制造硅传感器的方法以及硅传感器技术

本发明专利技术涉及一种制造硅传感器结构的方法以及一种硅传感器。根据该方法，通过在单晶硅薄片（１０）内蚀刻开口来形成至少一个弹簧元件轮廓（７）和至少一个与弹簧元件结构（７）连接的测震质量（８）的步骤。根据本发明专利技术，延伸通过该硅薄片深度的开口和沟槽（８）通过干蚀刻法制造，而用于控制该弹簧元件轮廓（７）弹簧常数的蚀刻方法以湿蚀刻法为根据。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种如权利要求1前序部分所述的制造硅传感器方法。本专利技术还涉及一种如权利要求7前序部分所述的硅传感器。本专利技术尤其旨在用于制造硅基加速度和角速度传感器。
技术介绍
至于其基本原理，硅微结构利用所谓的平面工艺，也就是说一种薄膜技术及由其发展出的制造方法。微机械制造技术包括如下方面结合不同形式的基本方法，调整它们的参数以便适应想要的应用以及设计符合需要的结构，通常在多个制造步骤中，通过将设计图案转移到基片上来实现所述结构。其中，基本方法包括沉积不同种类的薄膜、蚀刻所述薄膜以及通过例如受控的热处理改变它们的性能。薄膜工艺的基本方法包括对薄膜形成图案以及更通常通过使用形成图案方法和蚀刻方法的相互结合的技术将图案转移到结构中。最常用的形成图案技术以使用光致抗蚀剂为基础，该光致抗蚀剂通过喷涂或者旋涂(旋转)薄片施加在薄片表面或其它基片上。在烘干该抗蚀剂步骤之后，通过紫外线将该图案从掩模曝光到基片上，并且，在正抗蚀剂情况下，通过显影剂冲洗除去抗蚀剂的已曝光区域，因此在被沉积掩模层上形成的图案能进一步转移到该薄片的下层。后面的操作通过使用本领域中称为蚀刻的损耗方法来完成，根据操作机理的性质，该蚀刻称作湿蚀刻方法或干蚀刻方法。湿蚀刻在蚀刻溶液中进行，由此损耗材料溶入液态蚀刻溶液中，从而通常形成多种不同的中间化合物。这种蚀刻方法大多数是各向同性的，这意味着它们的蚀刻速率在不同取向中是相同的。然而，单晶质硅也可通过各向异性蚀刻溶液进行蚀刻，由此在不同晶体取向的基片材料中的蚀刻速率彼此很不相同。这一特性被用于传统的硅微技术中以便形成按照晶体取向对准的精确结构。各向异性硅蚀刻还有以下特征被蚀刻体积的深度非常一致以及被蚀刻表面的表面结构平滑。通常，被蚀刻体积的表面粗糙度位于百分之一的十分之一数量级。在干蚀刻方法中，气相大气的反应组分作用在薄片表面上，以便形成易挥发化合物，由此固态材料变换为气体形式。通常，反应腔在部分真空状态下操作，因而通过泵送从中除去气体反应产物。在湿蚀刻技术中，除了传统的抗蚀剂掩模之外还利用无机薄膜硬掩模来进行图案转移。这种方法通常例如在浓缩碱溶液中进行的各向异性硅蚀刻。由于光致抗蚀剂不能完整地保留在这种环境下，传统的氧化物和氮化物硬掩模用作实际的蚀刻掩模。因此，首先使用光致抗蚀剂并结合干或湿蚀刻方法，对于无机材料制成的掩模进行图案的形成。三维微结构能利用基片的整个厚度来制造，由此本领域被称为体积微结构，或者作为选择，能通过蚀刻形成要分离的结构使其大致放置在基片表面层或者沉积在基片表面上的薄膜层内。后一技术被称作表面微结构。体积微结构通过薄膜形成图案方法来制造以便在薄片表面上制成蚀刻掩模然后通过不同的蚀刻方法将图案转移到基片自身之中。干蚀刻是通常用来与气相蚀刻方法相结合以便与在液体周围介质中进行的湿蚀刻方法区分的术语。正规的干蚀刻法使用等离子放电，通常在部分真空状态下气体大气中进行电晕放电，因此所述放电由AC电场或不经常地由DC场激励。控制蚀刻方法的基本技术是调节气体大气的成分、它的压力、等离子放电的激励功率以及等离子蚀刻腔的几何形状。通过测量等离子放电的电阻抗或者使用根据监测等离子放电辐射的光学蚀刻终点系统，在到达预定的蚀刻时间的情况下终止蚀刻。可以使用从监测样品中变为可见的结构光学检测以便确定充分蚀刻的终点。使用处理气体，使其与要蚀刻的材料反应从而形成气体反应产物。其例如包括六氟化物(SF6)、四氟化碳(CF4)和氯气(CL2)。在等离子体中，气体部分游离，由此活性的氟、氯或其它原子团与正被蚀刻的基片反应。通过将一种或多种例如氩(Ar)或氦(He)的惰性气体与活性气体一起引入反应腔来调整该等离子工艺。这些气体用来稳定蚀刻反应或改进处理大气的热传导性。等离子放电性能可通过增添能够改变反应平衡状态的如氧气(O2)的气体而进一步控制。因此可以提高某些反应中的自由氟水平从而增加正被除去材料的蚀刻速率，或者作为选择，在使用光致抗蚀剂掩模时控制正被蚀刻层内的侧壁外形。影响等离子处理的第三组介质是钝化或聚合气体如甲醛(CHF3)或八氟环丁烷(C4F8)。为了在硅中蚀刻深沟槽，使用根据在脉冲或交替蚀刻循环的特殊干蚀刻法。因此，在交替步骤中使用几乎各向同性的蚀刻以便在硅图案中迅速地加工深达1μm。其后，该基片需经过钝化步骤，由此包括刚蚀刻表面的所有基片表面通过由等离子气体沉积的聚合体层覆盖。迅速各向同性蚀刻阶段的下一步骤是在该图案沟槽底部冲压聚合体层，从而将该图案加深一个增加量。与此同时，沉积在图案侧壁的聚合体层阻止它们进一步被蚀刻。蚀刻气体通常为六氟化硫，而钝化气体为八氟环丁烷。持续的交替蚀刻/钝化步骤继续到获得被蚀刻图案的所需深度为止。通过这种技术可以蚀刻通过硅薄片整个厚度的狭槽，因而高宽比(即被蚀刻沟槽的深度与宽度的比值)能达到数值10至40。这样的干蚀刻方法尤其是对于正被蚀刻的表面来说是非常各向异性的。至于蚀刻掩模的性能，本方法按常规形式给以出色的选择性系数，该选择性系数定义为基片蚀刻速率与掩模材料蚀刻速率的比值。在使用氧化物掩模时，能获得高达200至300的蚀刻选择性比值，在此同时甚至抗蚀剂掩模也能达到50-100范围内的蚀刻选择性比值。通常，传统非脉冲等离子蚀刻方法能提供的蚀刻选择性比值仅为这些值的十分之一。其中蚀刻表面粗糙度值通常为百分之几数量级。包括例如各向异性干蚀刻方法(其中沿着垂直于基片表面取向的蚀刻速率比沿着平行于基片表面取向的蚀刻速率快得多)的方法并且对于被蚀刻基片表面取向各向异性的蚀刻方法有助于开口的制造，所述开口通过大致垂直的侧壁以几乎不确定的形状延伸并且其深度甚至达到通过整个硅薄片。然而由于该方法的固有特性(ARDE，即高宽比相关蚀刻)，瞬时蚀刻速率取决于所要制造开口的几何形状。其结果是，它变为不精确的，或者甚至不能够制造所需深度的窄细槽或者例如在薄片中央平面内的弹簧元件。位于薄片中央平面内的弹簧元件能用与各向同性蚀刻方法(在所有取向中具有相等的蚀刻速率)结合的各向异性蚀刻方法来制造。然而，还没有被发现对于硅来说良好的各向同性蚀刻方法。在本领域中只有披露使用XeF2作为各向同性蚀刻气体。使其表面基本上平行于晶体结构{100}平面地排列好的单晶硅薄片能通过使用湿蚀刻方法(通常根据氢氧化钾溶液)来制造位于该薄片中央平面内的弹簧元件，所述湿蚀刻方法沿着不同的硅晶体取向各向异性地蚀刻。这种方法给出弹簧元件的良好表面质量和一致的蚀刻速率。现有技术的缺点之一在于作为单一方法的干蚀刻已经不适于在硅薄片中央平面内制造高尺寸精度弹簧元件。从另一方面来说，湿蚀刻通过蚀刻制造深结构时需要较大的薄片面积。尤其是在制造加长弹簧元件方面使用传统的湿蚀刻技术使得该弹簧元件要被大面积孔洞包围，在所述孔洞中蚀刻表面由{111}晶面形成。而且，控制弹簧元件尺寸精度非常困难，特别是其宽度在传统制造法中在蚀刻方法期间接近弹簧元件厚度终点值时迅速地减小。甚至在制造方法中或者在薄片初始厚度中的很小的变化也能造成弹簧元件端部宽度的较大偏差。因此，使用这种弹簧元件横截面几何形状来获得符合需要的弹簧元件质量几乎变为不可能。根据SOI类型的多层结构也能制造加速度传感器，所述多层结构包括一系列叠置层厚硅基片-电介体层-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来制造硅传感器结构的方法，所述方法包括通过在单晶硅薄片（１０）内蚀刻开口来形成至少一个弹簧元件轮廓（７）和至少一个与弹簧元件轮廓（７）连接的测震质量（８）的步骤，　其特征在于：延伸通过硅薄片深度的开口和沟槽（８）通过干 蚀刻法制造，以及用于控制弹簧元件轮廓（７）弹簧常数的蚀刻方法以湿蚀刻法为根据。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：H奎斯马，J拉登佩雷，R穆蒂凯宁，
申请(专利权)人：VTI技术有限公司，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]