[发明专利]利用SOI片制备MEMS器件的表面牺牲层工艺方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺领域，特别应用在MEMS表面牺牲层工艺领域，涉及利用SOI片制作MEMS的表面牺牲层工艺方法。

背景技术

九十年代以来，微电子机械系统(MEMS)技术进入了高速发展阶段，不仅是因为概念新颖，而且是由于MEMS器件跟传统器件相比，具有小型化、集成化以及性能更优的前景特点。在常规的表面牺牲层工艺中，结构层采用淀积的方式制作。由于衬底材料和结构层材料不一样，可能引入衬底/结构层失配，往往需要设置距离很近的锚点，限制了锚点甚至是结构的设计。

SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。利用SOI片制作MEMS结构的思想在MEMS发展中期就曾被提出。简单来说，就是刻蚀SOI片的器件层和埋氧(BOX)层，腐蚀作为牺牲层的BOX层，释放器件层作为MEMS结构。SOI-MEMS技术的主要优点为无须额外淀积结构层，工艺简单，且不存在淀积出现的应力问题。但SOI-MEMS技术尚存在一些问题。根据文献报道，采用键合方法制作的SOI片的器件硅层一般有60-80MPa的残余应力,如果需要使用低应力的SOI片则需要特殊工艺制作。另外，它无法完成一些特定的结构，比如可动的齿轮的制作。由于结构层为单晶硅，单晶硅层的粗糙度很低，牺牲层为BOX层(厚度往往仅为几μm)，非常容易粘附。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种利用SOI片的表面牺牲层工艺，此工艺方法可以完成齿轮等结构层完全可动的结构的制作，可以获得单晶硅结构层的MEMS器件结构，且通过预应力和凸点设计，不会发生黏附。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用SOI片制备MEMS器件的表面牺牲层工艺方法，其步骤包括：

1)在SOI基片上光刻定义MEMS器件的结构区，并刻蚀器件层单晶硅和埋氧(BOX)层氧化硅至衬底表面，其中埋氧层作为第一层牺牲层；

2)在刻蚀后的衬底和单晶硅表面淀积氧化硅，作为第二层牺牲层；

3)根据MEMS器件结构光刻定义氧化硅区域，并对氧化硅进行刻蚀；

4)进行光刻，以氧化硅和光刻胶作双层掩膜，刻蚀器件层单晶硅的隔离槽；

5)去除光刻胶，以氧化硅为掩膜刻蚀制作凸点(dimple)槽和锚点(anchor)槽；

6)淀积第二层结构层，并进行刻蚀以形成MEMS器件结构；

7)制作通孔和引线；

8)冷阱释放，即去掉牺牲层，释放器件结构。

进一步地，步骤1)所述SOI片选用低应力SOI片，器件层Si层厚度即为MEMS结构层厚度，BOX层厚度即为第一层牺牲层厚度，Si层厚度优选为1.5μm，BOX层厚度优选为1.5μm。

进一步地，步骤2)所述氧化硅采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法淀积，淀积的氧化硅厚度为第二层牺牲层厚度，同时作为后续刻蚀的掩膜，其厚度根据步骤1)的光刻窗口大小确定，需要填充满释放孔，且厚度足够做刻蚀掩膜，厚度优选为2μm。

进一步地，步骤3)所述的刻蚀SiO₂自停止于Si表面，可以适量过刻蚀，优选刻蚀厚度为2μm。

进一步地，步骤5)所述anchor槽为环形的封闭槽。

进一步地，步骤6)对淀积第二层结构层进行退火处理以加入预应力，防止黏附。优选地，所述淀积第二层结构层，包括淀积氮化硅层(Si₃N₄)和淀积多晶硅层(Poly-Si)，并进行多晶硅掺杂及退火处理，然后刻蚀氮化硅和多晶硅，形成MEMS器件的结构层。所述氮化硅层和多晶硅层优选采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法淀积。Si₃N₄用于电学隔离Poly-Si和器件层单晶硅。在淀积了Si₃N₄之后退火的作用是为结构层加入预应力，防止黏附。

进一步地，在步骤6)形成中空的dimple。这种中空dimple可以同时作为释放孔和dimple的作用，还有减小结构层应力弯曲的作用。

进一步地，步骤7)所述引线的金属优选采用溅射或者蒸发的方法淀积，材料优选为金(Au)，增加铬(Cr)薄层增加金属粘附性。

进一步地，步骤8)释放所有的牺牲层，包括BOX的SiO₂和步骤2)淀积的SiO₂，释放方法可以选用干法释放或湿法释放。