一種mems微結構的制備方法
【專利摘要】本發明提供一種MEMS微結構的制備方法，包括以下步驟：提供半導體襯底；在所述半導體襯底表面形成聚酰亞胺犧牲層并預固化；在所述聚酰亞胺犧牲層表面形成掩膜層；去除形成在所述半導體襯底邊緣部分的所述掩膜層；去除未被所述掩膜層保護的所述聚酰亞胺犧牲層；去除剩余的所述掩膜層；固化所述聚酰亞胺犧牲層。根據本發明實施例的方法，可以避免MEMS微結構制備過程中芯片邊緣的結構層發生破裂的現象，提高MEMS微結構的片內成品率，有利于獲得品質均一的懸空微結構。
【專利說明】一種MEMS微結構的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微電子機械系統(MEMS)領域，特別涉及一種MEMS微結構的制備方法。【背景技術】
[0002]在MEMS微加工工藝中，經常需要獲得自由可動的、懸空的微結構單元以實現機械移動。這就需要借助犧牲層技術，即利用不同材料在同一種腐蝕劑(如腐蝕液或腐蝕氣體)中的腐蝕速度的差異，選擇性地將結構圖形與襯底之間的材料(即犧牲層材料)去除，進行結構釋放，形成空腔上膜(如微橋、懸臂梁)等結構。
[0003]MEMS器件制備中用到的犧牲層材料包括多孔硅、二氧化硅、光刻膠和聚酰亞胺等。其中，聚酰亞胺是一種高分子材料，由于具有耐高溫、抗輻射、耐腐蝕、化學穩定性好等優點而被作為犧牲層材料得到廣泛應用。
[0004]但是，由于聚酰亞胺是一種液態高分子聚合物，將其旋涂在硅片I’表面時，由于液體表面張力的作用，硅片邊緣5mm-10mm區域的聚酰亞胺2’的厚度會明顯厚于硅片中心區域的聚酰亞胺3’的厚度，如圖1所示。圖1為采用傳統工藝制備的聚酰亞胺犧牲層的片內分布圖。采用傳統工藝制備MEMS微結構存在以下缺陷:首先，聚酰亞胺的厚度不均會在后續工藝中引入較大的熱應力，使結構層容易在硅片邊緣區域破裂，從而無法完成MEMS微結構的制備；其次，當MEMS微結構制備完成后，由于聚酰亞胺的厚度決定MEMS微結構的空腔高度，對MEMS器件的性能有至關重要的影響，因此硅片邊緣5mm-10mm區域制備的器件往往因此性能降低甚至失效。
【發明內容】
[0005]本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是提供一種以聚酰亞胺為犧牲層的MEMS微結構的制備方法，以解決采用傳統MEMS工藝制備的聚酰亞胺犧牲層厚度不均導致硅片邊緣區域的結構易破裂，且形成在硅片邊緣區域的器件性能降低或失效的缺陷。
[0006]為達到上述目的，本發明提供一種MEMS微結構的制備方法，包括以下步驟:提供半導體襯底；在所述半導體襯底表面形成聚酰亞胺犧牲層并預固化；在所述聚酰亞胺犧牲層表面形成掩膜層；去除形成在所述半導體襯底邊緣部分的所述掩膜層；去除未被所述掩膜層保護的所述聚酰亞胺犧牲層；去除剩余的所述掩膜層；固化所述聚酰亞胺犧牲層。
[0007]在本發明的一個實施例中，所述聚酰亞胺犧牲層的厚度為3um_5um。
[0008]在本發明的一個實施例中，所述預固化溫度為110 °C -130 °C,時間為10min_40mino
[0009]在本發明的一個實施例中，被去除的形成在所述半導體襯底邊緣部分的所述掩膜層的寬度為5mm-10mm。
[0010]在本發明的一個實施例中，所述掩膜層為光阻層。
[0011]在本發明的一個實施例中，所述光阻層的厚度為2um-4um。[0012]在本發明的一個實施例中，所述聚酰亞胺犧牲層的固化溫度為300°C -400°C，固化時間為0.5h-lh。
[0013]在本發明的一個實施例中，固化所述聚酰亞胺犧牲層之后，還包括以下步驟:根據預設圖形刻蝕所述聚酰亞胺犧牲層，以形成圖形化的芯片；在所述芯片表面形成結構層；根據預設圖形刻蝕所述結構層；去除所述聚酰亞胺犧牲層，以形成所述微結構。
[0014]在本發明的一個實施例中，所述結構層的材料包括:二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一種或多種的組合。
[0015]在本發明的一個實施例中，所述結構層的厚度為1000A-2000A。
[0016]本發明提供一種以聚酰亞胺為犧牲層的MEMS微結構的制備方法，通過使用掩膜層去除形成在半導體襯底邊緣部分的聚酰亞胺犧牲層，避免MEMS微結構制備過程中芯片邊緣的結構層發生破裂的現象，提高MEMS微結構的片內成品率，有利于獲得品質均一的懸空微結構。并且，根據本發明實施例的MEMS微結構的制備方法具有簡單可控、重復性高的優點，適合大規模工業生產。
[0017]本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0019]圖1為采用傳統工藝制備的聚酰亞胺犧牲層的片內分布圖；
[0020]圖2為本發明實施例的MEMS微結構的制備方法流程圖；
[0021]圖3為根據本發明實施例的制備方法制得的聚酰亞胺犧牲層的片內分布圖。
【具體實施方式】
[0022]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
[0023]本發明實施例提供一種以聚酰亞胺為犧牲層的MEMS微結構的制備方法。圖2為本發明實施例的MEMS微結構的制備方法流程圖，該方法包括以下步驟:
[0024]步驟SOl:提供半導體襯底。根據現有技術公知的設計要求(例如P型襯底或者n型襯底)，半導體襯底包括但不限于基本半導體，例如硅、鍺、金剛石，或化合物半導體，例如碳化硅、砷化鎵、砷化銦或者磷化銦。半導體襯底可以可選地包括外延層，可以被應力改變以增強其性能，以及也可以包括絕緣體上硅(SOI)結構。在本實施例中，具有CMOS讀出電路的芯片也可以作為襯底用于制作MEMS微結構。
[0025]步驟S02:在半導體襯底表面形成聚酰亞胺犧牲層并預固化。在本實施例中，可以在半導體襯底表面旋涂聚酰亞胺犧牲層，聚酰亞胺犧牲層的厚度可以為3um-5um。優選地，選擇與結構層的熱膨脹系數接近的聚酰亞胺型號，以免結構層在后續熱過程中破裂，例如采用非晶硅作為結構層時，可以選用PI2610、PI2611等型號的聚酰亞胺作為犧牲層。根據所選用的聚酰亞胺的型號不同，預固化溫度可以為110°C -130°C，預固化時間可以為10min-40min。在本實施例中，選用PI2610或PI2611型號的聚酰亞胺，預固化溫度約為118°C,預固化時間約為40min。通過預固化使聚酰亞胺中的溶劑揮發。
[0026]步驟S03:在聚酰亞胺犧牲層表面形成掩膜層。在本實施例中，通過在聚酰亞胺犧牲層表面旋涂光刻膠，形成光阻層作為掩膜層。光阻層的厚度可以為2um-4um。
[0027]步驟S04:去除形成在半導體襯底邊緣部分的掩膜層。其中，被去除的形成在半導體襯底邊緣部分的掩膜層的寬度與襯底邊緣偏厚的聚酰亞胺犧牲層的寬度一致，一般約為5mm-10mm。在本實施例中，可以采用洗邊劑(EBR)，利用洗邊工藝去除形成在半導體襯底邊緣部分的光阻層，并且通過調整涂布機臺的噴嘴角度，可以精確地控制洗邊寬度，以確保去除的邊緣光阻層的寬度與襯底邊緣偏厚的聚酰亞胺犧牲層的寬度一致。
[0028]步驟S05:去除未被掩膜層保護的聚酰亞胺犧牲層。在本實施例中，可以采用顯影液，利用洗邊工藝去除形成在半導體襯底邊緣部分的聚酰亞胺犧牲層。
[0029]步驟S06:去除剩余的掩膜層。在本實施例中，可以采用EBR，利用洗邊工藝去除保留在半導體襯底中心區域的剩余光阻層。
[0030]步驟S07:固化聚酰亞胺犧牲層。根據所選用的聚酰亞胺的型號不同，聚酰亞胺犧牲層的固化溫度可以為300°C -400°C，固化時間可以為0.5h-lh。在本實施例中，聚酰亞胺犧牲層的固化溫度可以為400°C，固化時間可以為lh。
[0031]通過上述簡單可控的工藝步驟，可以在半導體襯底I的表面形成厚度均一的聚酰亞胺犧牲層2，如圖2所示。圖2所示為根據本發明實施例的制備方法制得的聚酰亞胺犧牲層的片內分布圖。
[0032]在本發明實施例中，固化聚酰亞胺犧牲層之后，可以沿用傳統的工藝方法利用聚酰亞胺犧牲層進一步形成懸空的微結構。具體可以包括以下步驟:
[0033]步驟S08:根據預設圖形刻蝕聚酰亞胺犧牲層，以形成圖形化的芯片。具體地，可以在聚酰亞胺犧牲層表面旋涂光刻膠，光刻以形成圖形化的光刻膠，以圖形化的光刻膠為掩膜刻蝕聚酰亞胺犧牲層。
[0034]步驟S09:在芯片表面形成結構層。結構層的材料可以包括:二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一種或多種的組合。結構層可以包括一層或多層，結構層的厚度可以為1000A-2000A。
[0035]步驟SlO:根據預設圖形刻蝕結構層。例如通過干法或濕法刻蝕結構層。
[0036]步驟Sll:去除聚酰亞胺犧牲層，以形成微結構。在本實施例中，可以通過干法刻蝕釋放聚酰亞胺形成懸臂梁或膜橋等懸空微結構，采用的刻蝕氣體可以為O2和CF4,時間為30min_60mino
[0037]本發明提供一種以聚酰亞胺為犧牲層的MEMS微結構的制備方法，通過使用掩膜層去除形成在半導體襯底邊緣部分的聚酰亞胺犧牲層，避免MEMS微結構制備過程中芯片邊緣的結構層發生破裂的現象，提高MEMS微結構的片內成品率，有利于獲得品質均一的懸空微結構。并且，根據本發明實施例的MEMS微結構的制備方法具有簡單可控、重復性高的優點，適合大規模工業生產。
[0038]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0039]盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
【權利要求】
1.一種MEMS微結構的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 提供半導體襯底； 在所述半導體襯底表面形成聚酰亞胺犧牲層并預固化； 在所述聚酰亞胺犧牲層表面形成掩膜層； 去除形成在所述半導體襯底邊緣部分的所述掩膜層； 去除未被所述掩膜層保護的所述聚酰亞胺犧牲層； 去除剩余的所述掩膜層； 固化所述聚酰亞胺犧牲層。
2.如權利要求1所述的MEMS微結構的制備方法，其特征在于，所述聚酰亞胺犧牲層的厚度為3um_5um。
3.如權利要求1所述的MEMS微結構的制備方法，其特征在于，所述預固化溫度為IlO0C _130°C，時間為 10min-40min。
4.如權利要求1所述的MEMS微結構的制備方法，其特征在于，被去除的形成在所述半導體襯底邊緣部分的所述掩膜層的寬度為5mm-10mm。
5.如權利要求1所述的MEMS微結構的制備方法，其特征在于，所述掩膜層為光阻層。
6.如權利要求5所述的MEMS微結構的制備方法，其特征在于，所述光阻層的厚度為2um-4um。
7.如權利要求1所述的MEMS微結構的制備方法，其特征在于，所述聚酰亞胺犧牲層的固化溫度為300°C _400°C，固化時間為0.5h-lh。
8.如權利要求1所述的MEMS微結構的制備方法，其特征在于，固化所述聚酰亞胺犧牲層之后，還包括以下步驟: 根據預設圖形刻蝕所述聚酰亞胺犧牲層，以形成圖形化的芯片； 在所述芯片表面形成結構層； 根據預設圖形刻蝕所述結構層； 去除所述聚酰亞胺犧牲層，以形成所述微結構。
9.如權利要求8所述的MEMS微結構的制備方法，其特征在于，所述結構層的材料包括:二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一種或多種的組合。
10.如權利要求8所述的MEMS微結構的制備方法，其特征在于，所述結構層的厚度為1000A-2000A。
【文檔編號】B81C1/00GK103482563SQ201210196631
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年6月14日 優先權日:2012年6月14日
【發明者】姚日英, 王祝山, 張國華, 黃國華 申請人:比亞迪股份有限公司