一种MEMS悬浮敏感结构的制作方法与流程

一种mems悬浮敏感结构的制作方法1.技术领域：本发明涉及半导体技术领域，具体地说就是一种mems悬浮敏感结构的制作方法。2.背景技术：敏感结构刻蚀是mems器件制造中的关键工艺步骤，主流的工艺方案中，敏感结构层晶圆与制作有支撑锚点与活动空腔的衬底晶圆，通过硅硅键合粘接在一起，将敏感结构层晶圆减薄至所需厚度后，采用深硅刻蚀技术将敏感结构层刻蚀穿透，形成悬浮可动的敏感结构。3.在悬浮敏感结构刻蚀过程中，离子轰击与化学反应在敏感结构表面会产生大量热量，热量通过硅敏感结构传向锚点，再传向带有氦气冷却的硅衬底，当结构上的刻蚀产热未能及时通过锚点散走时，会在敏感结构上形成热量积聚，引起局部温度过高（local heating）。由于深硅刻蚀的lag效应，敏感结构大刻蚀开口很快被刻穿，刻蚀热量传导路径逐渐变少，当最小的刻蚀开口尺寸逐渐被刻蚀完全时，敏感结构热传导效率最差，局部温度过高问题最为显著。温度过高会使得深硅刻蚀的“钝化-刻蚀”作用失衡，引起敏感结构刻蚀损伤，严重时导致器件无法使用。4.悬浮敏感结构的热传导效率与结构设计和晶圆结构有着较大关系，如越细长的梁结构的热传导率越低、敏感结构面积越大由离子轰击产生的热量越多、晶圆结构中埋氧层越厚散热越差等。局部温度过高问题使得敏感结构的完整性难以保证，是敏感结构深硅刻蚀中常见的工艺难点，大大制约了敏感结构的设计与工艺制备，对mems器件的研制与生产有着重要影响。5.现有技术中有些文献对深硅刻蚀程序进行优化，改善刻蚀过程中的散热，避免局部温度过高引起的严重刻蚀损伤。一种方法是分段刻蚀工艺，即手动暂停刻蚀程序，等待一定时间进行冷却，然后再重启刻蚀程序，这样进行多次的手动暂停和重启刻蚀程序，帮助散热达到改善局部过热的目的，该方法执行麻烦，且损伤改善效果一般，刻蚀速率会受到“暂停-重启”的影响，刻蚀陡直度无法保证。 另一种方法是在刻蚀程序中将“钝化-刻蚀”循环改为“钝化-刻蚀-等待冷却”循环，大大提高了散热效果和刻蚀效率，显著缓解了刻蚀过热损伤问题，但该方法又对不同的敏感结构仍有一定适用性。6.技术实现要素：本发明就是为了提高mems悬浮敏感结构在深硅刻蚀中的散热效率，防止局部温度过高引发的刻蚀损伤，提出了一种mems悬浮敏感结构的制作方法。7.本技术提供以下技术方案：一种mems悬浮敏感结构的制作方法，其特征在于：它包括以下步骤：（a）选取双抛硅片作为衬底晶圆，而后在衬底晶圆上利用光刻、刻蚀制备出一组活动空腔和一组支撑锚点；（b）衬底晶圆上键合的一块soi晶圆，并去除soi晶圆的顶层硅和埋氧层保留衬底层，作为敏感结构层；（c）采用pecvd或者热氧化方法在敏感结构层表面生长二氧化硅层；（d）对（c）中生长的二氧化硅层上采用光刻形成图形化、而后腐蚀其它的二氧化硅层，在敏感结构层上制备出与图形化对应的二氧化硅刻蚀掩膜层，所述的二氧化硅刻蚀掩膜层与活动空腔对应；（e）在敏感结构层上涂抹光刻胶层，光刻胶层覆盖二氧化硅刻蚀掩膜层，而后在光刻胶层表面上采用光刻技术制作图形化，图形化中形成一组刻蚀窗口，该组刻蚀窗口中至少包含有两种宽度的刻蚀窗口，再根据刻蚀窗口向下进行光刻胶层的刻蚀，从而露出敏感结构层表面的硅和二氧化硅刻蚀掩膜层；（f）利用深硅刻蚀根据（e）中制得的刻蚀窗口对敏感结构层的硅进行一定深度的第一次深硅刻蚀；（g）采用二氧化硅刻蚀机沿刻蚀窗口去除二氧化硅刻蚀掩膜层；（h）再次利用深硅刻蚀根据（e）中制得的刻蚀窗口对敏感结构层的硅进行一定深度的第二次深硅刻蚀直至与活动空腔连通； （i）去除光刻胶和氧化层刻蚀掩膜，完成敏感结构释放。8.在上述技术方案的基础上，还可以有以下进一步的技术方案：所述步骤（a）中的一组活动空腔包括多个大面积活动空腔和多个小面积活动空腔，小面积活动空腔位于两个大面积活动空腔之间；所述的支撑锚点位于小面积活动空腔与大面积活动空腔之间。9.所述步骤（e）中的一组刻蚀窗口中包括大、中、小三种不同宽度的刻蚀窗口，所述的大宽度刻蚀窗口位于二氧化硅刻蚀掩膜层之上，中宽度刻蚀窗口和小宽度刻蚀窗口位于两个大宽度刻蚀窗口之间，且若干小宽度刻蚀窗口位于两个中宽度刻蚀窗口之间。10.发明优点：本发明步骤简单，实施方便，有效的改善或解决了刻蚀释放中的散热问题，保证了深硅刻蚀释放工艺中的完整性。11.特别是在第一次深硅刻蚀中由于二氧化硅刻蚀掩膜层的存在，因此该区域的大宽度刻蚀窗口未被刻蚀，这时中、小宽度刻蚀窗口刻蚀时可以有效的进行散热，而后再第二次深硅刻蚀中大、中、小宽度刻蚀窗口可以同时刻蚀通或大宽度刻蚀窗口略晚于中、小宽度刻蚀窗口刻蚀通，这样第一、二次深硅刻蚀过程中产生的热量具有良好的路径进行散热，避免了局部温度过高引起的刻蚀损伤。12.有效的改善或解决了mems敏感结构刻蚀释放中的散热问题，保证了敏感结构在深硅刻蚀释放工艺中的完整性，尤其适用于散热较差的敏感结构设计，效果显著，对mems器件的设计与研制具有重要意义。13.附图说明：图1是完成步骤（a）后的结构示意图；图2是完成步骤（b）后的结构示意图；图3是完成步骤（d）后的结构示意图；图4是完成步骤（e）后的结构示意图；图5是完成步骤（f）后的结构示意图；图6是完成步骤（g）后的结构示意图；图7是完成步骤（h）后的结构示意图；图8是完成步骤（i）后的结构示意图。14.具体实施方式：如图1-8所示，一种mems悬浮敏感结构的制作方法，其特征在于：它包括以下步骤：（a）选取双抛硅片作为衬底晶圆1，其厚度为400µm。在衬底晶圆的上表面上通过光刻、刻蚀制备出一组活动空腔和一组支撑锚点3。所述一组活动空腔包括两个大面积活动空腔2和两个小面积活动空腔2a。15.两个小面积活动空腔2a位于两个大面积活动空腔之间，且两个小面积活动空腔2a为间隔分布，所述小面积活动空腔与大面积活动空腔之间的硅即为支撑锚点3。所述的一组活动空腔的深度为20µm。16.（b）衬底晶圆上键合的一块soi晶圆，其厚度为300µm。，并去除soi晶圆的顶层硅和埋氧层保留衬底层，作为敏感结构层4。敏感结构层4的厚度为50µm。17.（c）在敏感结构层4表面上通过热氧化方法在敏感结构层表面生长二氧化硅层，其厚度为4000å。18.（d）对（c）中生长的二氧化硅层上采用光刻形成图形化、而后腐蚀其它的二氧化硅层，在敏感结构层上制备出与图形化对应的二氧化硅刻蚀掩膜层5，所述的二氧化硅刻蚀掩膜层5与大面积活动空腔2相对应，位于大面积活动空腔2上方的区域内。19.（e）在敏感结构层4上涂抹光刻胶层6，光刻胶层6覆盖二氧化硅刻蚀掩膜5层，而后在光刻胶层表面上采用光刻技术制作图形化，图形化中形成一组刻蚀窗口。20.所述的一组刻蚀窗口中包括位于二氧化硅刻蚀掩膜层5上方的大宽度刻蚀窗口x。在两个大宽度刻蚀窗口x之间分布若干中宽度刻蚀窗口y和小宽度刻蚀窗口z。21.在其中一个大宽度刻蚀窗口x一侧的两个相邻的两个中宽度刻蚀窗口y之间分布有三个小宽度刻蚀窗口z，该一大、两中、三小宽度刻蚀窗口与一个大面积活动空腔2对应，在该大面积活动空腔2一侧的小面积活动空腔2a区域内还对应分布有另一个中宽度刻蚀窗口y。22.根据刻蚀窗口向下进行光刻胶层的刻蚀，从而露出敏感结构层4表面的硅和二氧化硅刻蚀掩膜层5。23.（f）利用深硅刻蚀根据（e）中制得的刻蚀窗口对敏感结构层4的硅进行一定深度的第一次深硅刻蚀。该次深硅刻蚀中由于二氧化硅刻蚀掩膜层5的阻隔，所以大宽度刻蚀窗口x无法向下刻蚀。该次深硅刻蚀中小宽度刻蚀窗口z的刻蚀深度为26µm，该深度根据刻蚀速率实验进行确认。24.（g）采用二氧化硅刻蚀机沿大宽度刻蚀窗口x向下去除二氧化硅刻蚀掩膜层5。25.（h）再次利用深硅刻蚀根据（e）中制得的刻蚀窗口对敏感结构层4的硅进行一定深度的第二次深硅刻蚀直至与活动空腔连通。由于该次深硅刻蚀时二氧化硅刻蚀掩膜层5已经被清除所以大宽度刻蚀窗口x也会向下进行深硅刻蚀，而且由于大宽度刻蚀窗口x的刻蚀速度要大于中、小宽度刻蚀窗口y、z的速度，所以可以做到三种宽度的刻蚀窗口同时刻通或大宽度刻蚀窗口略晚刻通。从而有效的确保第一、二次深硅刻蚀过程中产生的热量具有良好的路径进行散热，避免了局部温度过高引起的刻蚀损伤。26.（i）去除光刻胶和氧化层刻蚀掩膜，完成敏感结构释放。