三角形单晶硅支撑粱结构式x射线氮化硅窗口构造及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造及其制造方法，其特点是通过掩膜层氮化硅膜生长，光刻与刻蚀，湿法刻蚀，氮化硅膜生长，背面套刻与刻蚀，湿法刻蚀工艺来获得最终产品，构成薄层三角形结构框架阵列，在框架阵列之间形成氮化硅窗口。由此，可实现更粗的支撑梁，支撑梁结构稳定，实施制备工艺简单。
【专利说明】
三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造及其制备 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种氮化硅窗口及其制备方法，尤其涉及一种三角形单晶硅支撑粱结 构式X射线氮化硅窗口构造及其制备方法。
【背景技术】
[0002] X射线荧光分析仪、SEM的能量色散谱分析系统(EDS)、X射线仪器的太空应用和许 多其他X射线设备均需要优质的耐压及耐受高低能量X射线(软X射线）的透过率窗口。X射线 窗口需要满足超薄、耐高温、耐振动、机械强度高、支撑结构所占面积小于25%以及能够耐 受至少一个大气压强差等要求，以保证X射线的透射率和X射线设备的真空要求。这就对X射 线窗口的材料性能、结构设计与制备工艺提出了较高的要求。
[0003] 低原子序数的金属铍具有良好的X射线透过率，但是其机械强度较差，薄膜厚度至 少要达到Ium，导致整体的X射线透过率极低。另外，铍的耐腐蚀性较差，钝化后会导致X射线 透过率进一步降低。
[0004] 人造金刚石薄膜是另一种X射线窗口，相对于金属，它有很多优点。例如机械强度 高并且能够耐受高温。但是人造金刚石薄膜的厚度仍然是几百个纳米量级，导致X射线在 282eV到800eV部分具有显著的吸收。聚合物也可作为X射线窗口的常用材料，其优点在于几 百纳米厚的柔性聚合物可以很好地透过X射线，并且能够耐受不同的气压差。
[0005] 但是，聚合物的耐温性较差，极大限制了其应用条件。同时由于聚合物对于气体扩 散的阻挡性较差，不能保证窗口的气密性。
[0006] 进一步来看，半导体行业使用的氮化硅薄膜，不仅具有非常好的强度、均匀性、耐 温性和气密性，并且可以耐受900摄氏度的高温。由于氮化硅薄膜可以薄至IOOnm以内，软X 射线透过率远高于聚合物、人造金刚石和铍薄膜窗口。近年来，由氮化硅膜制程的非耐压X 射线窗口已经广泛应用于搭载同步辐射软X射线样品中。
[0007] 目前，耐压氮化硅膜X射线窗口的关键技术在于支撑氮化硅膜的梁结构和微纳米 制备方法，以确保其强度的同时，具有较小的支撑面积。
[0008] 2013年Pekka课题组利用LPCVD沉积多晶硅作为薄支撑梁的氮化硅膜X射线窗口， 再对多晶硅进行图形化和刻蚀，以制备出支撑梁结构。这也是目前氮化硅膜X射线窗口的主 要制备方法。
[0009] 但是，该技术获取的窗口的结构复杂且成本高，其多晶硅支撑梁需要使用LPCVD沉 积而成，LPCVD高昂的沉积成本导致IOum以上厚度的支撑梁基本不可实现。
[0010] 同时，采用该现有技术还有如下缺点：
[0011] 1、获取的外延生长的多晶硅支撑梁，由于成本和工艺限制，多晶硅层5um以上高成 本，只能实现20um以内的支撑梁结构。
[0012] 2、延生长的多晶硅，在微米级的厚度上则存在应力分布不均匀和缺陷多等问题， 直接影响支撑梁的强度稳定性。
[0013] 3、制造外延式多晶硅支撑梁还涉及IOum厚LPCVD多晶生长工艺，外延式多出的高 温工艺，使整个工艺流程的不确定性增加，且成品率降低。
[0014]有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种三角形单晶硅支 撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造及其制备方法，使其更具有产业上的利用价值。
[0015]因此，急需一种简洁、可靠的工艺来制备支撑氮化硅膜窗口的支持梁结构，使其可 以耐受一个以上的大气压强差。
【发明内容】
[0016] 为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种三角形单晶硅支撑粱结构式X射 线氮化硅窗口构造及其制备方法。
[0017] 本发明的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造，其特征在于:包括有 单晶硅外框，所述单晶硅外框下方分布有硅垫底，所述硅垫底上分布有深四棱凹槽，所述深 四棱凹槽上分布有低应力LPCVD生长的氮化硅膜，所述氮化硅膜上方，排布有单晶硅支撑 梁，所述单晶硅支撑梁间隔排布，构成薄层三角形结构框架阵列，所述框架阵列之间形成氮 化娃窗口。
[0018] 进一步地，上述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造，其中，所述 单晶娃外框的尺寸为IOmm X IOmm，所述氮化娃窗口区域尺寸为5 · 5mm X 5 · 5mm，所述薄层三 角形结构框架阵列中单个窗格尺寸为200um X 660um，所述氮化娃膜位于娃衬底IOOum至 200um深的四棱凹槽的底部，所述薄层三角形结构框架阵列的厚度为30um 〇
[0019] 三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法，其包括以下步骤：
[0020] 步骤一，掩膜层氮化硅膜生长；
[0021] 步骤二，光刻与刻蚀；
[0022] 步骤三，湿法刻蚀；
[0023]步骤四，氮化硅膜生长；
[0024]步骤五，背面套刻与刻蚀；
[0025] 步骤六，湿法刻蚀工艺。
[0026]进一步地，上述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法，其 中，所述步骤一中，选用100晶相，200um厚的中阻娃片，对娃片进行标准半导体清洗，使用 LPCVD在硅片两侧生长氮化硅薄膜。
[0027]更进一步地，上述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其中，所述步骤二中，对硅背面进行光刻，并采用反应离子刻蚀设备(RIE)将未被保护的氮 化硅膜刻蚀掉，使用热丙酮溶液去胶。
[0028]更进一步地，上述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其中，所述步骤三中，将硅片装入腐蚀液中，加热至70摄氏度至90摄氏度，刻蚀3至5个小时 后，使用台阶仪跟踪测量，控制刻蚀深度，制备出四棱凹槽结构。
[0029]更进一步地，上述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其中，所述腐蚀液为KOH，加热至80摄氏度，刻蚀4个小时。
[0030]更进一步地，上述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其中，所述步骤四中，将湿法刻蚀过的硅片进行清洗，并整齐排列在石英舟内，放入LPCVD设 备中，通过低应力氮化硅工艺，生成氮化硅膜，即在硅片两面生长50nm氮化硅膜，此时四棱 凹槽内部也生长出50nm低应力氮化硅膜。
[0031]更进一步地，上述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其中，所述步骤五中，采用氮化硅薄膜做掩膜，使用型号为AZ5214的光刻胶进行相关光刻胶 步骤，在硅片背面实现双面套刻工艺，之后通过RIE工艺，刻蚀正面的氮化硅层。
[0032]更进一步地，上述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其中，所述步骤六中，将刻蚀过的硅片去胶，装入石英花篮中，放入腐蚀液中，刻蚀至窗口部 分全部透光。
[0033] 借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
[0034] 1、可实现更粗的支撑梁：一体式的结构可以通过调整湿法腐蚀深度，控制单晶硅 支撑梁的高度和宽度，可以实现从5um到80um不同高度的支撑梁结构。由此，能够避免外延 生长的多晶硅支撑梁，由于成本和工艺限制，多晶硅层5um以上高成本，只能实现20um以内 的支撑梁结构的缺陷。
[0035] 2、支撑梁结构稳定，一体式的支撑梁采用的单晶硅材料是晶圆厂通过高纯度拉晶 制成，结构单一、稳定。避免出现外延生长的多晶硅，在微米级的厚度上则存在应力分布不 均匀和缺陷多等问题，直接影响支撑梁的强度稳定性的缺陷。
[0036] 3、实施制备工艺简单:一体式支撑梁结构的制备工艺只有光刻、氮化硅生长和湿 法腐蚀硅这三个标准工艺。
[0037] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【附图说明】
[0038]图1是三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造侧面的结构示意图。
[0039]图2是三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造的正面结构示意图。
[0040]图3是氮化硅窗口在掩膜层氮化硅膜生长后的结构示意图。
[0041 ]图4是氮化硅窗口在光刻与刻蚀后的结构示意图。
[0042] 图5是氮化硅窗口在湿法刻蚀后的结构示意图。
[0043] 图6是氮化硅窗口在氮化硅膜生长后的结构示意图。
[0044] 图7是氮化硅窗口在背面套刻与刻蚀后的结构示意图。
[0045] 图8是氮化硅窗口在湿法刻蚀工艺后的结构示意图。
[0046] 图中各附图标记的含义如下。
[0047] 1单晶硅外框2硅垫底
[0048] 3氮化硅膜 4单晶硅支撑梁
【具体实施方式】
[0049]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0050]如图1、图2的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造，其与众不同之处 在于:其包括有单晶娃外框1，在单晶娃外框1下方分布有娃垫底2。同时，娃垫底2上分布有 深四棱凹槽，该深四棱凹槽上分布有低应力LPCVD生长的氮化硅膜3。并且，氮化硅膜3上方， 排布有单晶硅支撑梁4,所述单晶硅支撑梁4间隔排布，构成薄层三角形结构框架阵列，所述 框架阵列之间形成氮化硅窗口。
[0051] 结合本发明一较佳的实施方式来看，为了实现超薄化的设计，且拥有较佳的稳定 性，本发明的成品的单晶娃外框的尺寸为IOmm X 10mm，氮化娃窗口区域尺寸为5.5mm X 5.5mm，薄层三角形结构框架阵列中单个窗格尺寸为200um X 660um，氮化娃膜位于娃衬底的 四棱凹槽的底部，薄层三角形结构框架阵列的厚度为30um。
[0052] 结合实际实施来看，如图3-8所示，本发明提供了一种三角形单晶硅支撑粱结构式 X射线氮化硅窗口构造制备方法，其特别之处在于包括以下步骤：
[0053] 首先，掩膜层氮化硅膜生长。可选用100晶相，200um厚的中阻硅片，对硅片进行标 准半导体清洗，使用LPCVD在硅片两侧生长氮化硅薄膜。该氮化硅薄膜经膜厚仪检测厚度为 101.4nm，薄膜均匀性为1.31 %。
[0054] 之后，进行光刻与刻蚀。在此期间，对硅背面进行光刻，并采用反应离子刻蚀设备 (RIE)将未被保护的氮化硅膜刻蚀掉，使用热丙酮溶液去胶。
[0055]接着，采用湿法刻蚀进行处理。具体来说，将硅片装入一定比例的KOH腐蚀液中（优 选30%)，配合80摄氏度的温度进行。刻蚀3至5个小时后，使用台阶仪跟踪测量，精确控制刻 蚀深度至IOOum至200um制备出四棱凹槽结构。具体来说，实际实施的时候可优选为170um。 其原因在于，本实施例中采用200um厚硅片作为原材料，大致比例在硅材料厚度到50 %到 98%之间即可。在此期间，通过多次对比试验后发现，根据常规的加工处理量，刻蚀4小时， 即可起到较佳的效果。
[0056] 随后，开始氮化硅膜生长。在此期间，首先将湿法刻蚀过的硅片进行清洗。清洗完 毕后，将硅片整齐排列在石英舟内，放入LPCVD设备中。接着，通过低应力氮化硅工艺，生成 氮化硅膜。具体来说，就是在硅片两面生长50nm氮化硅膜，此时四棱凹槽内部也生长出50nm 低应力氮化硅膜。结合LPCVD沉积氮化硅的反应式来看：
[0057] 3SiH2Cl2(气态）+4NH3(气态）-Si 3N4(固态）+6HCl(气态）+6H2(气态）。
[0058] 然后，进行背面套刻与刻蚀。在此期间，本发明采用氮化硅薄膜做掩膜，使用型号 为AZ5214的光刻胶进行相关光刻胶步骤。同时，在硅片背面实现双面套刻工艺。之后，通过 RIE工艺，刻蚀正面的氮化硅层。
[0059] 最后，采用湿法刻蚀工艺完成后续步骤。具体来说，针对刻蚀过的硅片去胶。之后， 装入石英花篮中，放入腐蚀液中，刻蚀至窗口部分全部透光皆可。考虑到窗口成型的完整性 需要，采用的腐蚀液为优选25 %含量的KOH，可以起到较佳的效果。
[0060] 实际制备完成后，可获取宽34um、高30um的三角形超窄支撑粱，单个窗格尺寸为 234X694微米。由此，可利用三角形最稳定的特点，实现单晶硅支撑梁的耐真空膜。
[0061 ]针对氮化硅窗口进行的耐压测试来看，在大气环境中用环氧树脂真空胶将X射线 窗口和硅基底密封起来。再将封有常压气体的X射线窗口放置在真空腔中。使用分子栗提高 真空度至lx l(T5Bar。本发明制得的5个测试窗口均保持超过了24小时未破裂。
[0062]进一步结合实际制备和测试来看，发现虽然本发明获取的超小占比支撑粱结构具 有较好的支撑性能，但是，由LPCVD生长的氮化硅膜的强度还需要进一步提高，而应力较高 的氮化硅膜强度较差，会导致制备的产品率较低。因此，本发明还同时对氮化硅窗口的制备 工艺进行了改进，对影响氮化硅膜应力的气流、压力和温度等LPCVD工艺参数进行了调整， 如表1所示。
[0064] 表1:不同氨气和二氯二氢硅比例和温度参数下，氮化硅膜应力数据。
[0065] 由上述表1，可得到适用于X射线窗口的低应力氮化硅的LPCVD参数。具体来说，沉 积温度850°C，NH3和SiH 2Cl2的比例至1:8,气体流量为360sccm，制备出的氮化硅膜应力最 低。
[0066] 通过上述的文字表述并结合附图可以看出，采用本发明后，拥有如下优点：
[0067] 1、可实现更粗的支撑梁：一体式的结构可以通过调整湿法腐蚀深度，控制单晶硅 支撑梁的高度和宽度，可以实现从5um到80um不同高度的支撑梁结构。由此，能够避免外延 生长的多晶硅支撑梁，由于成本和工艺限制，多晶硅层5um以上高成本，只能实现20um以内 的支撑梁结构的缺陷。
[0068] 2、支撑梁结构稳定，一体式的支撑梁采用的单晶硅材料是晶圆厂通过高纯度拉晶 制成，结构单一、稳定。避免出现外延生长的多晶硅，在微米级的厚度上则存在应力分布不 均匀和缺陷多等问题，直接影响支撑梁的强度稳定性的缺陷。
[0069] 3、实施制备工艺简单:一体式支撑梁结构的制备工艺只有光刻、氮化硅生长和湿 法腐蚀硅这三个标准工艺。
[0070] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技 术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和
【主权项】
1. 三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造，其特征在于:包括有单晶硅外框 (1)，所述单晶硅外框（1)下方分布有硅垫底(2)，所述硅垫底(2)上分布有深四棱凹槽，所述 深四棱凹槽上分布有氮化硅膜(3)，所述氮化硅膜(3)上方，排布有单晶硅支撑梁(4)，所述 单晶硅支撑梁(4)间隔排布，构成薄层三角形结构框架阵列，所述框架阵列之间形成氮化硅 窗口。2. 根据权利要求1所述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其特征在于:所述单晶娃外框（1)的尺寸为IOmmX 10mm，所述氮化娃窗口区域尺寸为5.5_ X 5.5mm，所述薄层三角形结构框架阵列中单个窗格尺寸为200um X 660um，所述氮化娃膜 (3)位于硅衬底构成的四棱凹槽的底部，所述薄层三角形结构框架阵列的厚度为30um。3. 三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法，其特征在于包括以下 步骤： 步骤一，掩膜层氮化硅膜生长； 步骤二，光刻与刻蚀； 步骤三，湿法刻蚀； 步骤四，氮化硅膜生长； 步骤五，背面套刻与刻蚀； 步骤六，湿法刻蚀工艺。4. 根据权利要求3所述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其特征在于:所述步骤一中，选用中阻硅片，对硅片进行标准半导体清洗，使用LPCVD在硅片 两侧生长氮化硅薄膜。5. 根据权利要求3所述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其特征在于:所述步骤二中，对硅背面进行光刻，并采用反应离子刻蚀设备(RIE)将未被保 护的氮化硅膜刻蚀掉，使用热丙酮溶液去胶。6. 根据权利要求3所述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其特征在于:所述步骤三中，将硅片装入腐蚀液中，加热至70摄氏度至90摄氏度，刻蚀3至5 个小时后，使用台阶仪跟踪测量，控制刻蚀深度，制备出四棱凹槽结构。7. 根据权利要求6所述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其特征在于:所述腐蚀液为KOH，加热至80摄氏度，刻蚀4个小时。8. 根据权利要求3所述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其特征在于:所述步骤四中，将湿法刻蚀过的硅片进行清洗，并整齐排列在石英舟内，放入 LPCVD设备中，通过低应力氮化硅工艺，生成氮化硅膜，即在硅片两面生长50nm氮化硅膜，此 时四棱凹槽内部也生长出50nm低应力氮化硅膜。9. 根据权利要求3所述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方法， 其特征在于:所述步骤五中，采用氮化硅薄膜做掩膜，进行光刻胶，在硅片背面实现双面套 刻工艺，之后通过RIE工艺，刻蚀正面的氮化硅层。10. 根据权利要求3所述的三角形单晶硅支撑粱结构式X射线氮化硅窗口构造制备方 法，其特征在于:所述步骤六中，将刻蚀过的硅片去胶，装入石英花篮中，放入腐蚀液中，刻 蚀至窗口部分全部透光。
【文档编号】H01J35/18GK105914121SQ201610265059
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】王建平
【申请人】苏州原位芯片科技有限责任公司