一种基于三明治结构的柔性硅薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子机械系统(MEMS:micro-electro-mechanical systems)的制备技术领域，涉及一种三明治结构的柔性硅薄膜及其制备方法，是两层杨氏模量相对于硅材料小很多的有机聚合物膜中间夹一层单晶硅膜从而形成易于大幅度机械变形的三明治结构薄膜及其微加工制备方法，适用于柔性电子技术。
【背景技术】
[0002]MEMS是微电子技术与机械和光学等技术结合的产物，是IC工艺技术的拓展和延伸，实现了多种非硅材料的集成化制造，是微电子技术应用的新突破。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的新兴技术，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学等，在经济社会的多方面如国防、航空航天、医疗、信息通信、汽车等领域都具有应用前景，因而倍受人们的关注，并得到了迅速的发展。
[0003]柔性电子技术，即利用MEMS加工手段，将光学、电子器件制作于可大幅度机械变形而无损器件功能的柔性衬底上。由于在柔性图像阵列、太阳能电池、人体健康监测、人造皮肤、视网膜植入等方面的应用潜力，柔性电子技术引起了人们越来越多的研究兴趣。衬底的机械柔性是这一技术的关键属性。目前，多数柔性电子技术是将器件(乃至于有机半导体器件)通过转印或无源器件的直接图形化方法制作于有机聚合物材料衬底上，比如聚酰亚胺(polyimide)、聚对二甲笨(parylene)、娃树脂(silicone)等。然而,这类柔性电子技术信息处理速度慢；有机材料熔点低，不适用于传统的高性能电子器件的制备；一些高温材料也不能直接制备于其上，从而影响一些高性能传感器件的制备和利用。因而，在开发柔性电子技术的研究工作中，作为电子技术标准材料的硅重新引起人们的注意。硅的体材料虽然通常被认为是硬、脆的材料，但减薄至微米以至纳米量级的硅，其由于弯曲变形引起的表面应力可以大幅减小，从而可以轻易的实现机械变形而无断裂现象的发生，而且这样的薄膜仍保有单晶硅的特性，从而为得到高性能柔性电子器件、电路提供极有吸引力的柔性平台。张沧海等人(Chinese Physics Letters, Vol.30 (8), 2013, pp.086201)利用背面刻蚀绝缘体上娃(SO1: Silicon on Insulator)晶圆片得到了柔性衬底，S.Mack等人(Applied Physics Letters, 88, 2006, pp.213101)在娃(111)片的正面刻蚀出沟槽后用各向异性腐蚀硅的方法得到了柔性的硅带，但这些与传统的硅(100)片相比，成本较高。Sally M Ahmed 等人(IEEE 27th Internat1nal Conference on Micro ElectroMechanical Systems (MEMS), 2014, pp.548-551)利用娃(100)片在正面先深娃刻蚀形成亥IJ蚀孔阵列后，再各向异性干法刻蚀得到了柔性硅膜，不过这种方法由于要在硅片上先做出刻蚀孔，占用了硅片的面积，影响了硅片表面的利用效率，阻碍了器件电路在硅片上的设计灵活性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有柔性衬底的不足而提供的一种三明治结构的柔性硅薄膜及其制备方法，该硅薄膜结构没有【背景技术】中的缺点，通过保护膜沉积、湿法刻蚀、聚合物的涂覆等工艺形成柔性三明治结构薄膜，既保持了硅单晶的特点，又增加硅薄膜抗外界环境腐蚀的能力，还大大简化了柔性衬底的制造工艺。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
一种基于三明治结构的柔性硅薄膜，特点是该薄膜具有聚合物膜-保护膜-单晶硅膜-聚合物膜结构。
[0006]单晶硅膜选用各种晶向的硅片进行全硅片的背刻蚀得到，这增加了柔性三明治结构薄膜的应用范围。保护膜可用溅射的铬(Cr)、铜(Cu)或Si02/Si3N4复合膜，单独的S12难以用于碱性溶液中长时间的刻蚀硅片的保护，单独的Si3N4膜有大的张应力，当硅片减薄到50 μ m以下时会引起硅片的破裂，且与硅的热失配系数大易造成硅片上Si3N4膜的断裂和剥落，故在硅片和Si3N4之间加入具有压应力的S12膜用于应力的缓冲，这需要Si02/Si3N4复合层中的S1jP Si3N4两者的厚度比为10:2到10:5，以降低复合保护膜的内应力。最外层的聚合物膜3和3’可以是SU-8胶、聚酰亚胺或聚对二甲苯(Parylene)。
[0007]—种用薄膜沉积、湿法刻蚀硅、涂覆聚合物工艺制备基于单晶硅膜的柔性三明治结构薄膜的方法，该方法包括以下具体步骤:
第一步以单晶硅片作基础，其正面可以是已制备了电子器件的，用传统方法清洗和烘干硅片；
第二步在经第一步处理的硅片上沉积保护膜，保护膜为Cr、Cu或Si02/Si3N4复合层，厚度为100~1500nm ;采用Si02/Si3N4复合层时，先沉积S12、后沉积Si3N4，两者的厚度比为10:2到10:5，以降低复合保护膜的内应力；
第三步在硅片的背面上重复第二步工艺；
第四步将硅片背面的保护膜涂光刻胶并光刻图形化后，刻蚀掉背面保护膜的中间部分，形成环状边缘保护膜，然后去掉光刻胶；
第五步将沉积有保护膜的硅片置于碱性溶液中进行湿法腐蚀，减薄至5~50μπι;碱性溶液是KOH水溶液(质量浓度20~50%、温度50~100°C )或四甲基氢氧化氨(TMAH:tetramethyl ammonium hydroxide)水溶液(质量浓度 0.5~30%、温度 50~100°C ),溶液中可分别加入异丙醇(IPA:1sopropanol)、(NH4)2S2O8以提高刻蚀面的平整性；或者略去第三、四步，将硅片用AMMT’ s夹具夹持，背面朝外，用上述刻蚀剂刻蚀至硅片厚度为60~200μπι时，去掉夹具继续刻蚀至5~50 μ m ;两种方法都可以得到较厚的环形外框，以对减薄后的硅膜起支撑作用，方便后续的工艺操作；
第六步先后在减薄后的硅片背面和正面涂覆聚合物膜，聚合物是SU-8胶、聚酰亚胺或聚对二甲苯(Parylene),厚度1~80 μ m ;
第七步最后将硅片较厚的环形外框切割掉。
[0008]本发明有以下突出效果:
(I)以单晶硅膜为核心的三明治结构薄膜，外层的聚合物膜对中间的硅膜既起保护作用以避免制作到其上的电子器件受到外界环境的腐蚀，又能增加基于三明治结构的硅薄膜的柔性；
⑵以单晶硅片为基础减薄可以得到单晶薄膜硅，在其上制作得到的电子器件性能闻; (3)以单晶硅片为基础进行背面大面积的刻蚀减薄，不强调硅的各向异性刻蚀特性的应用，因而适用于多种晶面的硅片，增加了选择性，尤其是适用于(100)晶面的硅片，有利于降低成本和提高器件性能；
⑷以硅片为基础，有利于在其上面制作需要高温过程实现的高性能的器件；
(5)由于硅片表面可以预先制备电子器件，后续的柔性薄膜制备工艺过程因而可以与许多微电子工艺乃至MEMS