MEMS器件中的拱形結構及其制造方法、MEMS器件與流程

本發明涉及mems器件及其制造領域，特別涉及一種mems器件中的拱形結構及其制造方法、mems器件。

背景技術：

mems(微機電系統，micro-electro-mechanicalsystem)是在半導體制造技術的基礎上發展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術制作的電子機械器件，是集微型傳感器、執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統。

拱形結構又叫推力結構，是mems器件中的一種常用結構，廣泛應用于傳感器、微型壓電驅動器、薄膜體聲波諧振器及濾波器中。拱形結構的特點是把其受到的壓力分解呈向下的壓力和向外的推力，與平面結構相比，具有自釋放殘余應力、面內應變徑向應變轉化、跨度大及剛度大等優勢。

在拱形結構的制備中，希望形成的拱形結構的表面光滑且為連續的表面，以增強器件結構的穩定性和可靠性，而隨著器件尺寸的不斷縮小，拱形結構的尺寸也趨于微米級。目前拱形結構的主要形成方法有球模具法、平面犧牲層法、壓力控制成拱及各向同性腐蝕法等，這些方法中，有的便于控制形成光滑且連續表面的拱形結構，但難以小型化和批量生產，有的便于批量生產但工藝卻難以控制形成高穩定性和可靠性的結構，難以滿足目前mems器件中對拱形結構的要求。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種mems器件中的拱形結構及其形成方法、mems器件，易于小型化和批量生產，且形成的拱形結構具有高穩 定性和可靠性。

為實現上述目的，本發明有如下技術方案：

一種mems器件中的拱形結構的形成方法，包括：

提供襯底；

在襯底上旋涂su-8的第一光刻膠層并進行第一烘烤工藝，而后對所述第一光刻膠層進行曝光；

在所述第一光刻膠層上旋涂su-8的第二光刻膠層；

將所述襯底進行靜置，以使得第一光刻膠層的曝光區域的光酸擴散至未曝光的第一光刻膠層及第二光刻膠層；

進行第二烘烤工藝，以使得有光酸的區域的環氧基交聯而形成拱形結構；

進行顯影。

可選地，所述第一光刻膠層和第二光刻膠層厚度比例的范圍為0.5:1～3:1。

可選地，將所述襯底進行靜置時，環境的溫度范圍為20-25℃，環境的濕度范圍為30％-50％，靜置的時間為0.5-3小時。

可選地，進行第二烘烤工藝時，升溫速率為5-25℃/min，升溫至90-100℃，并保溫30-60min。

可選地，在進行顯影之后，還包括：

進行第三烘烤工藝，以固化拱形結構。

可選地，進行第三烘烤工藝時，烘烤的溫度范圍為135-350℃，烘烤的時間范圍為1-3小時。

可選地，在襯底上旋涂su-8的第一光刻膠層之前，還包括：對所述襯底進行烘烤工藝。

可選地，對所述襯底進行烘烤工藝時，烘烤的溫度范圍為120-150℃，烘烤的時間范圍為30-300s。

此外，本發明還提供了一種拱形結構，所述拱形結構由環氧基交聯形成。

此外，本發明還提供了一種mems器件，包括拱形結構，所述拱形結構由環氧基交聯形成。

本發明實施例提供的mems器件中的拱形結構及其形成方法、mems器件，在形成拱形結構時，先形成一層su-8的光刻膠層，并對該光刻膠層進行曝光，并在該光刻膠層上再形成一層su-8的光刻膠層，在曝光時光刻膠層中的光引發劑吸收光子產生了光化學反應，生成光酸，在靜置之后，光酸擴散到另一層光刻膠層，在后續的烘烤工藝中，曝光的區域以及擴散有光酸的區域在光酸的催化作用下，分子發生交聯，交聯反應以鏈式增長，每一個環氧基都能與同一個分子或不同分子中的其他環氧基結合，再經交聯擴展就形成了致密的呈拱形的結構。該方法基于光刻工藝形成拱形結構，易于小型化和批量生產，形成光滑且連續表面的拱形結構，具有高穩定性和可靠性，此外與傳統的cmos工藝兼容，易于在mems器件中的集成。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1示出了根據本發明實施例拱形結構的形成方法的流程圖；

圖2-7示出了根據本發明實施例的制造方法，在形成器件的各個過程中，拱形結構的剖面結構示意圖；

圖8示出了根據本發明實施例的制造方法在不同的工藝條件下形成的拱形結構在顯微鏡下的圖片。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是本發 明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。

其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便于說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。

本發明提出了一種mems器件中的拱形結構的形成方法，參考圖1所示，該方法包括：

s01，提供襯底；

s02，在襯底上旋涂su-8的第一光刻膠層并進行第一烘烤工藝，而后對所述第一光刻膠層進行曝光；

s03，在所述第一光刻膠層上旋涂su-8的第二光刻膠層；

s04，將所述襯底進行靜置，以使得第一光刻膠層的曝光區域的光酸擴散至第二光刻膠層；

s05，進行第二烘烤工藝，以使得有光酸的區域的環氧樹脂交聯而形成拱形結構；

s06，進行顯影。

在本發明提供的mems器件中的拱形結構的形成方法中，在形成拱形結構時，先形成一層su-8的光刻膠層，并對該光刻膠層進行曝光，并在該光刻膠層上再形成一層su-8的光刻膠層，在曝光時光刻膠層中的光引發劑吸收光子產生了光化學反應，生成光酸，在靜置之后，光酸擴散到另一層光刻膠層，在后續的烘烤工藝中，曝光的區域以及擴散有光酸的區域在光酸的催化作用下，分子發生交聯，交聯反應以鏈式增長，每一個環氧基都能與同一個分子或不同分子中的其他環氧基結合，再經交聯擴展就形成了致密的呈拱形的結構。該方法基于光刻工藝形成拱形結構，易于小型化和批量生產，形成光滑且連續表面的拱形結構，具有高穩定性和可靠性，此外與傳統的cmos工藝 兼容，易于在mems器件中的集成。

為了更好的理解本發明的技術方案和技術效果，以下將結合流程圖對具體的實施例進行詳細的描述和說明。

在步驟s01，提供襯底100，參考圖2所示。

在本發明實施例中，所述襯底100可以為si襯底、ge襯底、sige襯底、soi(絕緣體上硅，silicononinsulator)或goi(絕緣體上鍺，germaniumoninsulator)、三五族化合物及二四族化合物半導體等。在其他實施例中，所述襯底還可以為包括其他元素半導體或化合物半導體的襯底，例如gaas、inp或sic等，還可以為疊層結構，例如si/sige等，還可以其他外延結構，例如sgoi(絕緣體上鍺硅)等。

在本發明的實施例中，根據在不同的mems器件中的應用，所述襯底100上還可以已經形成有其他所需的結構，例如襯底100上已經形成有sio2、sin、或金屬薄膜等薄膜結構，金屬薄膜例如ti，al，ta，tin，tan，nife等。

在步驟s02，在襯底100上旋涂su-8的第一光刻膠層110并進行第一烘烤工藝，而后對所述第一光刻膠層110進行曝光，參考圖2-圖3所示。

為了便于光刻膠的旋涂并去除襯底100表面吸附的水分，在進行旋涂光刻膠之前，可以對襯底100進行烘烤工藝，烘烤的溫度范圍可以為120-150℃，烘烤的時間范圍可以為30-300s。在一個具體的實施例中，烘烤的溫度為140℃，烘烤的時間為60s。

接著，進行su-8的第一光刻膠層110的旋涂，參考圖2所示。在一個具體的實施例中，第一光刻膠層選用su-81060光刻膠，旋涂的速率為800rrm/min，旋涂的厚度大約為32um。

在本發明中，第一光刻膠層為su-8光刻膠，su-8光刻膠是一種環氧型、近紫外光的負光刻膠，在每一個分子中都含有8個環氧基，通常地，可以通過環氧樹脂su-8溶解在有機溶劑丁內酯中，而后添加一定量的引發劑三苯基硫鹽制備而成，添加的三苯基硫鹽的重量可以為環氧樹脂su-8重量的10％。

接著，對第一光刻膠層110進行第一烘烤工藝，該第一烘烤工藝是曝光 前的烘烤工藝，為了去除第一光刻膠層110中的大部分溶劑以及穩定光刻膠的感光特性。在一些實施例中，在第一烘烤工藝中，烘箱可以升溫至90-100℃，升溫速率可以為5-25℃/min，升溫到預定溫度之后，可以保溫30-50min，而后冷卻。在一個具體的實施例中，在第一烘烤工藝中，烘箱升溫至95℃，升溫速度為20℃/min，升溫之后，保溫40min，而后冷卻。

而后，對第一光刻膠層110進行曝光，參考圖3所示。

在曝光工藝中，第一光刻膠層110中的光引發劑吸收光子發生光發化學反應，生成一種強酸，稱為光酸，該光酸存在于第一光刻膠層110的曝光區域112，而在第一光刻膠層110中的未曝光區域并不存在該光酸。

在一個具體的實施例中，曝光時間可以為1200msec，汞燈功率可以為600mw/(cm²*s)。

在步驟s03，在所述第一光刻膠層110上旋涂su-8的第二光刻膠層120，參考圖4所示。

在一個具體的實施例中，第二光刻膠層120也選用su-81060光刻膠，旋涂的速率為2000rrm/min，旋涂的厚度大約為15um。在本發明其他實施例中，根據需要第二光刻膠層可以選擇與第一光刻膠層相同或不同型號的su-8光刻膠。

在本發明實施例中，選擇不同厚度比例的第二光刻膠層120和第一光刻膠層110，會影響后續形成的拱形結構的形貌的弧度，在優選的實施例中，所述第一光刻膠層和第二光刻膠層厚度比例的范圍為0.5:1～3：1，在一個具體的實施例中，第一光刻膠層的厚度為32um，第二光刻膠層的厚度為15um。

在步驟s04，將所述襯底100進行靜置，以使得第一光刻膠層的曝光區域112的光酸擴散至未曝光的第一光刻膠層及第二光刻膠層120，參考圖5所示。

可以根據具體的需要在一定溫度和濕度的環境中，將上述襯底100靜置一定的時間，由于第二光刻膠層并未進行烘烤工藝，第二光刻膠層中的溶劑重新將第一光刻膠層浸潤，使得第一光刻膠層的曝光區域112的光酸擴散至未曝光的光刻膠層110、120中，由于光酸是向四周均勻的擴散，擴散后光酸 的區域呈圓弧形，參考圖5所示。在后續的烘烤工藝中，光酸會起到催化劑的作用，促進環氧基的交聯。

在本發明的實施例中，將所述襯底進行靜置時，環境的溫度范圍可以為20-25℃，環境的濕度范圍可以為30％-50％，靜置的時間可以為0.5-3小時。在一個具體的實施例中，環境的溫度為21℃，環境的濕度為40％，靜置時間為1小時。在靜置之后，參考圖5所示，第一光刻膠層的曝光區域112中的光酸擴散到未曝光的第一光刻膠層110和第二光刻膠層120中。

在步驟s05，進行第二烘烤工藝，以使得有光酸的區域的環氧基交聯而形成拱形結構130，參考圖6所示。

在該第二烘烤工藝中，曝光區域以及擴散有光酸的區域在光酸的催化作用下，環氧基發生交聯反應，交聯反應以鏈式增長，每一個環氧基都與同一分子或不同分子中的其他環氧基交聯，相互交聯的環氧基形成了致密的交聯網絡，參考圖6所示，該致密的交聯網絡即為拱形結構130。

在本發明的實施例中，進行第二烘烤工藝時，升溫速率可以為5-25℃/min，升溫的目標溫度可以為90-100℃，并保溫的時間可以30-60min，而后冷卻。在一個具體的實施例中，在第二烘烤工藝中，烘箱升溫至95℃，升溫速度為20℃/min，升溫之后，保溫40min，而后冷卻。

在步驟s06，進行顯影。

上一步驟中形成的交聯網絡不會溶于顯影劑中，而未發生交聯的部分將在顯影時溶于顯影劑，而被去除，從而在襯底上形成拱形結構130，參考圖7所示。

在一個具體的實施例中，用su-8光刻膠的專用顯影劑顯影9分鐘，將拱形結構130之外的光刻膠去除，僅在襯底100上保留拱形結構130。

在形成拱形結構之后，更優地，還進行第三烘烤工藝，以固化拱形結構。

該第一烘烤工藝的目的是使得拱形結構更為固化，使得該拱形結構在后續能夠承受其他工藝的高溫環境，且具有較好的粘附性。

在本發明一些實施例中，進行第三烘烤工藝時，烘烤的溫度范圍可以為 135-350℃，烘烤的時間范圍可以為1-3小時。在一個具體的實施例中，烘烤溫度為320℃，烘烤時間為2小時，這樣，固化了拱形結構，在后續薄膜沉積工藝中能承受至少300℃的高溫，同時具有好的粘附性。

至此，形成了本發明實施例的拱形結構，可以理解的是，根據不同工藝條件的選擇，形成的拱形結構的弧度會有所不同，在本發明中，拱形結構是相對于平面結構的結構，拱形結構是指至少頂部的一部分為具有弧度的結構，例如可以為圓弧結構或圓弧頂結構等，圓弧頂結構指僅頂部為具有弧度而側壁不具有弧度。

如圖8所示，為采用本發明實施例的方法形成的拱形結構在顯微鏡下的圖片，在圖8所示的a、b、c中的拱形結構，在形成過程中采用了不同的工藝條件，如形成過程中的第一光刻膠層和第二光刻膠層厚度、烘烤工藝條件以及靜置的工藝條件等，可以看到，在不同的工藝條件下，形成的拱形結構具有不同弧度和形貌，另外，拱形結構的表面光滑且連續，使得拱形結構具有高穩定性和可靠性。

此外，本發明還提供了由上述任一方法形成的拱形結構，由上述任一方法形成的拱形結構，由環氧基交聯形成。

此外，本發明還提供了mems器件，包括由上述任一方法形成的拱形結構，該拱形結構由環氧基交聯形成，mems器件例如為微透鏡(microlense)，微電感，微型壓電驅動器，薄膜體聲波諧振器及濾波器等。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而并非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何的簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。