[发明专利]一种湿法腐蚀制作集成压阻SiO2悬臂梁的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅微悬臂梁的制作方法，更确切的说涉及一种使 用四甲基氢氧化铵水溶液(TMAH)湿法腐蚀从硅片单面低成本释放悬臂梁 结构以及三层金属复合引线与硅压阻形成良好的欧姆接触的方法。属于硅微 机械制造技术领域。

背景技术

目前，微机械悬臂梁传感器由于其体积微小、灵敏度高、响应迅速以及 适用性强等特点，在生化检测、压力敏感、惯性测量等方面得到了广泛的应 用。其中利用应力敏感的二氧化硅微悬臂梁传感器，由于结构简单、灵敏度 高、信噪比高、便于在线检测等特点，在化学检测、生物反应、微流控芯片 等方面具有广阔的前景。

以往的国内外许多研究者利用微电子制造技术设计制作二氧化硅悬臂梁 传感器，但是制作方法比较复杂、成品率比较低、代价也比较昂贵。例如： Hai-Feng Ji等人曾在“Simulation of SiO₂-based piezoresistive microcantilevers (Sensors and Actuators A，Vol 125，pp.526-533，2006)”中提到一种使用深反应 离子刻蚀，从硅片背面进行深度刻蚀释放二氧化硅悬臂梁结构。Peng Li等 人在“A single-sided micromachined piezoresistive SiO₂ cantilever sensor forultra-sensitive detection of gaseous chemicals(Journal of Micromechanics and Microengineering，vol 16，pp.2536-3546，2006)”中提到了一种单面加工的工艺 使用二氟化氙气体腐蚀制作的二氧化硅悬臂梁。然而由于深反应离子刻蚀工 艺代价昂贵、消耗时间长，难以进行批量化的生产。二氟化氙气体刻蚀工艺 的均匀性不好导致成品率低。并且，在二氟化氙气体刻蚀过程中，氟离子也 会对光刻胶掩膜进行腐蚀，导致其在刻蚀结束后难以去除。此外，氟离子还 会通过化学键作用占据悬臂梁表面的金薄膜层，导致在后面传感器化学表面 敏感修饰过程中，无法在金薄膜层表面生长单分子自组装层，以至于传感器 无法工作。

本发明拟寻找一种代价低廉、节约时间、成品率高、可批量生产而且能 集成压阻的二氧化硅悬臂梁的制作工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种湿法腐蚀制作集成压阻SiO₂悬臂梁的方法， 所述的制作工艺包括压阻敏感电阻的形成、金属引线的形成、敏感薄膜粘附 层的形成和SiO₂悬臂梁的形成和释放等，其特征在于使用四甲基氢氧化铵湿 法腐蚀从硅片单面低成本释放悬臂梁结构以及使用三层金属作为引线。

本发明采用的技术方案之一是利用TMAH溶液各向异性腐蚀的特性，以 及对于硅和二氧化硅材料的高选择比的特点，实现对于二氧化硅悬臂梁的释 放。在80℃时，含异丙醇体积百分比为17％，重量比为25％的TMAH水溶 液对于硅<100>晶向和氧化硅的腐蚀速率分别为18μm/h和选择比达 到了5140∶1。由于悬臂梁是沿着<110>晶向的排布的，因此在TMAH溶液 中能够快速削角腐蚀。对于本发明中的悬臂梁，2小时左右就可以完成释放， 此过程中对于二氧化硅的影响可以忽略不计。

本发明的另一技术方案是，采用钛-金-铬三层复合金属作为引线的结构， 避免了普通制造方法中使用的铝引线会被TMAH溶液腐蚀的问题。同时，使 用钛可以与p型压阻形成良好的欧姆接触，而无需进行通常工艺中的合金步 骤。金导电性优良，能够满足在引线末端制作压焊盘的要求。最上面的一层 金属铬引线将下面的两层引线覆盖住，避免其下的金属钛在TMAH水溶液中 被腐蚀，提供了良好的保护作用。此外，在利用本二氧化硅悬臂梁进行化学 敏感层修饰的过程中，一般会将一根悬臂梁表面蒸发铬金薄膜，作为生长敏 感层的粘附层。因此，在复合引线中，位于最上层的铬引线将下面的金引线 层覆盖，避免了敏感层在金引线上的生长。

本发明的目的通过以下制作工艺实现：

(1)采用SOI硅片，顶层硅用作制作压阻敏感电阻，其厚度为 1.2μm-0.3μm。埋层氧化硅作为悬臂梁的主体，厚度为0.9μm-1.5μm。对顶层 硅进行多次氧化减薄，将顶层硅减薄至150～200nm，热氧化形成800～的氧化层。