本發明屬于微機電器件制造技術領域，具體地講，涉及一種微機電器件的制備方法。

背景技術：

硅基微機電系統目前已經廣泛的應用在軍事、生物醫學以及光學領域中。在微機電器件的體硅制作工藝中，深硅刻蝕工藝憑借其高深寬比、垂直度高的優勢仍舊占據主導地位；但是設備使用成本較高、在刻蝕過程中的導熱問題一直是影響深硅刻蝕效果的最大因素，尤其是導熱面處有較高臺階高度；當刻蝕面積較大用于制備大尺寸的微機電器件時，導熱問題就更加凸顯，經常造成表面的保護膠體破裂甚至提前被刻蝕干凈，而普通的濕法腐蝕工藝由于材料自身晶向原因使其無法獲得垂直的側壁。因此，尋找一種適合大尺寸的微機電器件制備，并且可以實現高深寬比及垂直度高的性能的方法是亟待解決的問題。

技術實現要素：

為解決上述現有技術存在的問題，本發明提供了一種微機電器件的制備方法，該制備方法通過調整金屬層的組分和厚度、以及刻蝕液中各組分的含量，制備得到了具有毫米尺寸的微機電器件。

為了達到上述發明目的，本發明采用了如下的技術方案：

一種微機電器件的制備方法，包括：圖形化硅片，在所述硅片的表面形成若干光刻膠掩膜；其中，所述若干光刻膠掩膜之間形成所述硅片的暴露區；在所述硅片的具有光刻膠掩膜的一側沉積金屬層；其中，所述金屬層包括疊層設置的3nm～8nm厚的Ag層和8nm～12nm厚的Au層；將所述具有金屬層和光刻膠掩膜的硅片浸入刻蝕液中，所述暴露區被刻蝕，形成微機電器件。

進一步地，所述金屬層包括依次疊層設置在所述光刻膠掩膜和所述硅片的暴露區的表面上的5nm厚的Ag層和10nm厚的Au層。

進一步地，所述刻蝕液包括氫氟酸和過氧化氫；其中，在所述刻蝕液中，所述氫氟酸的質量分數為20％～23％，所述過氧化氫的質量分數為10％～12％。

進一步地，在所述刻蝕液中，所述氫氟酸的質量分數為22％，所述過氧化氫的質量分數為11％。

進一步地，所述圖形化硅片步驟具體包括：在所述硅片上涂布光刻膠層；對所述光刻膠層進行光刻曝光，在所述硅片的表面形成若干光刻膠掩膜。

進一步地，所述光刻膠層的厚度為1μm～2μm。

進一步地，所述光刻膠層的光刻曝光時間為5.5s～7.5s。

進一步地，在所述硅片上涂布光刻膠層之前，對所述硅片進行清潔處理；其中，清潔處理的方法具體包括：將所述硅片依次置于丙酮、乙醇和去離子水中分別超聲清洗5min～10min；將所述硅片置于濃硫酸和過氧化氫的混合溶液中進行無機清洗15min～20min；其中，所述濃硫酸和所述過氧化氫的體積之比為3:1；用N₂吹干所述硅片。

進一步地，在將所述具有金屬層和光刻膠掩膜的硅片浸入所述刻蝕液中之前，將所述具有金屬層和光刻膠掩膜的硅片浸入緩沖刻蝕液中30s～60s，用去離子水清洗后用N₂吹干。

進一步地，所述緩沖刻蝕液包括氫氟酸和氟化銨；其中，在所述緩沖刻蝕液中，所述氫氟酸和所述氟化銨的質量分數之比為1:5。

本發明通過調整金屬層的組分和厚度、以及刻蝕液中各組分的含量，制備得到了具有毫米尺寸的微機電器件；與此同時，根據本發明的制備方法獲得的微機電器件其中的刻蝕孔具有高深寬比以及垂直側壁的特點。與現有技術中的干法深硅刻蝕相比，克服了由于導熱不均造成保護膠體被破壞的不良情況；同時相比于現有技術中的濕法腐蝕工藝，還避免了由于硅片晶向導致無法獲得垂直側壁的問題。

附圖說明

通過結合附圖進行的以下描述，本發明的實施例的上述和其它方面、特點和優點將變得更加清楚，附圖中：

圖1是根據本發明的實施例的覆蓋有光刻膠層的硅片的結構示意圖；

圖2是根據本發明的實施例的覆蓋有光刻膠掩膜的硅片的結構示意圖；

圖3是根據本發明的實施例的覆蓋有金屬膜及光刻膠掩膜的硅片的結構示 意圖；

圖4是根據本發明的實施例的覆蓋有金屬膜及光刻膠掩膜的微機電器件的結構示意圖；

圖5是根據本發明的實施例的微機電器件的結構示意圖；

圖6是根據本發明的實施例的微機電器件的掃描電鏡圖；

圖7是圖6的A區域的局部放大的掃描電鏡圖。

具體實施方式

以下，將參照附圖來詳細描述本發明的實施例。然而，可以以許多不同的形式來實施本發明，并且本發明不應該被解釋為限制于這里闡述的具體實施例。相反，提供這些實施例是為了解釋本發明的原理及其實際應用，從而使本領域的其他技術人員能夠理解本發明的各種實施例和適合于特定預期應用的各種修改。在附圖中，為了清楚起見，可以夸大元件的形狀和尺寸，并且相同的標號將始終被用于表示相同或相似的元件。

本發明的實施例公開了一種大尺寸(毫米尺寸)的微機電器件的制備方法，與此同時，在制備過程中，克服了現有技術中大尺寸的微機電器件的制備過程中存在的導熱問題，同時使制備得到的微機電器件中的刻蝕孔具有垂直側壁以及高深寬比的特點。以下將對本實施例的微機電器件的制備方法進行詳細的描述，根據本實施例的微機電器件的制備方法包括如下步驟。

步驟一：對硅片1a進行清潔處理。具體地，首先依次利用丙酮、乙醇和去離子水對硅片1a進行超聲清洗，清洗時間均為5min；然后利用體積比為3:1的濃硫酸和過氧化氫的混合溶液對所述硅片1a進行無機清洗15min；最后將經過清洗后的硅片1a用N₂吹干。

步驟一中所述對硅片1a的清潔處理，丙酮、乙醇和去離子水對硅片1a依次進行超聲清洗的時間一般均控制在5min～10min即可，而利用所述濃硫酸和過氧化氫的混合溶液對硅片1a進行無機清洗的時間一般控制為15min～20min即可，以去除所述硅片1a表面的有機、無機等雜質。

步驟二：在經過清潔處理的硅片1a的其中一表面上旋涂1μm～2μm厚的光刻膠，在硅片1a的表面上形成光刻膠層2a，如圖1所示。

在本實施例中，所述光刻膠為AZ5214型光刻膠；優選地，為了使后續光刻 曝光的效果更好，將覆蓋有光刻膠層2a的硅片1a在95℃下前烘處理90s～100s。

步驟三：采用光刻機對所述光刻膠層2a進行光刻曝光，得到預制備的微機電器件1的圖形；也就是說，部分光刻膠層2a被去除形成預制備的微機電器件1的圖形，而剩余的光刻膠層2a則保留形成光刻膠掩膜2。如此，被所述光刻膠掩膜2覆蓋的部分形成硅片1a的覆蓋區，而未被所述光刻膠掩膜2覆蓋的、在所述光刻膠掩膜2之間的部分則形成所述硅片1a的暴露區，如圖2所示。

在本實施例中，光刻曝光時間為6s，但本發明并不限制于此，一般地，控制光刻曝光時間為5.5s～7.5s即可滿足要求。

當然，在對所述光刻膠層2a進行光刻曝光后，還需將所述硅片1a置于顯影液中進行顯影，才可完全形成預制備的微機電器件1的圖形。在本實施例中，所述硅片1a在所述顯影液中顯影的時間為30s～50s。然后，將經過顯影的硅片1a用大量的去離子水進行沖洗，并用N₂進行吹干處理。

步驟四：將覆蓋有光刻膠掩膜2的硅片1a置于緩沖刻蝕液(簡稱BOE溶液)中浸泡30s左右，以去除所述硅片1a表面的自然氧化層。

在本實施例中，所述BOE溶液為5:1BOE溶液，也就是說，在所述BOE溶液中，氫氟酸和氟化銨的質量分數分別為6％和30％，質量分數之比為1:5；與此同時，覆蓋有光刻膠掩膜2的硅片1a在BOE溶液中浸泡的時間一般控制為30s～60s即可。

步驟五：用電子束蒸發法在所述硅片1a的覆蓋有光刻膠掩膜2的一側沉積金屬層3，所述光刻膠掩膜2以及硅片1的暴露區的表面上均沉積形成金屬層3，如圖3所示。

值得說明的是，金屬層3包括疊層設置在光刻膠掩膜2和硅片1a的暴露區的表面上的3nm～8nm厚的Ag層31和8nm～12nm厚的Au層32；優選地，Ag層31的厚度為5nm，而Au層32的厚度為10nm，且Ag層21和Au層32依次疊層設置在所述光刻膠掩膜2和硅片1a的暴露區的表面上。

步驟六：將覆蓋有光刻膠掩膜2和金屬層3的硅片1a置于刻蝕液中浸泡14h，硅片1a的暴露區被刻蝕去除，得到微機電器件1，如圖4所示。

在本實施例中，刻蝕液由40％(wt％)氫氟酸水溶液、30％(wt％)過氧化氫水溶液以及去離子水混合而成，所述40％(wt％)氫氟酸水溶液、30％(wt％)過氧化氫水溶液以及去離子水的體積比為41:20:139；也就是說，在所述刻蝕液 中，氫氟酸的質量分數為22.2％，過氧化氫的質量分數為10.8％；一般地，控制刻蝕液中氫氟酸的質量分數為20％～23％，過氧化氫的質量分數為10％～12％即可。

以上述刻蝕液刻蝕硅片1a的過程其實質是一個電化學反應，該電化學反應的總反應式如式(1)所示：

Si+HF+H₂O₂→H₂SiF₆+H₂O+H₂ (1)

在刻蝕過程中，金屬層3相當于微陰極，其可促進氧化劑過氧化氫的分解，過氧化氫分解后產生的H⁺會注入到金屬層3下的硅片1a中并刺激所述硅片1a產生空穴，從而使得硅片1a的暴露區被氧化，而刻蝕液中的氫氟酸則會繼續腐蝕被氧化后的硅片1a，從而達到刻蝕暴露區的目的；也就是說，在上述暴露區的腐蝕的過程中，金屬層3中的金屬對上述電化學反應起到了金屬催化的作用，而其他未覆蓋有金屬層3的硅片1a則不會被所述刻蝕液刻蝕掉。

在本實施例中，制備得到的微機電器件1具有刻蝕孔11；其中，刻蝕孔11的深度通過控制刻蝕時間(即在刻蝕液中的浸泡時間)以及刻蝕速率來控制，而其寬度則由位于暴露區的金屬層3的寬度來決定。隨著暴露區逐漸被刻蝕去除，刻蝕孔11逐漸加深，而位于暴露區表面上的金屬層3即逐漸下移，并始終保持在刻蝕孔11的底部并與硅片1a相接觸。

步驟七：將光刻膠掩膜2以及金屬層3進行剝離，得到如圖5中所示的微機電器件1的結構。

對本實施例制備得到的微機電器件1進行了掃描電鏡測試，測試結果分別如圖6和圖7所示。在圖6和圖7中，可以清晰地看出所述微機電器件1處于毫米尺寸，屬于大尺寸的微機電器件1；與此同時，可以看出所述微機電器件1中的刻蝕孔11具有高深寬比的特點，有利于提高該微機電器件1的表面積，同時該刻蝕孔11還具有垂直的側壁。

值得說明的是，大尺寸(毫米尺寸)的微機電器件的制備方法與小尺寸(納米或微米尺寸)的微機電器件的制備方法相比，主要存在刻蝕方向性和刻蝕過程中的擴散效應難以把握的問題。所謂刻蝕方向性是指刻蝕垂直度問題，在刻蝕過程中，微機電器件1中的刻蝕孔11的側壁垂直度會出現偏差；所謂刻蝕過程中的擴散效應是指在刻蝕過程中由于催化效應產生的空穴過多，擴散到周圍的硅片1a之中，從而造成非目標區域的硅片1a(即硅片1a的覆蓋區)仍然被 刻蝕的現象。在本實施例中，以疊層設置的3nm～8nm厚的Ag層31和8nm～12nm厚的Au層32作為金屬層3的材料，同時，通過調整刻蝕液中各組分的含量為20％～23％(wt％)氫氟酸和10％～12％(wt％)過氧化氫，達到了制備具有高深寬比及垂直側壁的刻蝕孔11的微機電器件1，所述微機電器件1的制備方法不僅克服了干法深硅刻蝕中存在的由于導熱不均造成保護膠體被破壞的不良情況，同時還避免了濕法腐蝕工藝由于硅片晶向導致無法獲得垂直側壁的問題。

為驗證本實施例的金屬層3中Ag層31和Au層32的厚度，以及刻蝕液中各組分的含量對制備結果的影響，分別針對上述實施例進行了對比例1和對比例2。

對比例1

在對比例1的描述中，與上述實施例的相同之處在此不再贅述，只描述與上述實施例的不同之處。對比例1與上述實施例的不同之處在于，在步驟五中，金屬層3包括依次疊層設置在光刻膠掩膜2和暴露區的表面上的5nm厚的Ag層31和5nm厚的Au層32；其余步驟均參照上述實施例中所述，制備得到了微機電器件1。

通過對所述對比例1中的微機電器件1進行測試，發現本對比例1中的微機電器件1在刻蝕的過程中，擴散效應降低，硅片1a的刻蝕速率下降，微機電器件1中刻蝕孔11的側面垂直度較差。因此說，用作金屬層3的Ag層31和Au層32的厚度對最后制備得到的微機電器件1能夠獲得垂直度好的側壁起到關鍵的作用。

對比例2

在對比例2的描述中，與上述實施例的相同之處在此不再贅述，只描述與上述實施例的不同之處。對比例2與上述實施例的不同之處在于，在步驟六中，在所述刻蝕液中，氫氟酸的質量分數為8.6％，而過氧化氫的質量分數為33.1％，本對比例2所述刻蝕液由40％(wt％)氫氟酸水溶液和30％(wt％)過氧化氫水溶液、以及去離子水混合而成，混合時40％(wt％)氫氟酸水溶液、30％(wt％)過氧化氫水溶液以及去離子水的體積比為16:62:122；其余步驟均參照上述實施例中所述，制備得到了微機電器件1。

通過對所述對比例2中的微機電器件1進行測試，發現本對比例2中的微機電器件1在刻蝕的過程中，擴散效應明顯，微機電器件1的表面被破壞，微 機電器件1中的刻蝕孔11的側壁的垂直度較差。因此說，刻蝕液中各組分的含量對最后制備得到的微機電器件1能夠獲得良好的形貌起到關鍵的作用。

本發明通過調整金屬層的組分和厚度、以及刻蝕液中各組分的含量，制備得到了具有毫米尺寸的微機電器件；與此同時，根據本發明的制備方法獲得的微機電器件其中的刻蝕孔具有高深寬比以及垂直側壁的特點。與現有技術中的干法深硅刻蝕相比，克服了制備大尺寸微機電器件時由于導熱不均造成保護膠體被破壞的不良情況；同時與現有技術中的濕法腐蝕工藝相比，還避免了由于硅片晶向導致無法獲得垂直側壁的問題。另外，根據本發明的微機電器件的制備方法，工藝簡單，成本較低。

雖然已經參照特定實施例示出并描述了本發明，但是本領域的技術人員將理解：在不脫離由權利要求及其等同物限定的本發明的精神和范圍的情況下，可在此進行形式和細節上的各種變化。