[发明专利]一种硅微通道结构的自分离制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅微通道结构的自分离制作方法，具体涉及一种制作高深宽比的硅微通道方法，属于微机电系统技术(MEMS)领域。

背景技术

在微流体、微通道以及三维集成电路等方面的器件制造中，常需要制作晶片的深孔结构。因此，如何获得陡直的深孔结构成为微机电工艺中的焦点之一。为了获得比较陡直的结构，现有技术一般有以下几种：

一、干法工艺(深反应离子刻蚀等)。这些方法在制作诸如陀螺，加速度传感器等力学量的传感器取得了成功。但是仍存在诸多缺陷，比如：1、深反应离子刻蚀设备非常昂贵，其维护和使用的费用也非常高；2、由于掩膜层等诸多因素的限制，深宽比要想突破50已经是非常困难。最近，随着感应耦合等离子体刻蚀技术的进步，极限深宽比已经可以达到60以上，但设备以及运行成本非常高，工艺控制也非常苛刻。

二、湿法深刻蚀技术(又称宏多孔硅macroporous silicon)。它的工作原理是利用多孔硅的阳极氧化主要由空穴参与这一特点，利用MEMS工艺，通过掩膜，定义阱或孔的位置，利用硅的各向异性腐蚀，形成倒金字塔形凹坑，由于尖端放电的原因，凹坑的底部是空穴密度最高的地方，因而也是腐蚀最容易发生的地方，空穴可以利用光照或电注入等手段产生。通过该方法可以达到控制孔沿衬底的定向腐蚀。与DRIE技术相比，该方法在设备投资、使用的灵活性和运行费用上都有很大的提高，并可以达到很高的深宽比。但是，当所需要的孔的尺寸较大时，太大的腐蚀电流将会破坏原来设计的结构。

以前制作硅的微通道结构，通常需要两部分工艺，一步为正面微通道的刻蚀，而另外一步必须考虑背面的腐蚀，才可以获得上下贯通的微通道。由于背面减薄时，背面极易遭到破坏，使得过程控制非常复杂。本发明通过对制作过程(腐蚀液，电化学过程等因素)进行改进，使得在完成阳极氧化过程后，微通道板结构可以自动从原来的硅片上分离下来。

发明内容

本发明提供一种硅微通道板的自分离制作方法，以解决现有技术在背面减薄工艺中，容易破坏背面的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

利用光刻的办法，先定义孔的位置，再进行预腐蚀，当孔呈倒金字塔结构时停止腐蚀；随后进行电化学深刻蚀，沿着的四个倒金字塔顶角向下刻蚀一定深度，形成小孔的微通道结构；由于微通道板和硅衬底存在应力，可以将微通道板从硅衬底上剥离下来，从而获得大孔硅微通道结构。

其具体制作步骤为：

1、预处理

即为电化学刻蚀定义起始点，包括

(1)选取于(100)晶向成斜7度的p型硅片；

(2)表面氧化或淀积掩膜；

(3)光刻定义硅片孔的位置；

(4)取出清洗，去除掩膜，使用缓冲氢氟酸(BOE)，在37℃的条件下腐蚀1～5分钟，再使用氢氧化钾(KOH，浓度温度40wt％@80℃)或四甲基氢氧化胺(TMAH浓度温度25wt％@85℃)溶液预腐蚀处理1～3分钟，形成倒金字塔结构时，停止腐蚀，用去离子水冲洗硅片并烘干。

2、电化学过程

即在需要刻蚀的结构四周形成深槽结构，它包括：

将已形成倒金字塔结构的p型硅进行阳极氧化。阳极氧化溶液：用40％的氢氟酸(HF)和水配成1mol/l～6mol/l的溶液，再和四甲基甲酰胺(DMF)按1∶1的比例混和，加入活性剂后，加入盐酸(HCl)，调节PH到1～4，其阳极氧化电流控制在0.5mA～10mA/cm²之间，腐蚀在0℃～25℃温度之间进行，腐蚀2～20小时，腐蚀的平均速率为15～40μm/h，使腐蚀沿着倒金字塔的四个顶角向下刻蚀一定深度，形成小孔的微通道结构。

3、剥离

在上述工艺过程结束时采用大电流冲击，然后使用去离子水缓慢冲洗，可以实现微通道层的直接脱离浮起。由于微通道板的特殊结构和微通道板与硅衬底之间的应力，可以将微通道板从硅衬底上剥离下来。

自剥离的另一种方式是将载有腐蚀结构的硅片放到热台(大于等于110℃)进行短暂加热，再缓慢用去离子水冲洗分离。

步骤1中所述的掩模，可选用不同的方法形成：可采用热氧化形成SiO₂作为掩模，也可用LPCVD形成SiO₂作为掩模。

在电化学刻蚀过程中，为了使背面具有良好的导电性，容易与背面电极形成欧姆接触，背面可先通过扩散或离子注入的办法来降低电阻率，均匀阳极氧化电流。