专利名称：硅微机械结构的预埋掩模湿法腐蚀工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机械加工领域，具体涉及一种硅微机械结构的湿法腐蚀工艺。
背景技术：
硅的各向异性湿法腐蚀技术具有良好的方向选择性，已经成为硅微机械加工的重要手段之一，并且以其工艺简单、成本低、可靠性高、适合于器件批量生产等优点已经被广泛应用于硅微机械结构的制作。在对单晶硅进行各向异性湿法腐蚀时，需要在硅片表面制作一层掩模层，掩模图形的生成通常依靠涂胶_光刻_显影_刻蚀完成。为了利用湿法腐蚀技术得到一些复杂的硅微机械结构，通常还需要在腐蚀过程中改变掩模的图形，目前的主要实现方法是中断腐蚀，重新通过在硅片表面进行涂胶_光刻_显影_刻蚀工艺，完成掩模图形的更改。然而在实际操作过程中存在一些问题，例如(1)如图1所示，硅片经过一段时间的腐蚀，硅片表面已经形成很多凹槽，采用旋涂的方法在这种表面涂胶的均勻性很差，不能满足光刻的要求，无法完成图形的精确转移，喷涂能够在凹凸不平的表面涂胶，但喷涂设备昂贵，而且喷涂胶层的厚度均勻性不如旋涂胶层，影响光刻精度；(2)如图2所示，当硅片表面已经腐蚀形成一些很薄的薄膜结构时，再对硅片进行涂胶和光刻工艺，真空吸片很容易破坏这些薄膜结构，从而损坏器件，图中虚线部分为吸片后薄膜结构变形时的形状。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种无需腐蚀后再涂胶光刻，且不会使硅微机械结构产生机械损坏的预埋掩模湿法腐蚀工艺，从而可利用单晶硅各向异性湿法腐蚀工艺制作一些特殊的有用的硅微机械结构。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案 一种硅微机械结构的预埋掩模湿法腐蚀工艺，包括以下步骤
(1)制备SiO2薄膜层以特定晶向的硅片作为硅微机械结构的基底，并在所述硅片的正、反面均生成厚度为Dtl的SiO2薄膜层；优选地，所述硅片为双面抛光且低电阻率的N型 (100)或(110)硅片；所述SiO2薄膜层通过在硅片表面进行热氧化工艺生成；
(2)制备掩模图形先对所述硅片的正面进行光刻，然后保护反面并对正面的SiO2薄膜层进行刻蚀，刻蚀厚度为Dtl，在正面形成初始掩模图形；再对硅片的反面进行光刻，然后保护正面并对反面的3102薄膜层进行刻蚀，刻蚀厚度为DnD^ Dtl，在反面形成预埋掩模图形；
或者，先对所述硅片的反面进行光刻，然后保护正面并对硅片反面的SiO2薄膜层进行刻蚀，刻蚀厚度为D1, D^ Dtl，在反面形成预埋掩模图形；再对所述硅片的正面进行光刻，然后保护反面并对硅片正面的SiO2薄膜层进行刻蚀，刻蚀厚度为Dtl，在正面形成初始掩模图形；
或者，先对所述硅片的正、反面同时进行光刻，然后对硅片正、反面的SiO2薄膜层同时进行刻蚀，刻蚀厚度为Dtl，在正、反面均形成初始掩模图形；然后在所述硅片的正、反面同时旋涂光刻胶保护层，并在正、反面上初始掩模图形外的其他区域继续进行二次光刻，再对二次光刻后的SiO2薄膜层进行二次刻蚀，刻蚀厚度为DnD^ Dtl，在正、反面均形成预埋掩模图形；
或者，先对所述硅片的正、反面同时进行光刻，然后对硅片正、反面的SiO2薄膜层同时进行刻蚀，刻蚀厚度为DpD^ Dtl，在正、反面均形成预埋掩模图形；然后在所述硅片的正、反面同时旋涂光刻胶保护层，并在正、反面上预埋掩模图形外的其他区域继续进行二次光刻， 再对二次光刻后的S^2薄膜层进行二次刻蚀，刻蚀厚度为Dtl，在正、反面均形成初始掩模图形；
本步骤中，在形成初始掩模图形的过程中，SiO2薄膜层被刻蚀穿透，因此，在硅片各向异性湿法腐蚀的最初阶段，预埋掩模图形会转移到硅片表面；在形成预埋掩模图形的过程中，并未刻蚀穿透S^2薄膜层，因此，在后续的硅片的初次各向异性湿法腐蚀阶段，预埋掩模图形不会转移到硅片表面；
(3)初次湿法腐蚀在碱性腐蚀溶液中，根据形成的初始掩模图形，对上述步骤(2)后的硅片进行各向异性湿法腐蚀，待腐蚀深度达到预设值(根据具体结构的需要设定)，停止腐蚀，形成硅片的腐蚀槽，同时成型出薄膜结构；
(4)开启预埋掩模图形对上述步骤(3)后硅片正、反面的SiO2薄膜层进行刻蚀，刻蚀厚度为D2, D2=D0 - D1,使所述SW2薄膜层上形成的预埋掩模图形在硅片表面开启；在开启预埋掩模图形的过程中，会使得硅片正、反面的S^2薄膜层的厚度减薄；
(5)再次湿法腐蚀在碱性腐蚀溶液中，利用已经形成的腐蚀槽和已经开启的预埋掩模图形继续对硅片进行各向异性腐蚀，待硅片腐蚀达到预设值时，停止腐蚀，去除硅片表面的 SiO2薄膜层，完成硅微机械结构的制作。本发明在开始腐蚀之前通过光刻技术，在硅片表面的掩模层上制作多层的掩模图形(初始掩模图形和预埋掩模图形)，并在湿法腐蚀进程中，逐个打开这些掩模图形，从而制作得到一些特殊的有用的硅微机械结构。作为对上述技术方案的进一步优化，所述SW2薄膜层通过在硅片表面进行热氧化工艺生成。上述的湿法腐蚀工艺中，D0和D1的选择应当综合考虑步骤(4)和步骤(5)中的腐蚀深度以及各向异性湿法腐蚀的工艺参数确定，以确保掩模图形不被各向异性湿法腐蚀溶液破坏，因而，优选地，5000 A ^ D0 ^ 10000 A ；更进一步地，1000 A ^ D1 ^ 3500 Ao上述的湿法腐蚀工艺中，优选地，所述各向异性腐蚀溶液为四甲基氢氧化铵溶液 (TMAH)；
上述的湿法腐蚀工艺中，优选地，所述的对SiO2薄膜层进行刻蚀均是在缓冲氢氟酸 (BHF)溶液中进行的。与现有技术相比，本发明具有以下优点
(1)本发明能够将一套掩模图形存储在硅片表面的掩模层上，并能够在各向异性湿法腐蚀过程中随时调取该掩模图形，从而避免了对已腐蚀硅片进行涂胶和光刻工艺面临的难题，提供了一种在硅片上制作多层微机械结构的新方法；
(2)本发明的两次光刻工艺是连续的，两次光刻之间也没有插入各向异性腐蚀工艺；光刻后的各向异性腐蚀(初始掩模腐蚀和预埋掩模腐蚀)也是连续的，中间也没有插入光刻工艺，因此，避免了光刻工艺和腐蚀工艺的交叉进行，不仅能有效抑制结构的机械损伤，而且无需在对硅片首次腐蚀在硅片表面形成凹槽后，再对硅片涂胶光刻，以避免图形不能精准转移；
(3)本发明制作工艺简单，仅采用了常规的光刻工艺和各向异性湿法腐蚀工艺，对工艺设备要求较低、简便易行，降低了产品成本，提高了成品率。
图1是现有技术中的湿法腐蚀工艺在已腐蚀形成凹槽的硅片表面涂胶后的状态示意图2是现有技术中的湿法腐蚀工艺在已腐蚀形成薄膜结构的硅片表面进行光刻工艺时的状态示意图3是本发明实施例1中制得的硅微机械结构(用于微环境下的微热板)的立体结构示意图4是图3中A—A向的剖视图5是本发明实施例1中的硅片表面生成SiO2薄膜层的示意图； 图6是本发明实施例1中对硅片反面光刻，在SiO2薄膜层上形成光刻胶初始掩模图形的示意图7是本发明实施例1中对硅片反面的SiO2薄膜层刻蚀，在硅片反面得到初始掩模图形的示意图8是本发明实施例1中对硅片正面光刻，在SiO2薄膜层上形成光刻胶预埋掩模图形的示意图9是本发明实施例1中对硅片正面的SiO2薄膜层刻蚀，得到预埋掩模图形的示意
图10是本发明实施例1中去除硅片表面的光刻胶层后，得到初始掩模图形和预埋掩模图形的示意图11是本发明实施例1中反面腐蚀，形成反面腐蚀槽的示意图； 图12是本发明实施例1中刻蚀SiO2薄膜层，开启预埋掩模图形后(形成厚度减薄的腐蚀掩模)的示意图13是本发明实施例1中对硅片双面腐蚀后的示意图； 图14是本发明实施例1中去除SiO2薄膜层后形成硅微机械结构的示意图； 图15是本发明实施例2制得的悬臂梁硅微机械结构的立体示意图； 图16是图15中B — B向的剖视图； 图17是本发明实施例2中的双面抛光的硅片的示意图； 图18是本发明实施例2中的硅片表面生成SiO2薄膜层的示意图； 图19是本发明实施例2中对硅片双面对准光刻，在硅片的正、反面的SiO2薄膜层上形成光刻胶初始掩模图形的示意图20是本发明实施例2中对SiO2薄膜层刻蚀，在硅片的正、反面得到初始掩模图形的示意图21是本发明实施例2中对硅片双面对准光刻，在硅片的正、反面的SiO2薄膜层上形成光刻胶预埋掩模图形的示意图22是本发明实施例2中对硅片正、反面的S^2薄膜层刻蚀，去除光刻胶保护层后得到预埋掩模图形的示意图23是本发明实施例2中对硅片双面腐蚀至预定深度，形成正、反面的腐蚀槽的示意
图M是本发明实施例2中刻蚀硅片正、反面的SiO2薄膜层，开启预埋掩模图形后(形成厚度减薄的腐蚀掩模)的示意图25是本发明实施例2中的硅片双面腐蚀至贯穿后的示意图； 图26是本发明实施例2中的去除S^2薄膜层后形成硅微机械结构的示意图。图例说明
1、基底；2、SiO2薄膜层；21、初始掩模图形；22、预埋掩模图形；23、厚度减薄的腐蚀掩模；3、光刻胶初始掩模图形；4、光刻胶保护层；5、光刻胶预埋掩模图形；6、腐蚀槽；7、底部薄膜结构；8、中心加热板；9、蟹形梁；10、支撑基体；11、悬臂梁；12、中心惯性质量块；13、 底面；14、侧面。
具体实施例方式下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步的说明。实施例1
如图5 图14所示，利用本发明的硅微机械结构的预埋掩模湿法腐蚀工艺，制备一种用于微环境下的微热板，具体包括以下步骤
(1)制备SiO2薄膜层如图5所示，选取N型双面抛光、电阻率为0.08Ω· cm 0. 15Ω · cm、厚度为600 μ m的(100)硅片作为硅微机械结构的基底1，在热氧化炉中，通过热氧化工艺在硅片的正、反面生成厚度为Dcl=TOOO A的SiA薄膜层2 ；
(2)制备掩模图形如图6所示，在硅片反面均勻旋涂光刻胶(光刻胶为正型光刻胶，调节旋涂转速为3500r/min)，先对硅片的反面进行光刻，在紫外光刻机下曝光后将硅片浸入显影液中，显影完毕后取出硅片，烘干，在硅片反面得到光刻胶初始掩模图形3;然后，如图 7所示，在硅片的正面旋涂光刻胶保护层4，在BHF溶液中利用光刻胶初始掩模图形3对硅片反面的S^2薄膜层2进行刻蚀，刻蚀厚度为Dtl，在硅片反面形成初始掩模图形21 ；然后， 如图8所示，利用双面对准光刻工艺对硅片的正面进行光刻，曝光、显影后在硅片正面得到光刻胶预埋掩模图形5 ；然后，如图9所示，在反面重新旋涂光刻胶保护层4，在BHF溶液中利用光刻胶预埋掩模图形5对硅片正面的S^2薄膜层2进行刻蚀，刻蚀厚度为D1=SOOO A (DZ Dtl),在硅片正面形成预埋掩模图形22 ；最后，将硅片浸入丙酮溶液中，去除硅片表面的光刻胶，在硅片的正、反面分别得到如图10所示的预埋掩模图形22和初始掩模图形21 ；
(3)初次湿法腐蚀如图11所示，根据初始掩模图形21，在质量浓度为25%(15% 40% 均可)、温度为85°C (70°C 90°C均可)的TMAH中对硅片进行各向异性腐蚀，待腐蚀深度达到预定值540μπι时，停止腐蚀，在硅片反面形成由(100)晶面的底面13和(111)晶面的侧面14构成的腐蚀槽6，同时成型出底部薄膜结构7 (其厚度为60 μ m)；
(4)开启预埋掩模图形如图12所示，将上述经湿法腐蚀后的硅片置入BHF溶液中对硅片正、反面的Sio2薄膜层2进行刻蚀，刻蚀深度为d2=4ooo Acd2= d0 — d1 =7000 A — 3000A =4000 A)，使得预埋掩模图形22暴露于硅片表面，预埋掩模图形22被开启(即硅片正、反面的SW2薄膜层2的厚度减薄，在硅片的正、反面均形成厚度减薄的腐蚀掩模23)；
(5)再次湿法腐蚀如图13所示，根据已经形成的腐蚀槽6和已经开启的预埋掩模图形 (也即利用硅片正、反面的厚度减薄的腐蚀掩模23)，在质量浓度为25% (15% 40%均可)、 温度为85°C (70°C 90°C均可)的TMAH中对形成有底部薄膜结构7的硅片进行各向异性湿法腐蚀(双面腐蚀，反面腐蚀使底部薄膜结构7减薄为30 μ m，正面腐蚀对硅微机械结构进行释放)；最后，如图14所示，在BHF溶液中去除硅片正、反面的厚度减薄的腐蚀掩模23 (即剩余的S^2薄膜层)，完成硅微机械结构的预埋掩模湿法腐蚀工艺。通过上述的步骤制得的用于微环境下的微热板，如图3和图4所示，该微热板包括一支撑基体10，支撑基体10的长度和宽度相等，都为800 μ m，支撑基体10的厚度即为硅片的厚度600 μ m,支撑基体10的正面设有四根镂空的蟹形梁9，四根蟹形梁9共同包围后在中心形成有一类似正方形的中心加热板8，每根蟹形梁9的长度为250 μ m,宽度为45 μ m，厚度为30 μ m,中心加热板8的长度和宽度相等均为220 μ m,厚度为30 μ m。实施例2:
利用本发明的硅微机械结构的预埋掩模湿法腐蚀工艺，制备一种单悬臂梁-质量块微机械结构，如图17 图沈所示，包括以下步骤
(1)制备SiO2薄膜层如图17和18所示，选取N型双面抛光、电阻率为0.08Ω^cm 0. 15Ω · cm、厚度为200 μ m的(100)硅片作为硅微机械结构的基底1，在热氧化炉中，对硅片表面进行热氧化工艺，在硅片的正、反面生成厚度为^=7000 A的SiA薄膜层2 ；
(2)制备掩模图形如图19所示，在硅片的正、反面均勻旋涂光刻胶，利用双面对准光刻工艺对硅片的正、反面进行光刻，曝光后，将硅片浸入显影液中，显影完毕后取出硅片，烘干，在硅片的正、反面均得到光刻胶初始掩模图形3;然后，如图20所示，在BHF溶液中利用光刻胶初始掩模图形3对硅片正、反面的S^2薄膜层2同时进行刻蚀，刻蚀厚度为Dtl，在硅片的正、反面均形成初始掩模图形21 ；然后，如图21所示，在硅片的正、反面重新旋涂光刻胶，并在硅片正、反面上初始掩模图形21外的其他区域继续进行二次光刻，在硅片的正、反面均得到光刻胶预埋掩模图形5 ；最后，如图22所示，在BHF溶液中利用光刻胶预埋掩模图形5对硅片正、反面的二次光刻后的S^2薄膜层2进行二次刻蚀，刻蚀厚度为D1=SOOO A (DZ Dtl),在硅片正、反面均形成预埋掩模图形22;
(3)初次湿法腐蚀如图23所示，根据硅片正、反面得到的初始掩模图形21，在质量浓度为25%( 15% 40%均可)、温度为85°C(70°C 90°C均可)的TMAH溶液中对硅片进行各向异性腐蚀，待腐蚀深度达到预定值180 μ m时，停止腐蚀，在硅片的正、反面均形成由(100) 晶面的底面13和(111)晶面的侧面14构成的腐蚀槽6，同时成型出底部薄膜结构7 (厚度为 20μπι)；
(4)开启预埋掩模图形如图M所示，将上述经湿法腐蚀后的硅片置入BHF溶液中对硅片正、反面的SW2薄膜层2进行刻蚀，刻蚀深度为D2=4000 A (D2= D0 - D1=TOOO A - 3000 A =4000 A)，使得预埋掩模图形22暴露于硅片表面，预埋掩模图形22被开启(即硅片正、反面的SiA薄膜层2的厚度减薄，在硅片的正、反面均形成厚度减薄的腐蚀掩模23)；
(5)再次湿法腐蚀如图25所示，根据已经形成的腐蚀槽6和已经开启的预埋掩模图形 (也即利用硅片正、反面的厚度减薄的腐蚀掩模23)，在质量浓度为25% (15% 40%均可)、温度为85°C (70°C 90°C均可)的TMAH溶液中对形成底部薄膜结构7的硅片进行各向异性湿法腐蚀(双面腐蚀，即根据开启的预埋掩模图形22和已经形成的腐蚀槽6对硅片腐蚀释放硅微机械结构)，直到硅片贯穿；最后，如图26所示，在BHF溶液中去除硅片表面的厚度减薄的腐蚀掩模23 (即剩余的SiO2薄膜层)，完成硅微机械结构的预埋掩模湿法腐蚀工艺。通过上述的工艺步骤制得的单悬臂梁-质量块微机械结构，如15和16所示，该单悬臂梁-质量块微机械结构包括一支撑基体10，其厚度为200 μ m，支撑基体10通过一悬臂梁11与中心悬空的中心惯性质量块12相连，悬臂梁11的长度为1800 μ m，宽度为90 μ m， 厚度为200 μ m,中心惯性质量块12的长度为2500 μ m,宽度为2500 μ m,厚度为200 μ m。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，均应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种硅微机械结构的预埋掩模湿法腐蚀工艺，其特征在于，包括以下步骤(1)制备二氧化硅薄膜层以特定晶向的硅片作为硅微机械结构的基底，并在所述硅片的正、反面均生成厚度为Dtl的二氧化硅薄膜层；(2)制备掩模图形先对所述硅片的正面进行光刻，然后保护反面并对正面的二氧化硅薄膜层进行刻蚀，刻蚀厚度为Dtl，在正面形成初始掩模图形；再对硅片的反面进行光刻，然后保护正面并对反面的二氧化硅薄膜层进行刻蚀，刻蚀厚度为D1, D^ Dtl，在反面形成预埋掩模图形；或者，先对所述硅片的反面进行光刻，然后保护正面并对硅片反面的二氧化硅薄膜层进行刻蚀，刻蚀厚度为D1, D^ Dtl，在反面形成预埋掩模图形；再对所述硅片的正面进行光刻，然后保护反面并对硅片正面的二氧化硅薄膜层进行刻蚀，刻蚀厚度为Dtl，在正面形成初始掩模图形；或者，先对所述硅片的正、反面同时进行光刻，然后对硅片正、反面的二氧化硅薄膜层同时进行刻蚀，刻蚀厚度为Dtl，在正、反面均形成初始掩模图形；然后在所述硅片的正、反面同时旋涂光刻胶保护层，并在正、反面上初始掩模图形外的其他区域继续进行二次光刻，再对二次光刻后的二氧化硅薄膜层进行二次刻蚀，刻蚀厚度为D1, D^ Dtl，在正、反面均形成预埋掩模图形；或者，先对所述硅片的正、反面同时进行光刻，然后对硅片正、反面的二氧化硅薄膜层同时进行刻蚀，刻蚀厚度为D1, D^ Dtl，在正、反面均形成预埋掩模图形；然后在所述硅片的正、反面同时旋涂光刻胶保护层，并在正、反面上预埋掩模图形外的其他区域继续进行二次光刻，再对二次光刻后的二氧化硅薄膜层进行二次刻蚀，刻蚀厚度为Dtl，在正、反面均形成初始掩模图形；(3)初次湿法腐蚀在碱性腐蚀溶液中，根据形成的初始掩模图形，对上述步骤(2)后的硅片进行各向异性湿法腐蚀，待腐蚀深度达到预设值，停止腐蚀，形成硅片的腐蚀槽，同时成型出薄膜结构；(4)开启预埋掩模图形对上述步骤(3)后硅片正、反面的二氧化硅薄膜层进行刻蚀， 刻蚀厚度为D2, D2= D0 - D1，使所述二氧化硅薄膜层上形成的预埋掩模图形在硅片表面开启；(5 )再次湿法腐蚀在碱性腐蚀溶液中，利用已经形成的腐蚀槽和已经开启的预埋掩模图形继续对硅片进行各向异性腐蚀，待硅片腐蚀达到预设值时，停止腐蚀，去除硅片表面的二氧化硅薄膜层，完成硅微机械结构的制作。
2.根据权利要求1所述的预埋掩模湿法腐蚀工艺，其特征在于所述硅片为双面抛光且低电阻率的N型(100)或(110)硅片。
3.根据权利要求1所述的预埋掩模湿法腐蚀工艺，其特征在于所述二氧化硅掩模层通过在硅片表面进行热氧化工艺生成。
4.根据权利要求1或2或3所述的预埋掩模湿法腐蚀工艺，其特征在于所述Dtl的取值范围控制在5000 A ^ D0 ^ 10000 A0
5.根据权利要求4所述的预埋掩模湿法腐蚀工艺，其特征在于所述D1的取值范围控制在 1000 A 彡 D1 彡 3500 A。
6.根据权利要求1或2或3所述的预埋掩模湿法腐蚀工艺，其特征在于所述碱性腐蚀溶液为四甲基氢氧化铵溶液。
7.根据权利要求1或2或3所述的预埋掩模湿法腐蚀工艺，其特征在于所述的对二氧化硅薄膜层进行刻蚀均是在缓冲氢氟酸溶液中进行的。
全文摘要
本发明公开了一种硅微机械结构的预埋掩模湿法腐蚀工艺，包括制备二氧化硅薄膜层、制备掩模图形(初始掩模图形和预埋掩模图形)、初次湿法腐蚀、开启预埋掩模图形和再次湿法腐蚀等工艺步骤，本发明能够将一套掩模图形存储在硅片表面的掩模层上，并能够在各向异性湿法腐蚀过程中随时调取该掩模图形，从而避免了对已腐蚀硅片进行涂胶和光刻工艺面临的难题，提供了一种在硅片上制作多层微机械结构的新方法。
文档编号B81C1/00GK102275868SQ20111023245
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者侯占强, 刘学, 吴学忠, 周泽龙, 张勇猛, 张旭, 肖定邦, 胡小平, 陈志华 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学