一种硅基MEMS微半球阵列的制备方法与流程

本发明属于微机械工艺制造领域，尤其涉及一种硅基mems微半球阵列的制备方法。

背景技术：

mems工艺技术是制造复杂三维结构的微加工技术，被广泛应用于半导体和微电子工艺，典型的三维微结构包括梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、锥、针尖、弹簧等。三维体硅微结构主要采用两种主流刻蚀技术。

各向异性湿法腐蚀，由于腐蚀液对多晶硅的各个晶向腐蚀速率不一样，各向异性湿法腐蚀三维结构,很大程度上受体硅优势晶面的限制,就算改变腐蚀参数如腐蚀温度、腐蚀浓度等，还是得到固定形状微结构，这不适用于任意形状的微机械结构制备。

干法刻蚀，刻蚀机理为具有化学活性的等离子体轰击刻蚀区域表面,近乎垂直的轰击方向决定了所获得的三维图形仅在掩模图案的厚度方向进行延伸,具有陡直侧壁,若加工具有特定倾斜度的侧壁或曲面侧壁有一定难度。

但宏观机械构件的种类多样，除了以上构件，相当一部分具有曲面形貌：如凸轮、曲轴等，能推动或支撑从动件作一定的往复移动或摆动；如谐振腔、曲面透镜等，需要特定弧度的曲表面对声波、光形成谐振、传播；这部分具有曲面的机械构件就不能通过标准硅微加工工艺微型化，这限制了微机械多样化的发展。

目前有报道的制备曲面微机械结构采用干法刻蚀，因为刻蚀离子是垂直轰击光刻胶表面先打掉光刻胶，再刻光刻胶下的硅基。若形成半球光刻胶，其厚薄不同，厚的部分抗垂直入射刻蚀离子的能力强一些，薄的部分抗蚀能力弱一些，能把光刻胶的立体形貌复制给硅基。形成半球状光刻胶的方法，报道的有光刻胶回流法（t.abe，y.itasaka.dryetchingmethodusingdouble-layeredetchingmaskformodulatingshapeofdeep-etchedquartzsurface[j].transducers11,2011:1508-1510.）、灰阶掩模版法（waitscm,morganb,kastantinm,etal.microfabricationof3dsiliconmemsstructuresusinggray-scalelithographyanddeepreactiveionetching[j].sensorsandactuatorsa:physical,2005,119(1):245-253.）、还有专利号cn101602481a的发明专利提及的方法。由于光刻胶的厚度有限，因为太厚了曝光不彻底，而且光刻胶显影后的曲率也不好控制，故干法刻蚀后硅基的高度、曲率可控性差。

通过形成半球光刻胶后干法刻蚀，半球硅基形貌受制于光刻胶的因素太大，常规的湿法腐蚀工艺可控硅半球的高度，但其各向异性腐蚀特性使半球倾角不可控，极少论文报道用湿法腐蚀制备半球。本发明采用普通的平面光刻胶，多次光刻与刻蚀形成硅半球体，在腐蚀剂25%四甲基氢氧化铵中添加浓度为0.1%的聚乙二醇辛基苯基醚，突破晶硅衬底的晶向限制特性，调节工艺条件，形成给定度数的渐变倾角，实现了对多晶硅曲面加工，制备出微半球阵列结构，且设备简单，可批量生产，方法新颖且高效。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硅基mems微半球阵列的制备方法，制备方法新颖且高效。本发明的实施案例是这样实现的：一种硅基mems微半球阵列的制备方法，首先将氧化好的硅片进行第一次光刻并用缓冲氢氟酸局部去掉二氧化硅得到光刻硅片一号，然后将光刻硅片一号放入恒温腐蚀液中进行第一次腐蚀得到腐蚀硅片一号，再把腐蚀硅片一号进行第二次光刻并用缓冲氢氟酸局部去掉二氧化硅得到光刻硅片二号，再然后将光刻硅片二号放入恒温腐蚀液中进行第二次腐蚀得到腐蚀硅片二号，再将腐蚀硅片二号进行第三次光刻并用缓冲氢氟酸局部去掉二氧化硅得到光刻硅片三号，然后将光刻硅片三号放入恒温腐蚀液中进行第三次腐蚀得到腐蚀硅片三号，再将腐蚀硅片三号用缓冲氢氟酸全部去掉二氧化硅再放入恒温腐蚀液中进行第四次腐蚀得到腐蚀硅片四号，最后将腐蚀硅片四号用混合酸腐蚀溶液进行第五次腐蚀圆滑侧面凸角得到最终的硅基mems微半球阵列。

所述的缓冲氢氟酸是按照3ml氢氟酸∶6g氟化铵∶10ml水的比例配制而成的。

所述的恒温腐蚀液是浓度为0.1%的聚乙二醇辛基苯基醚与25%四甲基氢氧化铵的混合水溶液。

所述的混合酸腐蚀溶液是按照3ml氢氟酸：5ml硝酸：3ml乙酸：3g碘的比例配置而成。

所述的恒温腐蚀液的腐蚀温度为70摄氏度；所述的缓冲氢氟酸的腐蚀温度为室温27摄氏度；所述的混合酸腐蚀溶液的腐蚀温度为室温27摄氏度。

所述的第一次腐蚀时间是40分钟；所述的第二次腐蚀时间是35分钟；所述的第三次腐蚀时间是28分钟；所述的第四次腐蚀时间是18分钟；所述的第五次腐蚀时间是15秒钟。

所述的第一次光刻是将掩膜板上直径为50微米间隔为50微米的阵列圆形转移到氧化好的硅片上。

所述的第二次光刻是将掩膜板上直径为30微米间隔为70微米的阵列圆形转移到腐蚀硅片一号上。

所述的第三次光刻是将掩膜板上直径为10微米间隔为90微米的阵列圆形转移到腐蚀硅片二号上。

所述的第二次光刻阵列圆形的圆心与第一次光刻阵列圆形的圆心重合；所述的第三次光刻阵列圆形的圆心与第二次光刻阵列圆形的圆心重合。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

图1是该硅基mems微半球阵列的制备方法的氧化好的硅片侧视图。

图2是该硅基mems微半球阵列的制备方法的光刻硅片一号侧视图。

图3是该硅基mems微半球阵列的制备方法的光刻硅片一号剖面图。

图4是该硅基mems微半球阵列的制备方法的腐蚀硅片一号剖面图。

图5是该硅基mems微半球阵列的制备方法的光刻硅片二号剖面图。

图6是该硅基mems微半球阵列的制备方法的腐蚀硅片二号剖面图。

图7是该硅基mems微半球阵列的制备方法的光刻硅片三号剖面图。

图8是该硅基mems微半球阵列的制备方法的腐蚀硅片三号剖面图。

图9是该硅基mems微半球阵列的制备方法的腐蚀硅片四号剖面图。

图10是该硅基mems微半球阵列的制备方法的微半球阵列剖面图。

图11是该硅基mems微半球阵列的制备方法的制备流程图。

具体实施方式

一种硅基mems微半球阵列的制备方法,首先将氧化好的硅片图1进行第一次光刻并用缓冲氢氟酸局部去掉二氧化硅形成直径50微米的二氧化硅阵列圆形掩膜并得到光刻硅片一号图3，然后将光刻硅片一号图3放入恒温腐蚀液中进行第一次腐蚀向下腐蚀硅片得到腐蚀硅片一号图4，再把腐蚀硅片一号图4进行第二次光刻并用缓冲氢氟酸沿阵列圆形环蚀二氧化硅使直径缩减至30微米得到光刻硅片二号图5，再然后将光刻硅片二号图5放入恒温腐蚀液中进行第二次腐蚀环切硅圆台顶凸边和向下腐蚀硅得到腐蚀硅片二号图6，再将腐蚀硅片二号图6进行第三次光刻并用缓冲氢氟酸局沿阵列圆形环蚀二氧化硅使直径缩减至10微米得到光刻硅片三号图7，然后将光刻硅片三号图7放入恒温腐蚀液中进行第三次腐蚀环切硅圆台顶凸边和向下腐蚀硅得到腐蚀硅片三号图8，将腐蚀硅片三号图8用缓冲氢氟酸全部去掉二氧化硅暴露出硅圆台顶并用恒温腐蚀液削顶凸边和向下腐蚀硅得到腐蚀硅片四号，最后将腐蚀硅片四号的侧面的环状凸角用混合酸溶液圆滑，最终的硅基mems微半球阵列图10。图11详述了整个工艺流程。