[发明专利]一种通过刻蚀硅牺牲层释放MEMS结构的系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS牺牲层释放技术领域，尤其涉及一种通过刻蚀硅牺牲层释放MEMS结构的系统及方法。

背景技术

释放工艺是MEMS制造过程中经常使用的工艺。释放工艺分为湿法释放和干法释放。湿法释放采用大量的酸碱溶液，限制了用于器件互连金属的应用，而且会造成环境污染和废水处理成本的增加；释放刻蚀时间难以控制；在细的和长的间隙区域的刻蚀速率较慢；最严重的是在干燥过程中会造成微细结构的黏滞现象，使图形遭到破坏。干法释放采用等离子体进行刻蚀时，刻蚀后的表面微粗糙度大，刻蚀不完全，有残留物；由于非均匀等离子体产生的电荷可引起硅片上敏感器件的失效，对微结构造成破坏；等离子体刻蚀设备价格昂贵，所需温度较高，刻蚀选择比差，容易带来器件损伤，不适合用于下一代MEMS牺牲层的释放。

XeF₂是一种快速的各向同性硅刻蚀剂，无须等离子体源，并且对许多CMOS及半导体常用材料具有很高的选择比。主要应用之一是刻蚀硅牺牲层以释放MEMS结构。作为干法释放工艺，XeF₂刻蚀避免了湿法释放中由于搅拌或粘连对器件的损伤。XeF₂对其它半导体材料刻蚀速率极低，该工艺保证提升良率、降低制造成本及改进器件性能。之前，为提高整片晶圆的均匀性通过降低气体压力和流量，或加入载气的方法。然而降低气压和流量将影响刻蚀速率和吞吐量，而加入载气会降低效率并增加运行成本。超临界二氧化碳作为载气，保证了晶圆表面高光滑度，而且不会降低刻蚀速率和效率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种通过刻蚀硅牺牲层释放MEMS结构的系统及方法。

(二)技术方案

为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种通过刻蚀硅牺牲层释放MEMS结构的系统，该系统包括：

CO₂源，用于提供辅助性气体二氧化碳，对硅片进行物理辅助刻蚀；

XeF₂源，用于提供二氟化氙气体，作为反应性刻蚀气体；

XeF₂流量控制阀1和CO₂流量控制阀2，用于控制CO₂和XeF₂的流量，调节气体CO₂和XeF₂的混合比；

高压泵3，用于对CO₂和XeF₂的混合气体进行加压，并将加压后的混合气体通过第一阀门4进入压载箱5中；

压载箱5，用于存放CO₂和XeF₂的高压混合气体，该高压混合气体通过第二阀门6和加热丝7进入反应腔8中；

加热丝7，用于将高压混合气体中的CO₂气体加热到临界温度以上；

反应腔8，高压混合气体中的XeF₂在反应腔8中对硅牺牲层进行腐蚀，直至压载箱5和反应腔8中的压力达到平衡状态，连通反应腔8和溢出腔10的针型阀9就会打开，将反应腔8中的混合气体送入溢出腔10；

溢出腔10，当反应腔8中的压力超过设定压力值后，反应腔8中的混合气体将溢出到溢出腔10中；

尾气处理装置11，用于对尾气进行处理，避免污染环境；以及

过滤和纯化装置12，用于实现气、液、渣的分离和二氧化碳的纯化。

上述方案中，所述反应腔8中安装有压力传感器21、喷嘴22、掩膜23、硅牺牲层24、支架25和磁力搅拌器26，其中：

压力传感器21，用于测量反应腔8中的压力；

喷嘴22，高压混合气体经喷嘴22入射到硅牺牲层24上的掩膜23；

支架25，用于盛放待腐蚀的硅牺牲层24及硅牺牲层24上的掩膜23；

磁力搅拌器26，用于加速腐蚀速率，使刻蚀更均匀。

上述方案中，所述掩膜23为二氧化硅、光刻胶或金属掩膜。

为达到上述目的的另一个方面，本发明提供了一种通过刻蚀硅牺牲层释放MEMS结构的方法，其特征在于，该方法包括：

打开XeF₂流量控制阀1和CO₂流量控制阀2，控制CO₂和XeF₂的流量，调节气体CO₂和XeF₂的混合比；

运行高压泵3，对CO₂和XeF₂的混合气体进行加压，通过第一阀门4进入压载箱5中；