专利名称：一种mems拱形结构的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种MEMS拱形结构的制造方法，它的直接应用领域是微机电系统 (MEMS)器件的制造领域。
背景技术：
微机电系统(MEMS)中的拱形结构是MEMS器件中的一种常见结构。它一般包括曲梁和壳等，此结构通常用于制造可动的微结构，应用于各类微传感器和微执行器中。对于各种形式的平面可动结构，其制作方式比较简单，工艺非常成熟。与平面可动结构相比，拱形结构在跨度、挠度、结构稳定性、抗弯能力以及抗粘附性等方面更具有优势。文献 1 (Cheol-Hyun Han 等，论文名称Micromachined piezoelectric ultrasonic transducerson dome-shaped-diaphragm in silicon substrate,1999 IEEE Ultrasonics Symoposium Proceedings，1999 年 10 月，P1167-1172)是在拱形模具上制作了一种MEMS拱形结构。此方法是在硅片正面上各向同性刻蚀出一个直径为2mm的孔洞， 由于采用各向同性腐蚀，腐蚀面为曲型凹面，然后在凹面内制作拱形结构型换能器，最后通过硅片背面刻蚀除去拱形结构换能器下面的硅，形成完整独立的拱形结构。该方法的优点是制造工艺简单，缺点是由于需要刻蚀厚度2mm的硅片，制造效率较低，拱形结构的尺寸较大。文献 2(Robert B. Reichenbach 等，Resistively actuated micromechanical dome resonators, Proceedings of SPIE，Vol. 5344，2004，P 51-58)是一种微机械谐振器， 它的制造方法为通过在SiO2牺牲层上制作出多晶硅薄膜，在1200°C高温退火，并释放S^2 牺牲层，在多晶硅薄膜内产生压应力，多晶硅薄膜拱起，形成MEMS拱形结构。该方法的优点是可以批量制作。缺点是1)由于拱形结构制作在牺牲层上，在制作拱形结构之前需要刻蚀牺牲层，在牺牲层四周产生比较陡直的台阶，容易导致断裂；2)经过高温退火来释放S^2 牺牲层，在拱形结构内部产生了较大的热应力和压应力，对结构造成安全隐患；3)高温工艺还会对集成在同一芯片上的电路的性能产生影响。因此，急需一种适合制作微米级、内应力较小、牺牲层台阶平滑的拱形结构的低温制造方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种MEMS拱形结构的制造方法，以克服现有MEMS拱形结构制造工艺中的拱形结构尺寸大、内应力较大、牺牲层台阶处不平滑的问题。为实现上述目的，本发明的一种MEMS拱形结构的制造方法，包括以下步骤(1)在硅片上进行光刻、刻蚀，形成沟槽；(2)在所述形成了沟槽的硅片上淀积SW2牺牲层；(3)采用第一次化学机械抛光工艺，对硅片的表面进行平整化，将硅片表面的S^2 去除干净，沟槽内填满S^2牺牲层；
(4)采用第二次化学机械抛光工艺，去掉硅片表面的一定厚度的硅层；(5)在所述两次抛光工艺后的硅片上淀积支撑层；(6)光刻支撑层，并在支撑层上开出腐蚀窗口 ；(7)采用干法或湿法腐蚀工艺，腐蚀去掉S^2牺牲层，最终形成一种MEMS拱形结构。所述步骤(1)中的沟槽深度为1-10 μ m。所述步骤O)中的S^2牺牲层厚度大于沟槽的深度。所述步骤(3)中进行化学机械抛光，其抛光的深度不超过S^2牺牲层的厚度。所述步骤中进行化学机械抛光，其抛光的深度不超过沟槽的深度。所述步骤(5)中的支撑层的材料可以是多晶硅或氮化硅或各种金属。根据不同器件用途，若需要保留沟槽内的SiO2牺牲层，所述步骤(7)可以不操作。有益效果由于本发明方法采用了上述的技术方案，与已报道的工艺技术相比，本发明的 MEMS拱形结构的制造方法具有以下特点1.本发明方法由于采用了选择性化学机械抛光工艺，不会在拱形结构内部产生应力，使拱形结构的内应力较小，避免了拱形结构内部存在较大预应力。拱形结构由两次选择性化学机械抛光工艺形成，SiO2牺牲层/Si界面与抛光垫完全充分接触，因此，牺牲层台阶处平滑，避免了容易断裂的问题。2.本发明方法采用了低温工艺，与文献2相比，避免了高温工艺对对集成在同一芯片上的电路或器件的性能产生影响。3.文献1的硅片厚度为2毫米，采用同向异性腐蚀，因此其孔洞的直径是2毫米， 无法形成微米级，而本发明方法则采用光刻刻蚀挖沟槽，沟槽的宽度和深度都只有几微米， 能达微米级，其拱形结构的尺寸更小，因此，本发明制作的拱形结构能实现微米级结构，工艺简单、制作效率高。
图1是在硅片上进行光刻、刻蚀，形成沟槽后的硅片剖面示意图；图2是在图1的硅片上淀积S^2牺牲层后的剖面示意图；图3是在图2的硅片上平整化后的剖面示意图；图4是在图3的硅片上去掉硅片表面的一定厚度后的剖面示意图；图5是在图4的硅片上淀积支撑层后的剖面示意图；图6是在图5的硅片上光刻支撑层、腐蚀去掉S^2牺牲层、最终形成一种MEMS拱形结构的剖面示意图；图1-6中，1为硅片，2为沟槽，3为SW2牺牲层，31为一次CMP后的SW2牺牲层， 32为二次CMP后的拱形SW2牺牲层，4为支撑层。
具体实施例方式下面结合具体实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明的具体步骤如下
1.在硅片1上进行光刻、刻蚀，形成沟槽2 (1)选用<100>晶向、厚度5邪士2(^111、电阻率7-13 0 .cm的P型硅片1，清洗，氧化，氧化层厚度为0. 6 士0. 05 μ m ；(2)常规光刻，开出沟槽区域2 ；(3)用氟化铵腐蚀剂，刻蚀去掉沟槽区域2上的SW2 ；(4)用质量百分比20% 30%的KOH溶液、70°C下，湿法刻蚀3 5min，形成沟槽 2，沟槽的深度为3 5 μ m，如图1所示。2.在所述形成了沟槽的硅片上淀积SW2牺牲层3 对形成了沟槽的硅片进行清洗，在400°C下、采用PECVD工艺，淀积3 5 μ m厚的 SiO2牺牲层3，如图2所示。其中，牺牲层厚度必须大于沟槽的深度。3.采用第一次化学机械抛光工艺，对硅片的表面进行平整化，将硅片表面的S^2 去除干净，沟槽内填满SiO2牺牲层31 选用二氧化硅抛光液，采用常规化学机械抛光(CMP)工艺对硅片进行平整化，将硅片表面的SiA去除干净，在沟槽内仍填满SiA牺牲层31，其厚度为3 4 μ m。如图3所示。其中，抛光的深度不能超过牺牲层的厚度。4.采用第二次化学机械抛光工艺，去掉硅片表面的1 2 μ m厚度的硅层选用单晶硅抛光液，采用常规化学机械抛光工艺对硅片表面进行抛光，去掉硅片表面1 2 μ m厚度的硅层。由于单晶硅抛光液对单晶硅的腐蚀速率远大于其对S^2的腐蚀速率，因此沟槽内的拱形SW2牺牲层32形成了向上凸的拱形结构，SW2牺牲层32的厚度为3 4μπι，如图4所示。其中，抛光的深度不超过沟槽的深度。5.在所述两次抛光工艺后的硅片上淀积支撑层将所述两次抛光工艺后的硅片进行清洗，在400°C下采用PECVD工艺，淀积1 2 μ m厚的氮化硅，作为支撑层4，如图5所示。支撑层4材料可是多晶硅、氮化硅以及各种金属。6.光刻支撑层，并在支撑层上开出腐蚀窗口。7.采用干法或湿法腐蚀工艺，腐蚀去掉S^2牺牲层，最终形成一种MEMS拱形结构，如图6所示。根据不同器件用途的需要，若需要保留沟槽内的SiOJS牲层可以不进行步骤(7) 的操作。本发明方法中所指的光刻、刻蚀、去胶、清洗、SiO2的干法/湿法腐蚀以及CMP工艺、PECVD工艺等均为本领域技术人员常规技术，也不是本发明方法的主题，在此不再详述。
权利要求
1.一种MEMS拱形结构的制造方法，其特征在于包括以下步骤(1)在硅片上进行光刻、刻蚀，形成沟槽；(2)在所述形成了沟槽的硅片上淀积S^2牺牲层；(3)采用第一次化学机械抛光工艺，对硅片的表面进行平整化，将硅片表面的SiO2去除干净，沟槽内填满SiO2牺牲层；(4)采用第二次化学机械抛光工艺，去掉硅片表面的一定厚度的硅层；(5)在所述两次抛光工艺后的硅片上淀积支撑层；(6)光刻支撑层，并在支撑层上开出腐蚀窗口；(7)采用干法或湿法腐蚀工艺，腐蚀去掉S^2牺牲层，最终形成一种MEMS拱形结构。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS拱形结构的制造方法，其特征在于所述步骤(1) 中的沟槽深度为1-10 μ m。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS拱形结构的制造方法，其特征在于所述步骤(2) 中的SiO2牺牲层厚度大于沟槽的深度。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS拱形结构的制造方法，其特征在于所述步骤(3) 中进行化学机械抛光，其抛光的深度不超过S^2牺牲层的厚度。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS拱形结构的制造方法，其特征在于所述步骤(4) 中进行化学机械抛光，其抛光的深度不超过沟槽的深度。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS拱形结构的制造方法，其特征在于所述步骤(5) 中的支撑层的材料可以是多晶硅或氮化硅或各种金属。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS拱形结构的制造方法，其特征在于根据不同器件用途，若需要保留沟槽内的SiO2牺牲层，所述步骤(7)可以不操作。
全文摘要
本发明公开了一种MEMS拱形结构的制造方法，通过运用牺牲层技术、选择性化学机械抛光以及镀膜技术，制作出一种新颖的MEMS拱形结构。本发明制作的拱形结构能实现微米级结构，工艺简单、制作效率高；由于采用低温工艺，避免了高温退火工艺对器件性能的影响；由于拱形结构内应力小，避免了拱形结构内部存在较大预应力；牺牲层台阶处平滑，避免了容易断裂的问题。本发明广泛应用于MEMS器件制造领域。
文档编号B81C1/00GK102358613SQ20111030864
公开日2012年2月22日 申请日期2011年10月12日 优先权日2011年10月12日
发明者吴建, 徐俊, 杨增涛, 陈俊, 黄磊 申请人:中国电子科技集团公司第二十四研究所