專利名稱：一種濕法腐蝕制作集成壓阻SiO₂懸臂梁的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種二氧化硅微懸臂梁的制作方法，更確切的說涉及一種使
用四甲基氫氧化銨水溶液(TMAH)濕法腐蝕從硅片單面低成本釋放懸臂梁 結構以及三層金屬復合引線與硅壓阻形成良好的歐姆接觸的方法。屬于硅微 機械制造技術領域。
背景技術：
目前，微機械懸臂梁傳感器由于其體積微小、靈敏度高、響應迅速以及 適用性強等特點，在生化檢測、壓力敏感、慣性測量等方面得到了廣泛的應 用。其中利用應力敏感的二氧化硅微懸臂梁傳感器，由于結構簡單、靈敏度 高、信噪比高、便于在線檢測等特點，在化學檢測、生物反應、微流控芯片 等方面具有廣闊的前景。
以往的國內外許多研究者利用微電子制造技術設計制作二氧化硅懸臂梁 傳感器，但是制作方法比較復雜、成品率比較低、代價也比較昂貴。例如 Hai-Feng Ji等人曾在"Simulation of SiO2-based piezoresistive microcantilevers (Sensors and Actuators A, Vol 125, pp.526-533， 2006)"中提到一種使用深反應 離子刻蝕，從硅片背面進行深度刻蝕釋放二氧化硅懸臂梁結構。Peng Li等 人在"A single-sided micromachined piezoresistive SiO2 cantilever sensor forultra-sensitive detection of gaseous chemicals(Journal of Micromechanics and Microengineering, vol 16， pp.2536-3546, 2006)"中提到了一種單面加工的工藝 使用二氟化氙氣體腐蝕制作的二氧化硅懸臂梁。然而由于深反應離子刻蝕工 藝代價昂貴、消耗時間長，難以進行批量化的生產。二氟化氙氣體刻蝕工藝 的均勻性不好導致成品率低。并且，在二氟化氙氣體刻蝕過程中，氟離子也 會對光刻膠掩膜進行腐蝕，導致其在刻蝕結束后難以去除。此外，氟離子還 會通過化學鍵作用占據(jù)懸臂梁表面的金薄膜層，導致在后面?zhèn)鞲衅骰瘜W表面 敏感修飾過程中，無法在金薄膜層表面生長單分子自組裝層，以至于傳感器 無法工作。本發(fā)明擬尋找一種代價低廉、節(jié)約時間、成品率高、可批量生產而且能 集成壓阻的二氧化硅懸臂梁的制作工藝。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種濕法腐蝕制作集成壓阻Si02懸臂梁的方法， 所述的制作工藝包括壓阻敏感電阻的形成、金屬引線的形成、敏感薄膜粘附 層的形成和Si02懸臂梁的形成和釋放等，其特征在于使用四甲基氫氧化銨濕 法腐蝕從硅片單面低成本釋放懸臂梁結構以及使用三層金屬作為引線。
本發(fā)明采用的技術方案之一是利用TMAH溶液各向異性腐蝕的特性，以 及對于硅和二氧化硅材料的高選擇比的特點，實現(xiàn)對于二氧化硅懸臂梁的釋 放。在8(TC時，含異丙醇體積百分比為17%，重量比為25^的TMAH水溶 液對于硅<100>晶向和氧化硅的腐蝕速率分別為18 pm/h和35 A/h，選擇比達 到了5140: 1。由于懸臂梁是沿著<110>晶向的排布的，因此在TMAH溶液 中能夠快速削角腐蝕。對于本發(fā)明中的懸臂梁，2小時左右就可以完成釋放， 此過程中對于二氧化硅的影響可以忽略不計。
本發(fā)明的另一技術方案是，采用鈦-金-鉻三層復合金屬作為引線的結構， 避免了普通制造方法中使用的鋁引線會被TMAH溶液腐蝕的問題。同時，使 用鈦可以與p型壓阻形成良好的歐姆接觸，而無需進行通常工藝中的合金步 驟。金導電性優(yōu)良，能夠滿足在引線末端制作壓焊盤的要求。最上面的一層 金屬鉻引線將下面的兩層引線覆蓋住，避免其下的金屬鈦在TMAH水溶液中 被腐蝕，提供了良好的保護作用。此外，在利用本二氧化硅懸臂梁進行化學 敏感層修飾的過程中， 一般會將一根懸臂梁表面蒸發(fā)鉻金薄膜，作為生長敏 感層的粘附層。因此，在復合引線中，位于最上層的鉻引線將下面的金引線 層覆蓋，避免了敏感層在金引線上的生長。
本發(fā)明的目的通過以下制作工藝實現(xiàn)
(1) 采用SOI硅片，頂層硅用作制作壓阻敏感電阻，其厚度為 1.2^im-0.3pm。埋層氧化硅作為懸臂梁的主體，厚度為0.9pm-1.5pm。對頂層 硅進行多次氧化減薄，將頂層硅減薄至150 200nrn，熱氧化形成800~1200A 的氧化層。
(2) 光刻，用緩沖的氫氟酸溶液腐蝕氧化硅，形成壓阻圖形的腐蝕掩 膜。去除光刻膠。(3) 在50。C的KOH (氫氧化鉀)溶液中腐蝕頂層硅，直至SOI硅片的 二氧化硅埋層，在120。C濃硫酸中清洗后，將壓阻圖形的掩膜用緩沖的氫氟 酸溶液腐蝕掉。
(4) 再進行干氧氧化，形成500~1000A致密的氧化層，將壓阻圖形完 全包裹起來以絕緣。
(5) 硼離子注入，注入能量45keV，劑量3.5614 011-3。然后進行硼主擴， IOO(TC，氮氣保護，30分鐘。形成壓阻敏感的電阻。
(6) 用光刻膠做掩模，光刻出壓阻引線孔圖形，用緩沖氫氟酸腐蝕掉 氧化硅形成引線孔。
(7) 在同一腔體中先后濺射鈦、金薄膜，厚度分別在800A、 3000A以 上。依次光刻腐蝕和去膠，形成鈦、金引線。
(8) 在步驟7形成的鈦-金引線上濺射鉻金屬薄膜，厚度在2500 A以上， 光刻、腐蝕、去膠，形成保護鈦金引線的鉻引線保護層，鉻引線的寬度比下 層金屬的寬從而進行保護。同時，在鉻引線末端腐蝕出打線孔，暴露出鉻引 線下層的一部分金薄膜，用以后續(xù)步驟進行壓焊。
(9) 光刻并腐蝕氧化硅直至襯底硅，形成氧化硅懸臂梁的形狀。
(10) 光刻敏感懸臂梁上敏感薄膜粘附層的圖形。電子束蒸發(fā)300~500A 鉻層和500 800A的金層，然后利用lift-off (剝離)工藝形成敏感薄膜粘附 層。
(11) 在80。C、重量比為25%，不含異丙醇的TMAH水溶液對襯底硅
進行各向異性腐蝕，將懸臂梁全部釋放。
(12) 分片，壓焊。
綜上所述，利用本發(fā)明的方法制作的集成壓阻的二氧化硅懸臂梁具有以 下優(yōu)點
(1) 采用TMAH水溶液濕法腐蝕硅進行釋放氧化硅懸臂梁，可以進行批量 制作懸臂梁，獲得均一性良好的懸臂梁，成品率高。
(2) TMAH水溶液濕法腐蝕方法價格低廉、效率高，避免了代價昂貴、耗 費時間的化學氣體刻蝕以及反應離子刻蝕。由于腐蝕過程中不需要掩 膜，避免了以往刻蝕方法結束后帶來的去膠困難的問題。同時也簡化 了制作工藝。
(3) 采用了獨特的引線制作方法，與本發(fā)明提供的TMAH腐蝕技術能夠完全兼容，同時能夠良好進行壓阻信號的傳導，也便于與后續(xù)PCB電路
版焊接。


圖1為實施例1中集成了壓阻敏感電阻的二氧化硅懸臂梁示意圖2為實施例1中制作集成壓阻二氧化硅懸臂梁的工藝示意圖，其中(a)
SOI襯底上形成氧化層；(b)壓阻敏感電阻的形成；(c)三層金屬引線的形
成；(d)敏感薄膜粘附層的形成；(e)懸臂梁的釋放；
圖3為TMAH削角腐蝕以及形成完成釋放懸臂梁的SEM照片； 圖4是三層金屬引線與壓阻敏感電阻相連接的伏安特性曲線。 圖中-
1——二氧化硅懸臂梁上的壓阻；2——氧化硅；3——SOI硅片的二氧 化硅埋層；4——頂層硅；5——襯底硅；6——金；7——鉻；8——鈦 9——敏感薄膜粘附層(鉻金復合金屬層)。
具體實施例方式
下面通過具體實施進一步闡述本發(fā)明提供的使用四甲基氫氧化銨濕法 腐蝕的、使用三層金屬作為引線的集成壓阻二氧化硅微懸臂梁的制作方法的 實質性特點和顯著進步。但本發(fā)明絕非僅限于實施例。
實施例1
1. 在p型(100)晶面SOI(絕緣體上的硅)硅片，將頂層硅減薄至150 200nm， 熱氧化形成IOOOA的氧化層如圖2-(a)所示。
2. 光刻，用緩沖的氫氟酸溶液腐蝕氧化硅，形成壓阻圖形的腐蝕掩膜。去除 光刻膠。
3. 在50。C的KOH (氫氧化鉀)溶液中腐蝕頂層硅，直至SOI硅片的二氧化 硅埋層。并在12(TC濃硫酸中清洗后，將壓阻圖形的掩膜用緩沖的氫氟酸溶 液腐蝕掉。
4. 再進行干氧氧化，形成800A致密的氧化層，將壓阻圖形完全包裹起來。
5. 硼離子注入，注入能量45keV，劑量3.5el4cm—3。
6. 硼主擴，1000°C，氮氣保護，30分鐘。如圖2-(b)所示。
7. 用光刻膠做掩模，光刻出壓阻引線孔圖形，用緩沖氫氟酸腐蝕掉氧化硅形成引線孔。
8. 在同一腔體里面先后濺射鈦、金厚度分別為800A、 3000A。光刻，腐蝕 金，形成引線圖形，去膠。
9. 以金作為掩膜，使用5(TC的雙氧水腐蝕金屬鈦，形成引線。
10. 濺射金屬輅，厚度為2500 A。光刻，腐蝕鉻，使鉻線條覆蓋住下面的金 和鈦引線并留出金壓焊盤，去膠。如圖2-(c)
11. 光刻并腐蝕氧化硅直至襯底硅，形成懸臂梁圖形。
12. 光刻敏感懸臂梁上敏感薄膜粘附層的圖形。
13. 電子束蒸發(fā)鉻300A鉻層和600A金層，利用lift-off (剝離)工藝形成敏 感薄膜粘附層。如圖2-(d)。
14. 在8(TC、重量比為25%、不含異丙醇的TMAH水溶液中腐蝕硅，直至懸 臂梁完全釋放。如圖2-(e)。
15. 分片，壓焊。
通過以上方法制作的二氧化硅微懸臂梁的壓阻伏安特性曲線如圖4所 示，鈦金引線與壓阻形成了良好的歐姆接觸。懸臂梁結構的SEM照片如圖3 所示?？梢钥闯觯瑧冶哿横尫沤Y構完整，釋放均勻性良好，復合引線完好。 圖中懸臂梁的尺寸為100pm長，25pm寬。
實施例2
在N型(100)晶面SOI硅片上制作，其工藝過程與實施例1雷同。
權利要求
1、一種濕法腐蝕制作集成壓阻SiO2懸臂梁的方法，包括壓阻敏感電阻的形成，金屬引線的形成、敏感薄膜粘附層的形成和懸臂梁的形成和釋放，其特征在于使用四甲基氫氧化銨水溶液濕法腐蝕從硅片單面釋放懸臂梁和使用鈦金鉻三層復合金屬作為引線，與硅壓阻形成歐姆接觸。
2、 按權利要求1所述的濕法腐蝕制作集成壓阻Si02懸臂梁的方法，其特征在于制備步驟為(1) 采用SOI硅片，頂層硅用于制作壓阻敏感電阻，埋層氧化硅作為懸臂梁的主體，對頂層硅進行多次氧化減薄，然后熱氧化形成氧化層；(2) 光刻，用緩沖的氫氟酸溶液腐蝕氧化硅，形成壓阻圖形的腐蝕掩膜并去除光刻膠；(3) 在KOH溶液中腐蝕頂層硅，直至SOI硅片的二氧化硅埋層，在120'C濃硫酸中清洗后，將壓阻圖形的掩膜用緩沖的氫氟酸溶液腐蝕掉；.(4) 再進行干氧氧化，形成致密的氧化層，將壓阻圖形完全包裹起來以絕緣；(5) 硼離子注入，然后進行硼主擴，以形成壓阻敏感的電阻；(6) 用光刻膠做掩模，光刻出壓阻引線孔圖形，用緩沖氫氟酸腐蝕掉氧化硅形成引線孔。(7) 在同一腔體中先后濺射鈦、金薄膜，依次光刻腐蝕和去膠，形成鈦、金引線。(8) 在步驟7形成的鈦-金引線上濺射鉻金屬薄膜，光刻、腐蝕、去膠，形成保護鈦金引線的鉻引線保護層，同時，在鉻引線末端腐蝕出打線孔，暴露出鉻引線下層的一部分金薄膜，用以后續(xù)步驟進行壓焊；(9) 光刻并腐蝕氧化硅直至襯底硅，形成氧化硅懸臂梁的形狀；(10) 光刻敏感懸臂梁上敏感薄膜粘附層的圖形，電子束蒸發(fā)鉻層和金層，再利用剝離工藝形成敏感薄膜粘附層；(11) 在8(TC，利用質量比為25%，不含異丙醇的TMAH水溶液對襯底硅進行各向異性腐蝕，將懸臂梁全部釋放。 '
3、 按權利要求2所述的濕法腐蝕制作集成壓阻Si02懸臂梁的方法，其特征在于采用SOI硅片的頂層硅的厚度為0.3~1.2pm，埋層氧化硅厚度為0.9~1.5[xm。
4、 按權利要求2或3所述的濕法腐蝕制作集成壓阻Si02懸臂梁的方法，其特征在于頂層硅減薄至150 200nm，然后熱氧化形成的氧化層厚度為800 1200A。
5、 按權利要求2所述的濕法腐蝕制作集成壓阻Si02懸臂梁的方法，其特征在于所述的步驟(4)干氧化形成的致密氧化層厚度500 1000A。
6、 按權利要求2所述的濕法腐蝕制作集成壓阻Si02懸臂梁的方法，其特征在于所述的步驟(5)硼離子注入的能量為4.5kev，劑量為3.5e 14cm'3;硼主擴的工藝條件是氮氣保護下，于100(TC溫度下持續(xù)30分鐘。
7、 按權利要求1或2所述的濕法腐蝕制作集成壓阻Si02懸臂梁的方法，其特征在于步驟(7)先后濺射的鈦薄膜厚度和金薄膜厚度分別在800A和3000A以上。
8、 按權利要求7所述的濕法腐蝕制作集成壓阻Si02懸臂梁的方法，其特征在于在步驟(7)形成的鈦、金引線上濺射鉻金屬薄膜，鉻引線的寬度比下層鈦、金引線寬，鉻金屬厚度在2500A以上。
9、 按權利要求1或2所述的濕法腐蝕制作集成壓阻Si02懸臂梁的方法，其特征在于形成的敏感薄膜粘附層由絡層和金層組成，其中鉻層厚度為300~500A，金層厚度為500~800A。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用濕法腐蝕在硅片單面低成本制作集成壓阻二氧化硅懸臂梁的方法，屬于硅微機械制造技術領域。具體特征是使用四甲基氫氧化銨水溶液通過各向異性腐蝕釋放二氧化硅懸臂梁結構，并且使用鈦金鉻三層復合金屬作為引線，與硅壓阻形成良好的歐姆接觸，同時兼容濕法腐蝕以及后期的化學敏感修飾。本發(fā)明的特點是制作工藝成本低廉、節(jié)約時間、成品率高、可批量生產且便于和壓敏電阻集成。
文檔編號C23F1/10GK101590997SQ20091005322
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月17日 優(yōu)先權日2009年6月17日
發(fā)明者李昕欣, 楊永亮, 瀅 陳 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所