专利名称：制造硅传感器的方法以及硅传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的制造硅传感器方法。
本发明还涉及一种如权利要求7前序部分所述的硅传感器。
本发明尤其旨在用于制造硅基加速度和角速度传感器。
背景技术：
至于其基本原理，硅微结构利用所谓的平面工艺，也就是说一种薄膜技术及由其发展出的制造方法。微机械制造技术包括如下方面结合不同形式的基本方法，调整它们的参数以便适应想要的应用以及设计符合需要的结构，通常在多个制造步骤中，通过将设计图案转移到基片上来实现所述结构。其中，基本方法包括沉积不同种类的薄膜、蚀刻所述薄膜以及通过例如受控的热处理改变它们的性能。
薄膜工艺的基本方法包括对薄膜形成图案以及更通常通过使用形成图案方法和蚀刻方法的相互结合的技术将图案转移到结构中。最常用的形成图案技术以使用光致抗蚀剂为基础，该光致抗蚀剂通过喷涂或者旋涂(旋转)薄片施加在薄片表面或其它基片上。在烘干该抗蚀剂步骤之后，通过紫外线将该图案从掩模曝光到基片上，并且，在正抗蚀剂情况下，通过显影剂冲洗除去抗蚀剂的已曝光区域，因此在被沉积掩模层上形成的图案能进一步转移到该薄片的下层。后面的操作通过使用本领域中称为蚀刻的损耗方法来完成，根据操作机理的性质，该蚀刻称作湿蚀刻方法或干蚀刻方法。
湿蚀刻在蚀刻溶液中进行，由此损耗材料溶入液态蚀刻溶液中，从而通常形成多种不同的中间化合物。这种蚀刻方法大多数是各向同性的，这意味着它们的蚀刻速率在不同取向中是相同的。然而，单晶质硅也可通过各向异性蚀刻溶液进行蚀刻，由此在不同晶体取向的基片材料中的蚀刻速率彼此很不相同。这一特性被用于传统的硅微技术中以便形成按照晶体取向对准的精确结构。各向异性硅蚀刻还有以下特征被蚀刻体积的深度非常一致以及被蚀刻表面的表面结构平滑。通常，被蚀刻体积的表面粗糙度位于百分之一的十分之一数量级。
在干蚀刻方法中，气相大气的反应组分作用在薄片表面上，以便形成易挥发化合物，由此固态材料变换为气体形式。通常，反应腔在部分真空状态下操作，因而通过泵送从中除去气体反应产物。
在湿蚀刻技术中，除了传统的抗蚀剂掩模之外还利用无机薄膜硬掩模来进行图案转移。这种方法通常例如在浓缩碱溶液中进行的各向异性硅蚀刻。由于光致抗蚀剂不能完整地保留在这种环境下，传统的氧化物和氮化物硬掩模用作实际的蚀刻掩模。因此，首先使用光致抗蚀剂并结合干或湿蚀刻方法，对于无机材料制成的掩模进行图案的形成。
三维微结构能利用基片的整个厚度来制造，由此本领域被称为体积微结构，或者作为选择，能通过蚀刻形成要分离的结构使其大致放置在基片表面层或者沉积在基片表面上的薄膜层内。后一技术被称作表面微结构。体积微结构通过薄膜形成图案方法来制造以便在薄片表面上制成蚀刻掩模然后通过不同的蚀刻方法将图案转移到基片自身之中。
干蚀刻是通常用来与气相蚀刻方法相结合以便与在液体周围介质中进行的湿蚀刻方法区分的术语。正规的干蚀刻法使用等离子放电，通常在部分真空状态下气体大气中进行电晕放电，因此所述放电由AC电场或不经常地由DC场激励。控制蚀刻方法的基本技术是调节气体大气的成分、它的压力、等离子放电的激励功率以及等离子蚀刻腔的几何形状。通过测量等离子放电的电阻抗或者使用根据监测等离子放电辐射的光学蚀刻终点系统，在到达预定的蚀刻时间的情况下终止蚀刻。可以使用从监测样品中变为可见的结构光学检测以便确定充分蚀刻的终点。
使用处理气体，使其与要蚀刻的材料反应从而形成气体反应产物。其例如包括六氟化物(SF6)、四氟化碳(CF4)和氯气(CL2)。在等离子体中，气体部分游离，由此活性的氟、氯或其它原子团与正被蚀刻的基片反应。通过将一种或多种例如氩(Ar)或氦(He)的惰性气体与活性气体一起引入反应腔来调整该等离子工艺。这些气体用来稳定蚀刻反应或改进处理大气的热传导性。等离子放电性能可通过增添能够改变反应平衡状态的如氧气(O2)的气体而进一步控制。因此可以提高某些反应中的自由氟水平从而增加正被除去材料的蚀刻速率，或者作为选择，在使用光致抗蚀剂掩模时控制正被蚀刻层内的侧壁外形。影响等离子处理的第三组介质是钝化或聚合气体如甲醛(CHF3)或八氟环丁烷(C4F8)。
为了在硅中蚀刻深沟槽，使用根据在脉冲或交替蚀刻循环的特殊干蚀刻法。因此，在交替步骤中使用几乎各向同性的蚀刻以便在硅图案中迅速地加工深达1μm。其后，该基片需经过钝化步骤，由此包括刚蚀刻表面的所有基片表面通过由等离子气体沉积的聚合体层覆盖。迅速各向同性蚀刻阶段的下一步骤是在该图案沟槽底部冲压聚合体层，从而将该图案加深一个增加量。与此同时，沉积在图案侧壁的聚合体层阻止它们进一步被蚀刻。蚀刻气体通常为六氟化硫，而钝化气体为八氟环丁烷。持续的交替蚀刻/钝化步骤继续到获得被蚀刻图案的所需深度为止。通过这种技术可以蚀刻通过硅薄片整个厚度的狭槽，因而高宽比(即被蚀刻沟槽的深度与宽度的比值)能达到数值10至40。这样的干蚀刻方法尤其是对于正被蚀刻的表面来说是非常各向异性的。至于蚀刻掩模的性能，本方法按常规形式给以出色的选择性系数，该选择性系数定义为基片蚀刻速率与掩模材料蚀刻速率的比值。在使用氧化物掩模时，能获得高达200至300的蚀刻选择性比值，在此同时甚至抗蚀剂掩模也能达到50-100范围内的蚀刻选择性比值。通常，传统非脉冲等离子蚀刻方法能提供的蚀刻选择性比值仅为这些值的十分之一。其中蚀刻表面粗糙度值通常为百分之几数量级。
包括例如各向异性干蚀刻方法(其中沿着垂直于基片表面取向的蚀刻速率比沿着平行于基片表面取向的蚀刻速率快得多)的方法并且对于被蚀刻基片表面取向各向异性的蚀刻方法有助于开口的制造，所述开口通过大致垂直的侧壁以几乎不确定的形状延伸并且其深度甚至达到通过整个硅薄片。然而由于该方法的固有特性(ARDE，即高宽比相关蚀刻)，瞬时蚀刻速率取决于所要制造开口的几何形状。其结果是，它变为不精确的，或者甚至不能够制造所需深度的窄细槽或者例如在薄片中央平面内的弹簧元件。
位于薄片中央平面内的弹簧元件能用与各向同性蚀刻方法(在所有取向中具有相等的蚀刻速率)结合的各向异性蚀刻方法来制造。然而，还没有被发现对于硅来说良好的各向同性蚀刻方法。在本领域中只有披露使用XeF2作为各向同性蚀刻气体[Esashi等人]。
使其表面基本上平行于晶体结构{100}平面地排列好的单晶硅薄片能通过使用湿蚀刻方法(通常根据氢氧化钾溶液)来制造位于该薄片中央平面内的弹簧元件，所述湿蚀刻方法沿着不同的硅晶体取向各向异性地蚀刻。这种方法给出弹簧元件的良好表面质量和一致的蚀刻速率。
现有技术的缺点之一在于作为单一方法的干蚀刻已经不适于在硅薄片中央平面内制造高尺寸精度弹簧元件。从另一方面来说，湿蚀刻通过蚀刻制造深结构时需要较大的薄片面积。尤其是在制造加长弹簧元件方面使用传统的湿蚀刻技术使得该弹簧元件要被大面积孔洞包围，在所述孔洞中蚀刻表面由{111}晶面形成。而且，控制弹簧元件尺寸精度非常困难，特别是其宽度在传统制造法中在蚀刻方法期间接近弹簧元件厚度终点值时迅速地减小。甚至在制造方法中或者在薄片初始厚度中的很小的变化也能造成弹簧元件端部宽度的较大偏差。因此，使用这种弹簧元件横截面几何形状来获得符合需要的弹簧元件质量几乎变为不可能。
根据SOI类型的多层结构也能制造加速度传感器，所述多层结构包括一系列叠置层厚硅基片-电介体层-薄硅层-电介体层-厚硅层。这种技术的缺点在于其涉及复杂和昂贵的制造方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术工艺的问题并提供一种完全崭新的制造方法以及一种根据该方法的硅传感器。
本发明的目的通过使用干蚀刻方法来达到，所述干蚀刻方法用来制造通过薄片的蚀刻，然后通过湿蚀刻方法在薄片中央平面内最后确定高精度结构。有利的是，在传感器结构中的直侧壁，以及成角度弹簧支腿的直部分或者其弯曲部分的切线从硅基片的<110>取向倾斜，较好为至少15°，最好是等同于<100>取向的45°，或者，如果弹簧元件的形状不同于矩形平行六面体的形状，就使弹簧元件的侧壁或切线平面从<110>取向倾斜大约45°。在使用具有不同切割取向的硅薄片的情况下，总的概念是在弹簧元件占有的体积内减小按照{111}晶面取向的倾斜表面区域。
更确切地说，根据本发明的方法，其特征在于权利要求1特征部分中指出的内容。
此外，根据本发明的传感器，其特征在于权利要求7特征部分中指出的内容。
本发明提供显著的效益。
本发明的特点是结合两种不同类型的蚀刻方法的优点。
如同已知的那样，在碱性蚀刻溶液中的各向异性湿蚀刻沿着不同的晶体取向进行不同的加工，因而在整个硅表面上给出极度一致的蚀刻速率，以及被蚀刻表面非常平滑和无瑕疵的质量。通常，这种蚀刻方法的最大缺点与弹簧元件几何形状结构上的限制相关。例如，成形为矩形的弹簧元件的位置不能自由地进行选择，这是因为在这些元件周围所需的面积根据其本身覆盖区域是各种各样的。
目前用于硅的各向异性干蚀刻方法允许弹簧元件自由地设计和放置。然而，这些蚀刻方法形成的表面粗糙度和质量比各向异性湿蚀刻的结果低。
本发明能以从未有过的形式进行结合，在通过碱性刻蚀方法提供表面粗糙度和质量的情况下通过各向异性干刻蚀方法来制造位置和形状不受限制的弹簧元件。
除了在薄片中央平面制造弹簧元件之外，上文表示的方法还能用于在该薄片的另一侧面制造弹簧元件。其中，各向异性湿蚀刻从薄片的侧面进行到几乎延伸通过该薄片整个厚度的深度。
除了适用于制造大致位于薄片中央平面内并可从该薄片平面向外挠曲的弹簧元件之外，该方法还适于制造能在该薄片平面内挠曲并使它们的厚度受各向异性蚀刻方法控制的弹簧元件，由此它们的弯曲刚度基本上由自身的宽度来确定。
该方法还适用于制造包括垂直和水平部分的高刚度扭转弹簧元件，或者包括仅能在该硅薄片平面内自由运动的垂直部分的悬臂/扭转弹簧元件。此外，这些元件能与位于薄片中央平面内的弹簧元件结合使用。
下面将通过附图中表示的多个示范实施例来解释本发明，其中图1是根据本发明的硅传感器透视图；图2是大致与图1硅传感器类似的硅传感器顶视图；图3a-3d表示图3传感器的制造步骤；
图4表示硅薄片的晶体取向；图5a-5g表示在该传感器惯性质量元件处截取的横截面，以表示本发明传感器的制造步骤；图6是拍摄本发明第一实施例传感器结构在其制造期间的照片；图7是除去侧壁掩模之前拍摄干蚀刻法和传感器窄弹簧元件的照片；图8是本发明第二实施例加速度传感器的照片；图9是本发明第三实施例加速度传感器的照片；图10是拍摄图8传感器细部的照片；以及图11是本发明扭簧元件的照片。
在附图和下文中，使用下述多种括弧符号来表示硅晶体的几何形状<…> 等同的晶体取向，{…} 等同的晶面，[…] 单独的晶体取向；以及(…) 单独的晶面。
具体实施例方式
因此，本发明通常涉及以下说明的制造技术。
传感器弹簧元件由硅薄片制成，其方法为用蚀刻方法使该薄片从一个或二个侧面变薄。该硅薄片的所述表面大致是理想的{100}晶面。该弹簧元件大致位于硅薄片的中心平面内。通常使用例如碱金属氢氧化物或有机碱的化学制品使得弹簧元件变薄，所述化学制品相对于硅的晶体取向各向异性地蚀刻硅。通过蚀刻方法将该硅薄片平面内的弹簧元件形状控制在一定尺寸，该方法与给定薄片平面垂直地进行各向异性化学腐蚀。用上述形式制造的弹簧元件可进一步连接在包括垂直和水平部分的扭转弹簧元件上，而且可连接在仅包括其高度基本上等于薄片厚度的狭窄部分的其他挠曲或扭转弹簧元件上。
其中，本发明的实施例的崭新特点是以下特征性的细节。首先，该弹簧元件的直侧壁、成角度弹簧支腿的直部分或者其弯曲部分的切线从硅晶体结构的<110>取向倾斜至少15°，最好为45°，也就是说位于取向<100>中，或者，如果弹簧元件形状不呈矩形，该元件的侧壁或切线平均起来从<110>取向倾斜45°。其次，弹簧元件的端部至少部分地由两个相交的{111}晶面限定。
在本发明中意外发现的是，在使用碱金属氢氧化物或其它各向异性碱性湿蚀刻方法实现蚀刻时，在本领域中传统作法旨在按照<110>取向最为准确地对准图案直侧壁。现在，本发明利用崭新的概念，根据此概念，图案侧壁相对小地背离传统的对准能对工件产生各向异性蚀刻，因此硅的{111}晶面不变成暴露，从而放慢蚀刻。在本发明中，沿着临界取向的蚀刻速率通过垂直沟槽来控制，所述沟槽在硅基片中沿着从传统使用的<110>取向倾斜，即基本上沿着<100>取向的取向制成，并进一步在侧壁处受到保护而不蚀刻。
如图1所示，典型的加速传感器结构包括框架10，测震质量6经过弹簧7连接到该框架上。测震质量6是利用干蚀刻沟槽8从基片10微加工出来的。弹簧7用湿蚀刻法制造，由此该弹簧元件端部已变为沿{111}晶面方向倾斜的。
沟槽8的干蚀刻通常在等离子辅助方法中完成，由此活性气体相在该薄片表面上反应从而形成挥发性化合物。其结果是，要从沟槽8除去的固态基片材料转变成气体形式，从而它能从在部分真空状态操作的反应腔泵出。通过如下方法保持该反应连续地输入反应处理气体，维持真空泵送和连接其上的反应腔压力控制系统以及用RF场激励的等离子系统。蚀刻深度通常通过调节蚀刻时间或使用根据监测等离子光学放射的蚀刻端点检测器来控制。在干蚀刻方法中，蚀刻选择性系数可通过适当地选择处理参数和从几乎各向同性蚀刻到强烈各向异性蚀刻的所用蚀刻方法来改变。在本发明方法的上下文中，当提到关于与基片表面垂直取向和与基片表面平行取向的不相等蚀刻时使用术语各向异性蚀刻。蚀刻边缘的外形也能通过改变蚀刻化学性质和处理参数进行控制。然而在干蚀刻中，蚀刻率通常与晶体取向完全无关。
在图2所示的示范性实施例中，弹簧元件7的表面几乎覆盖由晶面{100}形成的整个区域上。根据本发明的蚀刻取向选择使得晶面{111}仅在弹簧元件7的端部处形成。对于传感器强度来说，另外优点是晶面{111}因而在弹簧元件7的两个支承端部(即连接到测震质量6的端部和连接到基片10的端部)上形成较厚的部分。{111}晶面在弹簧元件7端部处或在其邻近区域内沿着相交线11彼此相交。
在图3a中可见到区域1，它确定延伸通过硅薄片整个厚度的沟槽8，而且在下文要表示的过程图5c中也能看到区域1。依次，图3b表示区域2，它限定通过湿蚀刻形成为弹簧元件的部分。这个区域也能在过程图5a和5e内见到。而图3c表示通过湿蚀刻法处理并相对于区域1、2以及{110}晶体取向的任意的区域3。要被湿蚀刻的任意区域3侧壁以简图所示的方式将变成与{110}晶体取向对准。在可实行的方法中，任意区域3将只对图2中确定的部分加上小区域4进行蚀刻，该小区域4在蚀刻掩模下方形成下切部，然而由于{111}晶面的有限蚀刻速率所造成的阻碍仅局限在较小程度内。测震质量6在处理区域的中央形成，而用短划线标明的区域表示其上形成有通过{111}平面终止的弹簧和适当地对准薄片表面(100)晶面的弹簧的端部的区域。
图3d中表示在被制造弹簧元件7端部处的区域，它们由{111}晶面表示以便沿着线11相交。在所示情况下，在该简图中画出以便表示与<110>晶体取向等同的
晶体取向和弹簧元件纵向轴线15之间的角α为45°，由此{111}晶面相交线11的表面突出部还定向成与弹簧元件7的纵向轴线平行。由于本发明的目的是使弹簧元件7的平坦部分最大化，即获得(100)晶面的最长区域以便在该弹簧表面上保持自由，角α应足够地接近45°以便达到这个目的。
该方法还可用下法检验考察在{111}晶面方向上弹簧元件7的纵向尺寸L1相对于弹簧元件7长度L的比例。显然，L1的尺寸直接取决于蚀刻深度和角α。如果比值L1/L小，例如小于0.2，该传感器结构能做成对产生偏差不敏感。这保证留给该弹簧元件的相对较大基片面积部分以便形成适当的弹簧，由此该弹簧元件的其他尺寸不需要减小到制造公差的极限值。如果角α不等于45°，比值L1/L增大。根据本发明，比值L1/L的适当数值小于0.45，由此弹簧元件7的大小适度区域能做成平面的。根据本发明，在弹簧元件7纵向轴线和在该硅薄片平面内的等同<110>晶体取向之间的角通常为25°至65°，最好约为45°。
图4中表示在(100)取向上制成的典型单晶硅薄片晶体取向。其中，<100>取向标明所有的晶体取向，其总数为6，它与[100]晶体取向等同。相应地，{100}平面标明所有与(100)平面等同的晶面。{100}平面的法向表示为<100>取向。当该薄片如该简图所示从垂直于该薄片平面的方向进行检验时，薄片表面是(100)平面，这意味着该薄片表面法向位于[100]取向上。还有，该薄片的平面平行于与<110>取向等同的
晶体取向。与<100>取向等同的两个晶体取向(即图4所示的
和
取向)与其成45°角并位于该薄片平面内。此外，位于该薄片平面内的是与<110>取向等同的另一取向(即垂直于该平面的
取向)。在该薄片平面内，与<100>取向等同的
和
晶体取向与另外两个薄片平面取向(即
和
)形成45°角，但与此同时后面的两个取向还与等同于<100>取向(即垂直于该薄片平面的[100]取向)形成90°角。由此，与<110>等同的取向总数为12，其中4个位于(100)薄片的平面内。图4中画出这些取向中的两个，即单独的晶体取向
和
。
如图5a-5g所示，典型的传感器制造方法包括下述步骤顺序图5a20.沉积氧化物层12。
21.限定弹簧元件开口2。
22.沉积氮化物层13。
图5b23.通过光致抗蚀剂14限定用于穿透蚀刻的区域1。
图5c24.在区域1上蚀刻氮化物层13(和氧化物层12)。
25.在区域1的一个或两个侧面上穿透薄片进行干蚀刻。
图5d26.剥离光致抗蚀剂14。
27.对于沟槽8的侧壁进行氧化。
图5e28.除去氮化物层13并露出弹簧元件开口2。
图5f29.通过湿蚀刻法成形弹簧元件7。
图5g30.除去掩模。
图6以更加详细地表示加速传感器弹簧7的结构。该简图说明弹簧元件7和等同<110>晶体取向之间的角为大约45°。
图7表示干蚀刻实现了不受晶体取向影响的精密穿透蚀刻和制造非常狭窄的弹簧元件的能力。
图8表示更加复杂的传感器结构，其所有四个传感器元件7均以相对于等同<110>晶体取向呈45°角制造。
图9进一步表示弹簧元件7延伸到测震质量6中的传感器结构。在弹簧元件7的端部可见到{111}晶面，由此它们的在该薄片表面上的相交线突出部基本上平行于弹簧元件7的纵向轴线。
图10表示图8弹簧元件的端部细节。
图11进一步表示根据本发明制造的扭转弹簧元件。其中{111}晶面清晰可见。
本发明可应用于例如加速度传感器和振动角速度传感器。
在不偏离本发明精神和范围的情况下，本发明还可适用于处理与单晶质(单晶体)(100)硅薄片不同的薄片。
权利要求
1.一种用来制造硅传感器结构的方法，所述方法包括通过在单晶硅薄片(10)内蚀刻开口来形成至少一个弹簧元件轮廓(7)和至少一个与弹簧元件轮廓(7)连接的测震质量(8)的步骤，其特征在于延伸通过硅薄片深度的开口和沟槽(8)通过干蚀刻法制造，以及用于控制弹簧元件轮廓(7)弹簧常数的蚀刻方法以湿蚀刻法为根据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，弹簧元件(7)纵向轴线和硅薄片平面内的等同<110>晶体取向之间的角α选择成不同于零，有利的是大于15°，而且通常为25°至65°，有利的是大约45°。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，弹簧元件(7)长度L相对于沿着{111}晶面方向的纵向尺寸L1之间的比值L1/L选择成小于0.45。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，湿蚀刻步骤通过相对于不同晶体取向呈各向异性的碱蚀刻方法来实现。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在除了垂直于薄片平面之外的取向的结构中进行的蚀刻受到限制，其方法是在基片中制成的垂直沟槽(8)使其大致对准除硅薄片<110>取向之外的不同取向并防止它们的侧壁受到蚀刻腐蚀。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，干蚀刻和湿蚀刻方法两者均为各向异性。
7.一种通过单晶硅薄片(10)制成的硅传感器结构，其包括框架(10)，至少一个细长弹簧元件(7)，其一端连接在框架(10)上，以及至少一个测震质量(6)，其连接在弹簧元件(7)的另一端部上，其特征在于，在弹簧元件(7)的端部或者至少在其邻近地区处形成倾斜{111}晶面的相交线(11)。
8.如权利要求7所述的传感器结构，其特征在于，传感器结构由单晶体(100)硅薄片制成，因此所有倾斜晶面是{111}晶面。
9.如权利要求7或8所述的传感器结构，其特征在于，{111}晶面的相交线(11)取向为至少大致平行于弹簧元件(7)的纵向轴线。
全文摘要
本发明涉及一种制造硅传感器结构的方法以及一种硅传感器。根据该方法，通过在单晶硅薄片(10)内蚀刻开口来形成至少一个弹簧元件轮廓(7)和至少一个与弹簧元件结构(7)连接的测震质量(8)的步骤。根据本发明，延伸通过该硅薄片深度的开口和沟槽(8)通过干蚀刻法制造，而用于控制该弹簧元件轮廓(7)弹簧常数的蚀刻方法以湿蚀刻法为根据。
文档编号H01L29/66GK1511259SQ02810445
公开日2004年7月7日 申请日期2002年3月21日 优先权日2001年3月21日
发明者H·奎斯马, J·拉登佩雷, R·穆蒂凯宁, H 奎斯马, 倏, 桥謇 申请人:Vti技术有限公司