[发明专利]用于MEMS微机械加工的多层绝缘体上的硅材料及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于MEMS微机械加工的多层SOI(绝缘体上硅)材料及方法，属于SOI材料领域。

背景技术

由于体硅材料自身的局限性，SOI材料已经成为在MEMS领域硅材料最有力的候选和替代之一。在SOI结构中，单晶硅薄膜与单晶硅衬底之间通过绝缘埋层加以隔离，埋层的存在之于MEMS工艺应用体现出诸多优点：作为硅的各向异性刻蚀中的腐蚀停止层，二氧化硅和氮化硅对于KOH和四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀液都能非常好的自停止腐蚀，和电化学自停腐蚀相比硅片不需要电连接，而且能够批量生产；二氧化硅在进行表面微机械加工时可以作为牺牲层；有二氧化硅用来做电介质绝缘，因此这种晶片漏电流低，在高温下应用可以达到400℃。SOI的顶层硅具有单晶质量，具有优异的力学性质如屈服强度高、残余应力小以及抗疲劳性好等。SOI圆片制备的微机械系统还非常有利于实现与CMOS电路集成，这是MEMS最重要的一个发展方向，也是近年来高性能的SOI基MEMS受到越来越多的关注和研究的原因。从整个系统的角度来说，SOI材料所带来的工艺稳定性也是体硅材料所不可比拟的，因此采用SOI晶片制备的MEMS产品良品率较之体硅上的同类产品也会有显著的提高。

尽管如此，在许多应用领域，SOI之于MEMS的诸多优势依然不能完全的得到体现和发挥。本发明的目的就是提出一种更有利于MEMS器件实现的多埋层SOI材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种本发明用于MEMS微机械加工的多层SOI材料及方法，可将方便地用于MEMS复杂结构和器件加工的多层SOI衬底材料，在单片衬底上充分的发挥传统单层SOI用于MEMS的各种优点，达到提高MEMS器件的良品率，拓展SOI-MEMS的应用范围的目的。

本发明所涉及的用于MEMS器件的多层SOI材料，包括两层、三层或多层绝缘介质，由这些绝缘介质所隔离开来不同层的单晶硅，在MEMS器件的结构中起到不同的作用，而不同的绝缘介质也可以在器件加工过程和器件工作时起到不同的功能，如作为电学隔离层、腐蚀停止层或者牺牲层，从而使一些特定的MEMS结构和器件实现起来更为方便，可靠性和长期稳定性也得到提高。本发明所涉及的多层SOI结构其特征在于：具有单晶硅-绝缘埋层-单晶硅-绝缘埋层-单晶硅相叠分布的双埋层结构的SOI材料或单晶硅-绝缘埋层-单晶硅-绝缘埋层-单晶硅-绝缘埋层-单晶硅的三埋层结构的SOI材料以及更多叠加层的复合结构。所述的绝缘埋层包括二氧化硅、氮化硅或二氧化硅和氮化硅的复合埋层，整个复合材料中所有的埋层为同一种材料或者各种材料的组合。用于埋层的二氧化硅包括采用SIMOX(注氧隔离)或热氧化形成的和CVD方法生长的二氧化硅；氮化硅由CVD方法制备，复合埋层是以上各种方法形成的介质的组合，可以通过调节组合的两者厚度比的方法比来调整整个圆片的应力减少多层结构的残余应力；各埋层的厚度均在0.2μm-10μm之间，以满足MEMS器件加工时作为介质隔离或者牺牲层的厚度要求。顶层和中间部分的单晶硅层厚度在1um-100um之间，以方便地在顶层即器件层实现各类MEMS结构需要；并且在材料制备过程还可根据需要进行P型或N型掺杂。

本发明所提出的材料的制备方法：

对于(图1)所示的双埋层结构的SOI材料：

1、采用双面抛光的SOI圆片和单晶硅片，在SOI的顶层或者硅片表面或者以上两个表面都生长埋层氧化层，所述的埋层氧化层为二氧化硅、氮化硅或两者的组合；根据需要在其中一个表面采用CVD方法生长氮化硅；

2、经过半导体标准清洗后，采用Ar等离子体轰击5～120秒以增加表面活性，通过常温真空状态下硅-硅直接键合或熔融键合，键合面为SOI的顶层硅面和硅片生长介质的表面，熔融键合的温度范围在200～500℃，压力范围1bar-50bar，键合后经2小时以上的900-1100℃的高温退火过程，然后通过研磨和化学机械抛光或者智能剥离获得所需厚度和粗糙度的双层SOI结构。

对于(图2)所示的三埋层结构的SOI材料：

1、采用双面抛光的SOI圆片，在其中一片SOI的顶层或者两个界面都生长氧化层，所述的埋层氧化层为二氧化硅、氮化硅或两者的组合；根据具体需要可以在其中一个表面采用CVD方法生长氮化硅。