[发明专利]一种在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于微机械电子系统加工技术领域，更具体地，涉及一种在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)被越来越广泛地应用于不同的领域，其中硅基材料的MEMS技术发展尤为迅速。反应离子深刻蚀引入微电子机械系统加工工艺后，一系列具有高深宽比硅结构的新型传感器和执行器结构得以实现。采用绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator,SOI)技术的MEMS器件不仅具有较好的硅机械性能，而且使得互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)与MEMS加工工艺能够兼容，可以促使MEMS器件进一步微型化和集成化。但是，基于SOI器件层加工出来的微机械悬空结构，结构的底部往往由于SiO₂绝缘层导致的根切效应表面形貌不规整；另外，通过湿法腐蚀除掉SiO₂层将结构悬空时经常由于粘附效应难以释放。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法，能效解决悬空结构底部刻蚀至SiO₂绝缘层时由于根切现象导致的形貌不规整问题，在常规反应离子深刻蚀系统中即可实现刻蚀和释放工艺，获得具有平整底面的悬空结构。

为实现上述目的，本发明提供了一种在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在SOI硅片表面制备图形化的光刻胶掩膜，在SOI硅片上形成窄槽刻蚀区、宽槽刻蚀区、主体悬空结构形成区、固定结构形成区和其它结构形成区；固定结构形成区与主体悬空结构形成区相连；窄槽刻蚀区宽度为W₁，用于形成主体悬空结构；宽槽刻蚀区宽度为W₂，围绕主体悬空结构形成区和固定结构形成区，宽槽刻蚀区还设置在固定结构形成区与主体悬空结构形成区的连接区，用于形成固定结构；所述SOI硅片为Si-SiO₂-Si的叠层结构；

(2)进行反应离子干法刻蚀，使在宽槽刻蚀区形成的宽槽底部较在窄槽刻蚀区形成的窄槽底部首先到达或者更加接近SiO₂层时，停止刻蚀；

(3)先后进行钝化和离子轰击，在刻蚀槽侧壁形成一层钝化层，以实现对刻蚀槽侧壁的保护；

(4)进行各向同性干法刻蚀，使窄槽底部相互连通，形成与窄槽下方的Si层分离的主体悬空结构，同时去除固定结构形成区与主体悬空结构形成区的连接区底部的Si，以及去除固定结构形成区与其它结构形成区之间的区域底部的Si，使固定结构与窄槽下方的Si层及其它结构隔离，从而使不同的固定结构间相互绝缘；

(5)去除光刻胶掩膜。

优选地，W₁:W₂＝1:1.5～10。

优选地，所述步骤(2)中，停止刻蚀时，在窄槽刻蚀区形成的窄槽底部到SiO₂层的距离为6～40μm。

优选地，所述步骤(2)中，反应离子干法刻蚀由钝化、轰击和刻蚀步骤交替循环完成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，对悬空结构及其固定结构采用不同的槽宽设计，其中，固定结构的槽宽明显大于悬空结构，宽槽底部经刻蚀首先到达或者更加接近SiO₂层，再通过各向同性干法刻蚀使窄槽底部相互连通并与窄槽下方的Si层分离，将窄槽间的梁释放，形成具有平整底面的悬空结构，同时去除固定结构与悬空结构连接区底部的Si以及固定结构与其它结构之间的区域底部的Si，使得固定结构与窄槽下方的Si层及其它结构隔离，从而使不同的固定结构间相互绝缘。

附图说明

图1是本发明的在SOI硅片上制备微机械悬空结构的方法流程示意图；

图2是本发明实施例的图形化光刻胶掩膜结构示意图；

图3是单个钝化-轰击-刻蚀循环的工艺流程示意图，其中，(a)钝化，(b)轰击，(c)刻蚀；

图4是本发明实施例得到的主体悬空结构底部的SEM图；

图5是本发明实施例得到的结构从刻蚀槽正面聚焦至窄槽底部的SEM图；

图6是本发明实施例得到的刻蚀槽的SEM图，其中，(a)宽槽轴切面，(b)窄槽横切面。