[发明专利]一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件结构及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜器件的结构及其制造方法，更确切地说，涉及一种基 于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件结构及方法。属于微电子机械 系统(MEMS)领域。

背景技术

近年来，各种薄膜器件，如红外探测器、红外光源和微型面加热器等， 已经在公共安全、医学诊断、环境监测、工业控制、天文研究等领域中逐步 得到应用，并日益受到人们的关注。随着应用的不断推广，对薄膜器件的低 成本、低功耗、高性能、高可靠的要求也日益强烈。采用目前日臻成熟的 MEMS技术，利用稳定可靠的工艺手段是薄膜器件微型化、低成本、高可靠 的主流发展方向。

目前基于硅衬底的薄膜器件加工过程中，在进行薄膜结构释放的时候主 要采用两种方法实现。一是从背面腐蚀穿透整个衬底来释放膜结构，二是从 正面腐蚀牺牲层或部分腐蚀衬底从而实现膜结构释放。

利用背面腐蚀制造器件，需要腐蚀数百微米厚的衬底才能释放薄膜，导 致腐蚀时间长，器件面积大，成品率不高，同时硅片厚度的偏差引起腐蚀状 况不一致，导致薄膜释放不彻底、不均匀，最终器件性能偏差大、难以满足 大批量生产的需要。

利用正面腐蚀制造器件，腐蚀时间短、器件面积小，但薄膜与衬底的间 距由腐蚀窗口决定，通常只有几十微米，对于热相关器件，特别对高温薄膜 器件来说，隔热效果差，直接导致器件性能差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造的薄 膜器件结构及其制造方法。

本发明提供的一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件的结 构特征为：硅片正面是具有特定组合结构腐蚀窗口的薄膜器件结构层，在该 结构层上可以根据不同的应用制作不同的功能层；硅片反面是矩形腐蚀窗口； 中间是双面对穿腐蚀形成的空腔。本发明制造薄膜器件的关键在于正反两面 腐蚀窗口的结构设计及其排布上。具体如下：

正面腐蚀窗口的特征：正面腐蚀窗口为与<100>晶向成±30度夹角以内、 长宽比为5∶1到100∶1比例范围的狭长条形窗口，如图1所示。窗口数量 可以为单个条形窗口或多个条形窗口的组合，组合方式可分为两类：平行组 合方式(如图2(a)所示)和正交组合方式(如图2(b)所示)。在实际应用中可 以使用一种组合方式也可同时使用平行和正交两种组合方式来制作器件，如 图3所示。夹角的选择应综合考虑器件功能层的大小、结构层薄膜支撑强度 等因素。窗口长宽比例应结合腐蚀时间和结构要求选定，不同取向的腐蚀窗 口侧蚀后可形成不同的薄膜形状和面积。狭长的腐蚀窗口可以保证长边两侧 的快速腐蚀和短边两侧的缓慢腐蚀，从而实现小面积窗口腐蚀得到大面积薄 膜的释放。通过适当排布条形窗口可以达到快速而准确地释放膜区的目的。

反面腐蚀窗口的特征：反面腐蚀窗口是边长沿<110>晶向的矩形，如图4 所示。由于硅的各向异性腐蚀液对(111)面的腐蚀速度相对(100)面来说很慢， 因此可以认为(111)面是自停止面。由于(100)面和(111)面的夹角约为54.7度， 根据公式l0=2h]]>(其中l₀是对应矩形腐蚀窗口边长的最小取值，h是腐蚀的深 度)，在已知需要腐蚀的硅的深度h时很容易计算出l₀的值，为了确保实现对 穿腐蚀，本发明的反面矩形腐蚀窗口沿<110>晶向的边长l取l≥l₀。

对于这种具有正反两面腐蚀窗口的薄膜器件，在腐蚀初期，正面狭长的 腐蚀窗口将快速完成薄膜区的结构层释放，完成释放后，这些分离的条形腐 蚀窗口会在释放的结构层薄膜下方贯通，形成一个大面积的腐蚀腔，该腐蚀 腔将与背面窗口同时完成器件的对穿腐蚀，释放后的薄膜器件截面示意图如 图5所示。

本发明提供的一种基于(100)硅片采用双面对穿腐蚀制造薄膜器件的制 造方法可以概括为以下五个步骤：

1.薄膜器件结构层的制作。

2.制作正面腐蚀窗口。

3.制作反面腐蚀窗口。

4.薄膜释放和对穿腐蚀。

5.功能层的制作。