一种带有硅通孔的硅MEMS微结构的加工工艺制造技术

本发明专利技术提供了一种带有硅通孔的硅MEMS微结构的加工工艺，用于在硅结构内加工形成硅槽和硅通孔，包括在硅结构晶圆一侧制作光刻胶和第一铝或钛金属膜，加工后分别作为硅通孔和硅槽的刻蚀工艺图形掩模，同时在硅结构晶圆另一侧淀积第二铝或钛金属膜作为刻蚀阻挡层。本发明专利技术中，采用的铝或钛金属膜与硅具有良好的黏附性，且在硅刻蚀过程中具有很高的刻蚀选择比；在硅硅结构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，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；采用金属膜作为刻蚀阻挡层，能够避免通孔底部电荷积累造成的刻蚀结构底部损伤问题。

【技术实现步骤摘要】
一种带有硅通孔的硅MEMS微结构的加工工艺
本专利技术属于微机电系统(MEMS)制造
，特别涉及一种带有硅通孔的硅MEMS微结构的加工工艺。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术中的不足，本专利技术人进行了锐意研究，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。本专利技术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。根据本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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本专利技术中带有硅通孔的硅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采用本专利技术制备流程加工的实施例一硅柱结构显微镜照片；图6采用本专利技术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专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。本专利技术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图形对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有硅通孔的硅MEMS微结构的加工工艺，其特征在于，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：/n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；/n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；/n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；/n步骤四：去除光刻胶；/n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；/n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；/n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；/n步骤八：去除光刻胶；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一种带有硅通孔的硅MEMS微结构的加工工艺，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的带有硅通孔的硅MEMS微结构的加工工艺，其特征在于，步骤一中，所述第一金属膜为钛金属膜或铝金属膜；
步骤五中，所述第二金属膜为钛金属膜或铝金属膜。


3.根据权利要求2所述的带有硅通孔的硅MEMS微结构的加工工艺，其特征在于，在步骤三中，采用干法刻蚀加工第一金属膜时，采用氯基刻蚀反应气体；采用湿法腐蚀加工第一金属膜时，若第一金属膜为铝金属膜，湿法腐蚀采用磷酸；若第一金属膜为钛金属膜，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。


4.根据权利要求1所述的带有硅通孔的硅MEMS微结构的加工工艺，其特征在于，在步骤七和步骤九中，采用干法刻蚀工艺刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：张乐民，刘福民，张树伟，崔尉，梁德春，杨静，刘宇，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11