[发明专利]多层硅微机械结构的掩模－无掩模腐蚀技术

说明书

本发明属硅体微机械加工的各向异性腐蚀技术。

传统的各向异性腐蚀技术加工硅微机械结构的基本步骤是：先在硅片表面淀积或生成一薄层抗腐蚀的掩模(常用材料为SiO₂和Si₃N₄薄膜)，然后通过光刻技术在掩模上开出腐蚀的窗口，然后将硅片在各向异性腐蚀液中腐蚀。显然，一次“掩模淀积-掩模光刻-腐蚀”的过程只能产生一个新的结构层面，即腐蚀的底面。若要求实现有多个层面的结构时，就要多次重复“掩模淀积-光刻-腐蚀”的过程。用这样的方法加工多层结构时不仅工艺复杂，而且在经过腐蚀的硅片表面进行光刻时工艺上会遇到很大的困难。因此传统的微机械加工技术在加工多层复杂结构时有很大的局限性。图1说明传统的各向异性腐蚀技术加工形成一个二层微机械结构的过程。其中第一次腐蚀只能为浅腐蚀，第二次腐蚀可以为深腐蚀。一般浅腐蚀深度限制在10μm左右，如果太深，就要引起以后光刻工艺的困难。原则上浅腐蚀也可以重复多次，但多次浅腐蚀的总深度也受到上述限制，否则同样会引起光刻的困难。

由上可见，传统的掩模各向异性腐蚀技术存在很大的局限性：(1)每一个层面的产生都要经过“淀积-光刻-腐蚀”的过程。(2)一旦腐蚀深度达到一定的限度，进一步光刻就十分困难，因此除了最后一次腐蚀可形成一个深的层面之外，其它层面都只能十分接近硅片的原始表面。可参见文献：H．Seidel，L．Csepregi，A．Heuberger，H．Baumgartel，Anisotropic etching of crystalline silicon in alkaline solutions．Ⅰ &Ⅱ，Journal of Electrochamical Society，Vol．137(1990)pp．3612-3632。

本发明的目的是寻求一种形成多层复杂硅微机械结构的各向异性腐蚀新方法。

硅的各向异性腐蚀是指硅的一些腐蚀液如KOH水溶液等对硅的不同晶面的腐蚀速率差别很大，因而具有良好的晶面选择性。一般{100}晶面和{110}晶面的腐蚀速率远大于{111}晶面的腐蚀速率，可以达到100∶1以上。

利用硅的各向异性腐蚀加工硅微机械结构的一般方法是采用掩模腐蚀技术。即在{100}硅片表面上淀积或生长一层抗腐蚀的薄膜作为掩模，并经过光刻在掩模上开出以&#60110&#62方向为边的腐蚀窗口，然后进行各向异性腐蚀，在{100}面向下腐蚀的同时，侧面腐蚀终止在慢腐蚀面{111}晶面上，这样腐蚀出来的图形如图2所示。图中{111}侧面和{100}底面的夹角为当腐蚀窗口宽度w较小而腐蚀深度h超过窗口宽度w的 1 / 2 ]]>倍时，相对两侧的{111}侧面将在向下延伸处相交而使腐蚀停止，此时底面消失，形成V形沟槽，如图3所示。

在有掩模腐蚀一定深度形成台阶之后，中止腐蚀并去掉腐蚀掩模，接着再进行腐蚀，那么接着进行的这段时间的腐蚀，被称为无掩模腐蚀。

我们发现将由有掩模腐蚀形成的&#60110&#62方向的硅台阶表面的掩模层去除后再用KOH溶液进行无掩模腐蚀时，原来由有掩模腐蚀形成的{111}侧面从台阶的上边棱开始受到{311}快腐蚀面的侵削，如图4所示。由于{311}面腐蚀速率比{100}面的腐蚀速率快，所以{311}侧面与上表面形成的棱在无掩模腐蚀的过程中向后退移，该退移量为：