料小很多的有機聚合物膜中間夾一層單晶硅膜從而形成易于大幅度機械變形的三明治結(jié)構(gòu)薄膜及其微加工制備方法，適用于柔性電子技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS是微電子技術(shù)與機械和光學(xué)等技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是IC工藝技術(shù)的拓展和延伸，實現(xiàn)了多種非硅材料的集成化制造，是微電子技術(shù)應(yīng)用的新突破。MEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的新興技術(shù)，幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等，在經(jīng)濟社會的多方面如國防、航空航天、醫(yī)療、信息通信、汽車等領(lǐng)域都具有應(yīng)用前景，因而倍受人們的關(guān)注，并得到了迅速的發(fā)展。
[0003]柔性電子技術(shù)，即利用MEMS加工手段，將光學(xué)、電子器件制作于可大幅度機械變形而無損器件功能的柔性襯底上。由于在柔性圖像陣列、太陽能電池、人體健康監(jiān)測、人造皮膚、視網(wǎng)膜植入等方面的應(yīng)用潛力，柔性電子技術(shù)引起了人們越來越多的研究興趣。襯底的機械柔性是這一技術(shù)的關(guān)鍵屬性。目前，多數(shù)柔性電子技術(shù)是將器件(乃至于有機半導(dǎo)體器件)通過轉(zhuǎn)印或無源器件的直接圖形化方法制作于有機聚合物材料襯底上，比如聚酰亞胺(polyimide)、聚對二甲笨(parylene)、娃樹脂(silicone)等。然而,這類柔性電子技術(shù)信息處理速度慢；有機材料熔點低，不適用于傳統(tǒng)的高性能電子器件的制備；一些高溫材料也不能直接制備于其上，從而影響一些高性能傳感器件的制備和利用。因而，在開發(fā)柔性電子技術(shù)的研究工作中，作為電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)材料的硅重新引起人們的注意。硅的體材料雖然通常被認為是硬、脆的材料，但減薄至微米以至納米量級的硅，其由于彎曲變形引起的表面應(yīng)力可以大幅減小，從而可以輕易的實現(xiàn)機械變形而無斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，而且這樣的薄膜仍保有單晶硅的特性，從而為得到高性能柔性電子器件、電路提供極有吸引力的柔性平臺。張滄海等人(Chinese Physics Letters, Vol.30 (8), 2013, pp.086201)利用背面刻蝕絕緣體上娃(SO1: Silicon on Insulator)晶圓片得到了柔性襯底，S.Mack等人(Applied Physics Letters, 88, 2006, pp.213101)在娃(111)片的正面刻蝕出溝槽后用各向異性腐蝕硅的方法得到了柔性的硅帶，但這些與傳統(tǒng)的硅(100)片相比，成本較高。Sally M Ahmed 等人(IEEE 27th Internat1nal Conference on Micro ElectroMechanical Systems (MEMS), 2014, pp.548-551)利用娃(100)片在正面先深娃刻蝕形成亥IJ蝕孔陣列后，再各向異性干法刻蝕得到了柔性硅膜，不過這種方法由于要在硅片上先做出刻蝕孔，占用了硅片的面積，影響了硅片表面的利用效率，阻礙了器件電路在硅片上的設(shè)計靈活性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有柔性襯底的不足而提供的一種三明治結(jié)構(gòu)的柔性硅薄膜及其制備方法，該硅薄膜結(jié)構(gòu)沒有【背景技術(shù)】中的缺點，通過保護膜沉積、濕法刻蝕、聚合物的涂覆等工藝形成柔性三明治結(jié)構(gòu)薄膜，既保持了硅單晶的特點，又增加硅薄膜抗外界環(huán)境腐蝕的能力，還大大簡化了柔性襯底的制造工藝。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一種基于三明治結(jié)構(gòu)的柔性硅薄膜，特點是該薄膜具有聚合物膜-保護膜-單晶硅膜-聚合物膜結(jié)構(gòu)。
[0006]單晶硅膜選用各種晶向的硅片進行全硅片的背刻蝕得到，這增加了柔性三明治結(jié)構(gòu)薄膜的應(yīng)用范圍。保護膜可用濺射的鉻(Cr)、銅(Cu)或Si02/Si3N4復(fù)合膜，單獨的S12難以用于堿性溶液中長時間的刻蝕硅片的保護，單獨的Si3N4膜有大的張應(yīng)力，當(dāng)硅片減薄到50 μ m以下時會引起硅片的破裂，且與硅的熱失配系數(shù)大易造成硅片上Si3N4膜的斷裂和剝落，故在硅片和Si3N4之間加入具有壓應(yīng)力的S12膜用于應(yīng)力的緩沖，這需要Si02/Si3N4復(fù)合層中的S1jP Si3N4兩者的厚度比為10:2到10:5，以降低復(fù)合保護膜的內(nèi)應(yīng)力。最外層的聚合物膜3和3’可以是SU-8膠、聚酰亞胺或聚對二甲苯(Parylene)。
[0007]—種用薄膜沉積、濕法刻蝕硅、涂覆聚合物工藝制備基于單晶硅膜的柔性三明治結(jié)構(gòu)薄膜的方法，該方法包括以下具體步驟:
第一步以單晶硅片作基礎(chǔ)，其正面可以是已制備了電子器件的，用傳統(tǒng)方法清洗和烘干硅片；
第二步在經(jīng)第一步處理的硅片上沉積保護膜，保護膜為Cr、Cu或Si02/Si3N4復(fù)合層，厚度為100~1500nm ;采用Si02/Si3N4復(fù)合層時，先沉積S12、后沉積Si3N4，兩者的厚度比為10:2到10:5，以降低復(fù)合保護膜的內(nèi)應(yīng)力；
第三步在硅片的背面上重復(fù)第二步工藝；
第四步將硅片背面的保護膜涂光刻膠并光刻圖形化后，刻蝕掉背面保護膜的中間部分，形成環(huán)狀邊緣保護膜，然后去掉光刻膠；
第五步將沉積有保護膜的硅片置于堿性溶液中進行濕法腐蝕，減薄至5~50μπι;堿性溶液是KOH水溶液(質(zhì)量濃度20~50%、溫度50~100°C )或四甲基氫氧化氨(TMAH:tetramethyl ammonium hydroxide)水溶液(質(zhì)量濃度 0.5~30%、溫度 50~100°C ),溶液中可分別加入異丙醇(IPA:1sopropanol)、(NH4)2S2O8以提高刻蝕面的平整性；或者略去第三、四步，將硅片用AMMT’ s夾具夾持，背面朝外，用上述刻蝕劑刻蝕至硅片厚度為60~200μπι時，去掉夾具繼續(xù)刻蝕至5~50 μ m ;兩種方法都可以得到較厚的環(huán)形外框，以對減薄后的硅膜起支撐作用，方便后續(xù)的工藝操作；
第六步先后在減薄后的硅片背面和正面涂覆聚合物膜，聚合物是SU-8膠、聚酰亞胺或聚對二甲苯(Parylene),厚度1~80 μ m ;
第七步最后將硅片較厚的環(huán)形外框切割掉。
[0008]本發(fā)明有以下突出效果:
(I)以單晶硅膜為核心的三明治結(jié)構(gòu)薄膜，外層的聚合物膜對中間的硅膜既起保護作用以避免制作到其上的電子器件受到外界環(huán)境的腐蝕，又能增加基于三明治結(jié)構(gòu)的硅薄膜的柔性；
⑵以單晶硅片為基礎(chǔ)減薄可以得到單晶薄膜硅，在其上制作得到的電子器件性能聞; (3)以單晶硅片為基礎(chǔ)進行背面大面積的刻蝕減薄，不強調(diào)硅的各向異性刻蝕特性的應(yīng)用，因而適用于多種晶面的硅片，增加了選擇性，尤其是適用于(100)晶面的硅片，有利于降低成本和提高器件性能；
⑷以硅片為基礎(chǔ)，有利于在其上面制作需要高溫過程實現(xiàn)的高性能的器件；
(5)由于硅片表面可以預(yù)先制備電子器件，后續(xù)的柔性薄膜制備工藝過程因而可以與許多微電子工藝乃至MEMS