一种带有硅通孔的硅MEMS微结构的加工工艺的制作方法

本发明属于微机电系统(mems)制造技术领域，特别涉及一种带有硅通孔的硅mems微结构的加工工艺。

背景技术：

mems器件是近二十年来发展起来的一种新型器件，以其成本低、体积小、功耗低、可大规模生产等特点在国防、惯性导航、地震探测、工业、医疗、自动化以及消费电子等众多领域中获得了广泛的应用。mems器件加工主要采用半导体工艺加工技术，制备各种微结构。通过半导体光刻、刻蚀技术在硅晶圆上加工出硅槽和通孔，并通过晶圆键合技术，将多片晶圆键合起来，可形成微流道结构。微流道散热器目前应用于消费电子、电器设备、激光武器、雷达等，将液体从微流道结构的进液口压入，从出液口排出，通过贴装散热元件处的微流道内液体与固体热交换，将热量带走，降低待散热元件温度。带有硅通孔的硅mems微槽加工是微流道器件加工的主要工艺环节。

在带有硅通孔和硅槽的mems微结构加工过程，当部分通孔刻蚀穿通后，由于刻蚀均匀性的问题，需要继续刻蚀，以保证各处通孔都刻蚀穿通。然而，目前的加工方法存在如下限制：

一是从晶圆双面分别刻蚀加工带通孔的微槽结构。当部分通孔穿通后，晶圆背面用于散热的氦气从通孔泄漏，晶圆无法与刻蚀托盘紧密接触，散热变差，晶圆温度升高，影响刻蚀反应过程，造成刻蚀速率异常且结构陡直度变差。

二是采用氧化硅或氮化硅等绝缘层作为刻蚀阻挡层，当部分通孔刻蚀穿通后，刻蚀反应气体所携带的电荷在绝缘层上聚集积累，使刻蚀反应气体离子运动方向偏转，轰击刻蚀区域侧壁底部，造成结构损伤。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种带有硅通孔的硅mems微结构的加工工艺，用于解决晶圆双面刻蚀带来的通孔刻蚀穿通后晶圆背面气体漏率增大，造成由于刻蚀均匀性需继续刻蚀时，刻蚀速率异常和图形陡直度变差问题，以及通孔底部电荷积累造成的刻蚀结构底部损伤问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种带有硅通孔的硅mems微结构的加工工艺，该加工工艺用于在硅结构内加工形成硅槽和硅通孔，包括以下步骤：

步骤一：采用磁控溅射或电子束蒸发在硅结构晶圆正面制备第一金属膜；

步骤二：在硅结构晶圆正面第一金属膜上采用光刻工艺加工形成与硅槽和硅通孔图形对应的光刻胶图形；

步骤三：以步骤二加工的光刻胶图形为掩模，采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方式加工第一金属膜，得到与硅槽和硅通孔图形对应的金属膜图形；

步骤四：去除光刻胶；

步骤五：采用磁控溅射或电子束蒸发在硅结构晶圆背面制备第二金属膜；

步骤六：在硅结构晶圆正面的第一金属膜上采用光刻工艺加工形成与硅通孔图形对应的光刻胶图形；

步骤七：以步骤六加工的光刻胶图形为掩模，采用干法刻蚀工艺刻蚀硅结构，加工出未刻蚀透的硅通孔；

步骤八：去除光刻胶；

步骤九：以步骤三加工的金属膜图形为掩模，采用干法刻蚀工艺刻蚀硅结构，形成硅槽，同时将硅通孔刻蚀透；

步骤十：湿法腐蚀去除晶圆正面和背面的第一金属膜和第二金属膜，并清洗甩干，得到待加工硅mems微结构。

在一实施例中，所述步骤五调整至步骤一之前作为新步骤一，而原步骤一～步骤四顺延，或者调整至步骤一之后作为新步骤二，而原步骤二～步骤四顺延，此时新步骤三调整为：在晶圆背面第二金属膜上涂光刻胶保护，并在正面第一金属膜上采用光刻工艺加工形成与硅槽和硅通孔图形对应的光刻胶图形。

在一实施例中，所述步骤五调整至步骤一之前作为新步骤一，而原步骤一～步骤四顺延，或者调整至步骤一之后作为新步骤二，而原步骤二～步骤四顺延，此时新步骤四调整为：采用以步骤三加工的光刻胶图形为掩模，采用干法刻蚀的方式加工第一金属膜，形成与硅槽和硅通孔图形对应的金属膜图形。

根据本发明提供的一种带有硅通孔的硅mems微结构的加工工艺，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种带有硅通孔的硅mems微结构的加工工艺，在硅晶圆单侧制作刻蚀图形掩模，并在另一侧制备刻蚀阻挡层，从单侧进行硅刻蚀能够避免通孔刻蚀穿通后晶圆背面气体漏率增大、散热变差，造成由于刻蚀均匀性需继续刻蚀时，刻蚀速率异常和图形陡直度变差问题；

(2)本发明提供的一种带有硅通孔的硅mems微结构的加工工艺，采用金属膜作为刻蚀阻挡层，能够将刻蚀气体离子所带电荷传导走，从而避免通孔底部电荷积累造成的刻蚀结构底部损伤问题；

(3)本发明提供的一种带有硅通孔的硅mems微结构的加工工艺，金属刻蚀图形掩模和刻蚀阻挡层采用铝或钛金属，铝或钛金属性质活泼，易于与硅表面的自然氧化层结合，因此金属膜与硅具有良好的黏附性；

(4)本发明提供的一种带有硅通孔的硅mems微结构的加工工艺，硅刻蚀过程中采用的氟基刻蚀反应气体对铝和钛的刻蚀速率很慢，对硅的刻蚀速率快，具有很高的刻蚀选择比，因此铝和钛是良好的刻蚀掩模选择；

(5)本发明提供的一种带有硅通孔的硅mems微结构的加工工艺，预先加工一定深度的硅通孔，然后再同时加工硅槽和硅通孔，采用这种方法避免硅结构层提前穿通，减轻对通孔底部金属膜的损伤程度；

(6)本发明提供的一种带有硅通孔的硅mems微结构的加工工艺，制备的产品用于微流道器件时，该工艺能够显著降低微流道散热器尺寸，可加工至微米级，且可以实现批量化加工，降低生产成本；选用的单晶硅材料具有很高的热传导系数，可达到130w/(m*k)，高于大多数金属、绝大多数陶瓷，远高于聚酰亚胺等微流道器件常用的有机材料(热导率小于1w/(m*k))，单晶硅微流道散热器能够实现良好的散热效果，满足元件散热的需要，且单晶硅具有很高的杨氏模量，所加工的器件具有很高的机械强度，可实现良好的可靠性。

附图说明

图1是带有掩模示意的硅mems微结构；

图2本发明中带有硅通孔的硅mems微结构的制备流程示意图；

图3实施例一带有硅通孔的硅mems微槽结构的微流道器件纵向截面示意图；

图4采用传统加工方法加工实施例一硅柱结构钻蚀严重结构显微镜照片；

图5采用本发明制备流程加工的实施例一硅柱结构显微镜照片；

图6采用本发明制备流程加工的实施例一，用探针将硅柱结构推倒后硅柱侧面显微镜照片。

附图标号说明

1-硅结构；2-硅槽；3-硅通孔；4-第二金属膜；5-第一金属膜；6-光刻胶；7-玻璃片；21-硅柱。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本发明提供了一种带有硅通孔的硅mems微结构的加工工艺，该加工工艺用于在硅结构1内加工形成硅槽2和硅通孔3，包括在硅结构1晶圆一侧制作光刻胶6和第一金属膜5，加工后分别作为硅通孔3和硅槽2的刻蚀工艺图形掩模，同时在硅结构1晶圆另一侧淀积第二金属膜4作为刻蚀阻挡层，如图1所示。具体地，加工方法包括以下步骤：

步骤一：采用磁控溅射或电子束蒸发在硅结构1晶圆正面制备第一金属膜5，如图2a；

步骤二：在硅结构1晶圆正面第一金属膜5上采用光刻工艺加工形成与硅槽2和硅通孔3图形对应的光刻胶图形，如图2b；

步骤三：以步骤二加工的光刻胶图形为掩模，采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方式加工第一金属膜5，得到与硅槽2和硅通孔3图形对应的金属膜图形，如图2c；

步骤四：采用氧等离子体去胶机或丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，去除光刻胶，如图2d；

步骤五：采用磁控溅射或电子束蒸发在硅结构1晶圆背面制备第二金属膜4，如图2e；

步骤六：在硅结构1晶圆正面的第一金属膜5上采用光刻工艺加工形成与硅通孔3图形对应的光刻胶6图形，如图2f；

步骤七：以步骤六加工的光刻胶6图形为掩模，采用干法刻蚀工艺刻蚀硅结构，加工出未刻蚀透的硅通孔3，如图2g；

步骤八：采用氧等离子体去胶机或采用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，去除光刻胶6，如图2h；

步骤九：以步骤三加工的金属膜图形为掩模，采用干法刻蚀工艺刻蚀硅结构，形成硅槽2，同时将硅通孔3刻蚀透，如图2i；

步骤十：湿法腐蚀去除晶圆正面和背面的第一金属膜5和第二金属膜4，并清洗甩干，得到待加工硅mems微结构；如图2j。

在一种优选的实施方式中，步骤一中，所述第一金属膜5为钛金属膜或铝金属膜；步骤五中，所述第二金属膜4为钛金属膜或铝金属膜。

在一种优选的实施方式中，在步骤三中，采用干法刻蚀加工第一金属膜5时，采用氯基刻蚀反应气体；采用湿法腐蚀加工第一金属膜5时，若第一金属膜5为铝金属膜，湿法腐蚀采用磷酸；若第一金属膜5为钛金属膜，则湿法腐蚀采用缓冲氧化物刻蚀液(boe)或其他含氢氟酸的酸性溶液。

在步骤七和步骤九中，干法刻蚀工艺刻蚀硅结构时，采用氟基刻蚀反应气体(如sf6，cf4，cfx+o2)。硅刻蚀过程中采用的氟基刻蚀反应气体对铝和钛的刻蚀速率很慢，对硅的刻蚀速率快，具有很高的刻蚀选择比，因此铝和钛是良好的刻蚀掩模。

在一种优选的实施方式中，步骤五可以调整至步骤一之前作为新步骤一，而原步骤一～步骤四顺延，或者步骤五调整至步骤一之后作为新步骤二，而原步骤二～步骤四顺延，也就是说，调整后的新步骤一和步骤二用于在晶圆两面预先淀积金属膜，此时新步骤三(原步骤二)调整为：在晶圆背面第二金属膜4上涂光刻胶保护，并在正面第一金属膜5上采用光刻工艺加工形成与硅槽2和硅通孔3图形对应的光刻胶图形。新步骤三(原步骤二)中增加了在晶圆背面第二金属膜4上涂光刻胶保护的措施，否则新步骤四(原步骤三)中采用湿法腐蚀加工晶圆正面第一金属膜5时，容易造成晶圆背面第二金属膜4的损伤。

在另一种优选的实施方式中，步骤五可以调整至步骤一之前作为新步骤一，而原步骤一～步骤四顺延，或者，步骤五调整至步骤一之后作为新步骤二，而原步骤二～步骤四顺延，此时新步骤四(原步骤三)调整为：采用以步骤三加工的光刻胶图形为掩模，采用干法刻蚀的方式加工第一金属膜5，形成与硅槽2和硅通孔3图形对应的金属膜图形。该种方式中，晶圆背面第二金属膜4上不实施涂光刻胶保护的措施，相应的新步骤四(原步骤三)中不采用湿法腐蚀方式加工晶圆正面的第一金属膜5。

在一种优选的实施方式中，步骤七中，硅通孔3的未刻蚀透部分的深度小于硅槽2的深度，且大于硅槽2深度的40％；优选地，硅通孔3的未刻蚀透部分的深度小于硅槽2深度的80％，且大于硅槽2深度的60％。在步骤九刻蚀过程中，同时进行硅槽和硅通孔的刻蚀，为保证硅槽达到所需的刻蚀深度时，硅通孔刻蚀穿透，步骤七刻蚀过程中硅通孔未刻蚀透部分深度需小于硅槽深度。在刻蚀工艺过程中，刻蚀区域的深宽比影响刻蚀速率，硅通孔的尺寸通常小于硅槽的尺寸且硅通孔需刻蚀的深度更深，因此步骤九刻蚀过程中，硅通孔刻蚀速率通常小于硅槽刻蚀速率，故步骤七硅槽未刻蚀透部分的深度小于硅槽2深度的80％，效果更佳。在通孔底部设置有铝或钛金属膜，当硅通孔刻蚀穿通后，能够保证底部不穿通，但硅刻蚀也会损伤铝或钛金属膜且刻蚀过程发热，薄膜可能因为热应力破裂，因此过刻蚀量也不宜设置过大，故步骤七硅通孔3的未刻蚀透部分的深度大于硅槽2深度的60％，效果更佳。

在一种优选的实施方式中，所述硅结构1的厚度为300μm～1000μm；硅槽2的深度不大于硅结构厚度的80％，硅槽2的宽度为50μm～1000μm；所述硅通孔3的宽度为50μm～1000μm。所述第一金属膜5的厚度不小于硅槽2深度的1％，光刻胶6的厚度不小于硅结构厚度与硅槽深度差值的1％。所述金属膜层5与光刻胶6的厚度取决于待刻蚀区域图形占比与待刻蚀区域深宽比，待刻蚀区域图形占比越大，待刻蚀区域深宽比越大，所需要的金属膜层5与光刻胶6的厚度越大。本发明经过大量的试验摸索，确定了上述第一金属膜5和光刻胶6的厚度，若厚度低于上述范围的最小值，则在硅通孔和硅槽结构刻蚀过程中，金属膜和光刻胶易发生掩蔽不足，导致在晶圆上非图形区域产生刻蚀损伤。

在一种优选的实施方式中，加工得到的硅mems微结构可作为微流道散热器的微流道结构，此时，选用的硅结构1为单晶硅材料。

实施例

实施例一

如图3为带有硅通孔的硅mems微槽结构的微流道器件纵向截面示意图。硅结构1内加工形成硅槽2和硅通孔3，硅槽2内含有硅柱21阵列。硅结构1与玻璃片7通过晶圆键合，形成密封的微流道结构。液体从一侧的硅通孔3进入，经过硅槽2从另一侧硅通孔3流出。硅结构1厚度300μm，硅槽深度200μm，硅通孔3的宽度1000μm。

采用传统的加工方法，首先在硅结构1背面通过光刻、刻蚀加工形成未刻蚀透的硅通孔3，然后在另一侧采用光刻、刻蚀加工形成硅槽2，并使硅通孔3穿通。由于刻蚀均匀性问题，不同区域刻蚀速率有差异，部分通孔穿通后还需继续刻蚀，保证所有区域硅通孔都刻蚀穿通。穿通处，晶圆背面气体漏率增大、散热变差，硅底部刻蚀钻蚀严重，造成结构底部断裂，如图4所示，原本竖直的三角形硅柱刻蚀成图钉状，并倒在硅槽底部。

采用本技术发明提出的加工方法，从硅结构1正面，加工硅槽2(内部含有硅柱21)和硅通孔3，包括在硅结构1晶圆一侧制作光刻胶6和第一金属膜5，加工后分别作为硅通孔3和硅槽2的刻蚀工艺图形掩模，同时在硅结构1晶圆另一侧淀积第二金属膜4作为刻蚀阻挡层，工艺加工过程如图2所示。所采用的第一金属膜5和第二金属膜4为铝金属膜，铝金属膜厚度为2.5μm，光刻胶厚度3.5μm。在加工步骤七刻蚀硅通孔深度150μm，硅通孔未刻蚀透部分深度150μm。

加工后硅柱顶视图如图5所示，使用探针将该硅柱推倒后，观察硅柱侧面如图6所，所加工的硅柱陡直度较好。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。