专利名称：大规模防止mems器件结构层材料被电化学腐蚀的方法
技术领域：
本发明涉及MEMS器件制造技术领域，尤其涉及一种大规模防止MEMS器件结构层 材料被电化学腐蚀的方法，以保护带贵金属的MEMS器件结构层材料在SiO2层的湿法腐蚀 过程中不被电化学腐蚀。
背景技术：
自上世纪 80 年代微机电系统(Micro Electromechanical System, MEMS)技术蓬 勃发展以来，越来越多的MEMS器件被广泛应用到人们的日常生活当中。从汽车安全气囊中 的微加速度计，轮胎中的微压力传感器，到导航仪中的微陀螺仪，再到无线通讯系统中的微 谐振器、滤波器以及雷达中的微开关阵列。这些MEMS器件促进了技术的发展，提高了人们 的生活品质。MEMS器件的加工是利用同微电子集成电路(IC)制作技术相兼容的微机械加工工 艺。常见的MEMS器件是一种多层结构，主要包括结构层、牺牲层以及金属层。MEMS器件一 般由半导体材料，如低压气相沉积(LPCVD)的多晶硅或单晶硅材料等，作为器件结构层，并 选用氧化硅材料作为器件绝缘层及牺牲层。选用氧化硅作为绝缘层及牺牲层材料，是由于 氧化硅在IC工艺中被广泛应用，可以经受薄膜淀积和退火等高温过程，并在HF基腐蚀液中 有较快的腐蚀速率，相对硅、氮化硅等一些材料有较高的选择性。牺牲层SiO2在HF基腐蚀 液中发生的反应过程为Si02+6HF — H2SiF6+2H20。基于对MEMS器件更高性能及功能的需求，贵金属材料被越来越多的引入到MEMS 器件结构当中。例如，贵金属被用来增强光学表面的反射率、减小传输线电阻，以及作为焊 接盘、电极和长寿命结构材料等。然而，在用HF基腐蚀液对这种带有贵金属的MEMS器件进 行SiO2的湿法腐蚀时，往往会对半导体结构层材料产生严重腐蚀，使器件的电学性能以及 机械性能明显恶化，如，结构层材料的电阻率显著增大，杨氏模量降低，机械强度下降以及 材料内部应力梯度上升等，从而降低了 MEMS器件的成品率及可靠性。这种电化学腐蚀是由于贵金属材料的标准电化学电势高于半导体结构层材料的 电化学电势，在HF基腐蚀液中，相连的贵金属与半导体材料构成原电池，作为原电池正极 的结构层材料在HF基腐蚀液中发生氧化反应而被腐蚀。以多晶硅结构层为例，其发生的电 化学腐蚀反应为Si+2HF+ λ h+ — SiF2+2H.+ (2_ λ ) e_SiF2+2HF — SiF4+H2SiF4+2HF — H2SiF6其中，h+为贵金属提供的价带空穴，λ为所需参与反应的空穴数。其产物H2SiF6 溶于水，多数MEMS器件的多晶硅结构层表面会生成多孔硅。如果释放溶液为40%以上的浓 氢氟酸或者气态纯氢氟酸，还会发生如下反应Si+2H20+4h+ — Si02+4H+
Si02+6HF — SiF:+2H20+2H+
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此外，由于结构层材料被腐蚀，附着于其上的金属层材料也会发生分层，甚至剥 落。因此，为了提高器件的成品率及可靠性，探索在SiO2湿法腐蚀工艺中避免结构层材料 被腐蚀的方法极为重要。目前，避免MEMS器件结构层材料在SiO2的湿法腐蚀过程中被电化学腐蚀的方法 大致分为如下几类。一类是通过改变器件结构，例如在器件结构层上打孔来缩短SiO2层的 腐蚀时间，或者在HF基腐蚀液中，增大结构层材料对贵金属层材料的面积比，来减弱电化 学腐蚀能力，以此降低腐蚀液对结构层材料的腐蚀。这类方法可以减轻HF基腐蚀液对半导 体结构层材料的腐蚀，但是效果有限，且因此而对器件结构所作的改变最终导致器件性能 变化，所以这类方法的使用范围非常有限。另一类是不改变器件结构，而是通过外加电路来改变结构层材料与贵金属材料的 电化学电势差。第二类方法对于减弱结构层材料的电化学腐蚀也具有显著的效果，但往往 工艺复杂，成本高，不利于MEMS器件的批量生产。还有一类方法是通过在腐蚀液中加入氧化还原缓冲剂，来减缓对结构层材料的电 化学腐蚀。例如在贵金属层表面多淀积一层金属Ti，用Ti替代结构层材料在HF基腐蚀液 中发生电化学反应，从而有效避免了结构层材料被电化学腐蚀。但是这种方法的复杂之处 为针对不同结构需要对Ti进行定量，而且需要防止Ti在HF基腐蚀液中的过快扩散。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，保护MEMS器件结构层材料不被电化学腐蚀是MEMS工艺中急需解决的 难点问题。为了克服现有技术中的不足，本发明的主要目的在于提供一种改善的利用HF基 腐蚀液湿法腐蚀SiO2层的方法，以保护MEMS器件结构层材料不被电化学腐蚀，避免因结构 层材料被腐蚀而造成的器件性能下降。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种大规模防止MEMS器件结构层材料被电化学 腐蚀的方法，该方法是利用光刻胶这种高分子材料来阻断器件的结构层材料与贵金属在HF 基腐蚀液中形成原电池的电学通路，具体包括在SiO2层的湿法腐蚀之前，在器件表面旋涂一层光刻胶，使其完全覆盖贵金属层 表面。 上述方案中，所述光刻胶不溶于HF基腐蚀液，并能在HF基腐蚀液中附着于器件表 面不脱落至少60分钟。上述方案中，该方法在旋涂光刻胶时，进一步包括控制光刻胶的坚膜条件，采用 缓慢升温和自然冷却的烘胶过程，提高光刻胶的致密性。上述方案中，该方法在旋涂光刻胶后进一步包括通过光刻在光刻胶上定义出腐 蚀孔，通过该腐蚀孔使HF基腐蚀液流入而直接接触SiO2层。上述方案中，在SiO2湿法腐蚀结束后，该方法进一步包括去除光刻胶，获得被保 护的MEMS器件结构。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
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1、利用本发明，在SiO2层湿法腐蚀前，通过光刻定义腐蚀孔，用光刻胶覆盖贵金属 表面，调节光刻胶的后烘条件，即采用缓慢升温和自然冷却的烘胶过程，使光刻胶形成具有 较低孔密度的致密体型高分子结构，阻断贵金属与结构层材料在HF基腐蚀液中的原电池 电路，从而有效避免了结构层材料被氧化腐蚀。2、利用本发明，仅在标准MEMS器件加工工艺中增加一步标准光刻步骤，就可以有 效避免因结构层材料被电化学腐蚀而造成的器件性能下降，且工艺实施简单，同IC工艺相 兼容，利于器件的批量化生产。
图1是没有贵金属层存在的情况下MEMS器件SiO2层湿法腐蚀示意图；图2是有贵金属层存在的情况下，结构层(如多晶硅)在SiO2湿法腐蚀工艺中的 腐蚀机理示意图；图3是用光刻胶覆盖贵金属层以避免结构层被腐蚀的示意图；图4是带贵金属层MEMS器件的结构层多晶硅在SiO2湿法腐蚀工艺中电阻率随腐 蚀时间的变化曲线图。图中1.结构层(如多晶硅)，2. SiO2层，3.贵金属层(如Au、Pt)，4.光刻胶覆盖 层，5.腐蚀孔，6.隔离层(如SiNx), 7.衬底(如硅片，石英玻璃片等)。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。本发明提供的这种大规模防止MEMS器件结构层材料被电化学腐蚀的方法，可以 有效保护MEMS器件结构层材料在HF基腐蚀液中不被电化学腐蚀。在SiO2层湿法腐蚀前， 通过光刻定义腐蚀孔，用光刻胶覆盖贵金属表面，调节光刻胶的后烘条件，即采用缓慢升温 和自然冷却的烘胶过程，使光刻胶形成具有较低孔密度的致密体型高分子结构，阻断贵金 属与结构层材料在HF基腐蚀液中的原电池电路，从而有效避免了结构层材料被氧化腐蚀。在利用标准工艺制作MEMS器件过程中，SiO2层的湿法腐蚀之前，加入一步标准光 刻步骤(涂胶、前烘、曝光、显影、后烘)。通过光刻胶这种绝缘材料，来阻断器件的结构层材 料与贵金属在HF基腐蚀液中形成原电池的电学通路。首先在器件表面旋涂一层光刻胶，使其完全覆盖贵金属层表面。所选光刻胶应不 溶于HF基腐蚀液，并能在HF基腐蚀液中附着于器件表面长时间不脱落。对该光刻胶进行等 温前烘、曝光、显影，定义出腐蚀孔，通过该孔可以使HF基腐蚀液流入而直接接触SiO2层， 使SiO2的腐蚀不受影响。然后仔细控制光刻胶的后烘条件，采用缓慢升温和自然冷却的烘胶过程，而非通 常光刻时所采取的直接等温后烘。这一步非常关键，因为缓慢升温的后烘过程可以使光刻 胶形成致密体型高分子结构，具有较低孔密度。这种致密型高分子结构能有效阻止HF基腐 蚀液渗透过胶与贵金属接触，从而抑制了 HF基腐蚀液中的阳离子在贵金属表面获得电子， 发生还原反应；同时也切断了由贵金属与结构层半导体材料相连构成的原电池在HF基腐 蚀液中的电学回路，因此避免了 MEMS器件结构层材料在HF基腐蚀液中因失电子而被氧化腐蚀，达到有效保护MEMS器件结构层材料不被电化学腐蚀的目的。另外，采用缓慢升温和自然冷却的后烘过程，还可以避免光刻胶在坚膜时形成微 裂纹，而微裂纹的形成将导致光刻胶在随后的湿法腐蚀工艺中发生分层甚至剥落现象，从 而无法起到保护作用。下面以低应力多晶硅为结构层的MEMS器件在HF基腐蚀液中湿法腐蚀SiO2为例， 对本发明大规模防止MEMS器件结构层材料被电化学腐蚀的方法进行详细说明。图1为不带金属层的MEMS器件在HF基腐蚀液中湿法腐蚀SiO2的示意图。其中， SiO2层2在HF基腐蚀液中有较快的腐蚀速率，其反应过程类似Si02+6HF — H2SiF6+2H20,其 产物H2SiF6溶于水，所以SiO2层2被腐蚀去掉。而相比较于SiO2层2，多晶硅结构层1与 HF反应极慢，通常不会对器件性能造成过大影响。在图2中，MEMS器件表面带有贵金属层3，并且其与多晶硅结构层1相连。由于在 HF基腐蚀液中贵金属材料3的标准电化学电势高于多晶硅结构层1的电化学电势，因此在 HF基腐蚀液中，相连的贵金属3与多晶硅结构层1构成原电池，作为原电池正极的多晶硅结 构层1在HF基腐蚀液中发生氧化反应而被腐蚀。其反应式为Si+2HF+ λ h+ — SiF2+2H.+ (2_ λ ) e_SiF2+2HF — SiF4+H2SiF4+2HF — H2SiF6其产物H2SiF6溶于水，多晶硅结构层1被腐蚀，生成多孔硅，导致器件性能降低甚 至失效。由图3，在SiO2层2的湿法腐蚀之前，加入一步标准光刻步骤(涂胶、前烘、曝光、 显影、后烘)。通过光刻胶4这种绝缘材料，来阻断器件的多晶硅结构层1与贵金属3在HF 基腐蚀液中形成原电池的电学回路。所选光刻胶4应不溶于HF基腐蚀液，并能在HF基腐 蚀液中附着于器件表面长时间不脱落，如AZ 6130、S 9912。首先，在器件表面旋涂一层光刻胶4，使其完全覆盖贵金属层表面。对该光刻胶进 行等温前烘、曝光、显影，定义出腐蚀孔5。通过该孔可以使HF基腐蚀液流入而直接接触 SiO2层2，使SiO2层2的腐蚀不受光刻胶覆盖层4的影响。然后采用缓慢升温和自然冷却的后烘过程，使光刻胶4形成具有较低孔密度的致 密体型高分子结构。这种致密的高分子结构有效阻止了 HF基腐蚀液渗透过光刻胶覆盖层 4与贵金属3接触，从而抑制了溶液中的阳离子在贵金属3表面获得电子而发生还原反应； 这样也就切断了由贵金属3与多晶硅结构层1相连构成的原电池在HF基腐蚀液中的电学 回路，因此避免了 MEMS器件多晶硅结构层1在HF基腐蚀液中因失电子而被氧化腐蚀，达到 了保护MEMS器件多晶硅结构层1不被电化学腐蚀的目的。图4为带贵金属层3的MEMS器件在SiO2层2的湿法腐蚀工艺中，其多晶硅结构层 1的电阻率随腐蚀时间的变化曲线图。从图中可以看出，对于不带光刻胶保护层4的MEMS 器件，其多晶硅结构层ι的电阻率随着SiO2层2的腐蚀时间的延长而显著增大，在腐蚀30 分钟后多晶硅结构层1的电阻率大于103Ω -Cm0而对于带光刻胶保护层的MEMS器件，其 多晶硅结构层1的电阻率在60分钟的SiO2层2湿法腐蚀过程中基本保持不变。SiO2层2的湿法腐蚀结束后，需去除光刻胶，来获得被保护的器件结构。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详
6细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种大规模防止MEMS器件结构层材料被电化学腐蚀的方法，其特征在于，该方法是利用光刻胶这种高分子材料来阻断器件的结构层材料与贵金属在HF基腐蚀液中形成原电池的电学通路，具体包括在SiO2层的湿法腐蚀之前，在器件表面旋涂一层光刻胶，使其完全覆盖贵金属层表面。
2.根据权利要求1所述的大规模防止MEMS器件结构层材料被电化学腐蚀的方法，其特 征在于，所述光刻胶不溶于HF基腐蚀液，并能在HF基腐蚀液中附着于器件表面不脱落至少 60分钟。
3.根据权利要求1所述的大规模防止MEMS器件结构层材料被电化学腐蚀的方法，其特 征在于，该方法在旋涂光刻胶时，进一步包括控制光刻胶的坚膜条件，采用缓慢升温和自然冷却的烘胶过程，提高光刻胶的致密性。
4.根据权利要求1所述的大规模防止MEMS器件结构层材料被电化学腐蚀的方法，其特 征在于，该方法在旋涂光刻胶后进一步包括通过光刻在光刻胶上定义出腐蚀孔，通过该腐蚀孔使HF基腐蚀液流入而直接接触SiO2层。
5.根据权利要求1所述的大规模防止MEMS器件结构层材料被电化学腐蚀的方法，其特 征在于，在SiOjM法腐蚀结束后，该方法进一步包括去除光刻胶，获得被保护的MEMS器件结构。
全文摘要
本发明公开了一种大规模防止MEMS器件结构层材料被电化学腐蚀的方法，该方法是利用光刻胶这种高分子材料来阻断器件的结构层材料与贵金属在HF基腐蚀液中形成原电池的电学通路，具体包括在SiO2层的湿法腐蚀之前，在器件表面旋涂一层光刻胶，使其完全覆盖贵金属层表面。利用本发明，使光刻胶形成具有较低孔密度的致密体型高分子结构，阻断贵金属与结构层材料在HF基腐蚀液中的原电池电路，从而有效避免了结构层材料被氧化腐蚀。该方法仅在标准MEMS器件加工工艺中增加一步标准光刻步骤，就可以有效避免因结构层材料被电化学腐蚀而造成的器件性能下降，且工艺实施简单，同IC工艺相兼容，利于器件的批量化生产。
文档编号B81C1/00GK101905857SQ201010235859
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者刘云飞, 杨富华, 杨晋玲, 解婧 申请人:中国科学院半导体研究所