MEMS器件中的拱形结构及其制造方法、MEMS器件 |
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| 申请号 | CN201610115279.7 | 申请日 | 2016-03-01 | 公开(公告)号 | CN107140597A | 公开(公告)日 | 2017-09-08 |
| 申请人 | 中国科学院微电子研究所; | 发明人 | 高建峰; 贺晓彬; 赵超; 李俊峰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种MEMS器件中的拱形结构的形成方法，包括：提供衬底；在衬底上 旋涂 SU‑8的第一 光刻 胶 层并进行第一 烘烤 工艺，而后对所述第一光刻胶层进行曝光；在所述第一光刻胶层上旋涂SU‑8的第二光刻胶层；将所述衬底进行静置，以使得第一光刻胶层的曝光区域的光酸扩散至未曝光的第一光刻胶层及第二光刻胶层；进行第二烘烤工艺，以使得有光酸的区域的环 氧 基交联而形成拱形结构；进行显影。该方法基于光刻工艺形成拱形结构，易于小型化和批量生产，形成光滑且连续表面的拱形结构，具有高 稳定性 和可靠性，此外与传统的CMOS工艺兼容，易于在MEMS器件中的集成。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种MEMS器件中的拱形结构的形成方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | MEMS器件中的拱形结构及其制造方法、MEMS器件技术领域[0001] 本发明涉及MEMS器件及其制造领域，特别涉及一种MEMS器件中的拱形结构及其制造方法、MEMS器件。 背景技术[0002] MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System)是在半导体制造技术的基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的电子机械器件，是集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。 [0003] 拱形结构又叫推力结构，是MEMS器件中的一种常用结构，广泛应用于传感器、微型压电驱动器、薄膜体声波谐振器及滤波器中。拱形结构的特点是把其受到的压力分解呈向下的压力和向外的推力，与平面结构相比，具有自释放残余应力、面内应变径向应变转化、跨度大及刚度大等优势。 [0004] 在拱形结构的制备中，希望形成的拱形结构的表面光滑且为连续的表面，以增强器件结构的稳定性和可靠性，而随着器件尺寸的不断缩小，拱形结构的尺寸也趋于微米级。目前拱形结构的主要形成方法有球模具法、平面牺牲层法、压力控制成拱及各向同性腐蚀法等，这些方法中，有的便于控制形成光滑且连续表面的拱形结构，但难以小型化和批量生产，有的便于批量生产但工艺却难以控制形成高稳定性和可靠性的结构，难以满足目前MEMS器件中对拱形结构的要求。 发明内容[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种MEMS器件中的拱形结构及其形成方法、MEMS器件，易于小型化和批量生产，且形成的拱形结构具有高稳定性和可靠性。 [0006] 为实现上述目的，本发明有如下技术方案： [0007] 一种MEMS器件中的拱形结构的形成方法，包括： [0008] 提供衬底； [0010] 在所述第一光刻胶层上旋涂SU-8的第二光刻胶层； [0011] 将所述衬底进行静置，以使得第一光刻胶层的曝光区域的光酸扩散至未曝光的第一光刻胶层及第二光刻胶层； [0013] 进行显影。 [0014] 可选地，所述第一光刻胶层和第二光刻胶层厚度比例的范围为0.5:1～3:1。 [0016] 可选地，进行第二烘烤工艺时，升温速率为5-25℃/min，升温至90-100℃，并保温30-60min。 [0017] 可选地，在进行显影之后，还包括： [0018] 进行第三烘烤工艺，以固化拱形结构。 [0019] 可选地，进行第三烘烤工艺时，烘烤的温度范围为135-350℃，烘烤的时间范围为1-3小时。 [0020] 可选地，在衬底上旋涂SU-8的第一光刻胶层之前，还包括：对所述衬底进行烘烤工艺。 [0021] 可选地，对所述衬底进行烘烤工艺时，烘烤的温度范围为120-150℃，烘烤的时间范围为30-300s。 [0022] 此外，本发明还提供了一种拱形结构，所述拱形结构由环氧基交联形成。 [0023] 此外，本发明还提供了一种MEMS器件，包括拱形结构，所述拱形结构由环氧基交联形成。 [0024] 本发明实施例提供的MEMS器件中的拱形结构及其形成方法、MEMS器件，在形成拱形结构时，先形成一层SU-8的光刻胶层，并对该光刻胶层进行曝光，并在该光刻胶层上再形成一层SU-8的光刻胶层，在曝光时光刻胶层中的光引发剂吸收光子产生了光化学反应，生成光酸，在静置之后，光酸扩散到另一层光刻胶层，在后续的烘烤工艺中，曝光的区域以及扩散有光酸的区域在光酸的催化作用下，分子发生交联，交联反应以链式增长，每一个环氧基都能与同一个分子或不同分子中的其他环氧基结合，再经交联扩展就形成了致密的呈拱形的结构。该方法基于光刻工艺形成拱形结构，易于小型化和批量生产，形成光滑且连续表面的拱形结构，具有高稳定性和可靠性，此外与传统的CMOS工艺兼容，易于在MEMS器件中的集成。附图说明 [0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0026] 图1示出了根据本发明实施例拱形结构的形成方法的流程图； [0027] 图2-7示出了根据本发明实施例的制造方法，在形成器件的各个过程中，拱形结构的剖面结构示意图； [0028] 图8示出了根据本发明实施例的制造方法在不同的工艺条件下形成的拱形结构在显微镜下的图片。 具体实施方式[0029] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。 [0030] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。 [0031] 其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。 [0032] 本发明提出了一种MEMS器件中的拱形结构的形成方法，参考图1所示，该方法包括： [0033] S01，提供衬底； [0034] S02，在衬底上旋涂SU-8的第一光刻胶层并进行第一烘烤工艺，而后对所述第一光刻胶层进行曝光； [0035] S03，在所述第一光刻胶层上旋涂SU-8的第二光刻胶层； [0036] S04，将所述衬底进行静置，以使得第一光刻胶层的曝光区域的光酸扩散至第二光刻胶层； [0037] S05，进行第二烘烤工艺，以使得有光酸的区域的环氧树脂交联而形成拱形结构； [0038] S06，进行显影。 [0039] 在本发明提供的MEMS器件中的拱形结构的形成方法中，在形成拱形结构时，先形成一层SU-8的光刻胶层，并对该光刻胶层进行曝光，并在该光刻胶层上再形成一层SU-8的光刻胶层，在曝光时光刻胶层中的光引发剂吸收光子产生了光化学反应，生成光酸，在静置之后，光酸扩散到另一层光刻胶层，在后续的烘烤工艺中，曝光的区域以及扩散有光酸的区域在光酸的催化作用下，分子发生交联，交联反应以链式增长，每一个环氧基都能与同一个分子或不同分子中的其他环氧基结合，再经交联扩展就形成了致密的呈拱形的结构。该方法基于光刻工艺形成拱形结构，易于小型化和批量生产，形成光滑且连续表面的拱形结构，具有高稳定性和可靠性，此外与传统的CMOS工艺兼容，易于在MEMS器件中的集成。 [0040] 为了更好的理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合流程图对具体的实施例进行详细的描述和说明。 [0041] 在步骤S01，提供衬底100，参考图2所示。 [0042] 在本发明实施例中，所述衬底100可以为Si衬底、Ge衬底、SiGe衬底、SOI(绝缘体上硅，Silicon On Insulator)或GOI(绝缘体上锗，Germanium OnInsulator)、三五族化合物及二四族化合物半导体等。在其他实施例中，所述衬底还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，例如GaAs、InP或SiC等，还可以为叠层结构，例如Si/SiGe等，还可以其他外延结构，例如SGOI(绝缘体上锗硅)等。 [0043] 在本发明的实施例中，根据在不同的MEMS器件中的应用，所述衬底100上还可以已经形成有其他所需的结构，例如衬底100上已经形成有SiO2、SiN、或金属薄膜等薄膜结构，金属薄膜例如Ti，Al，Ta，TiN，TaN，NiFe等。 [0044] 在步骤S02，在衬底100上旋涂SU-8的第一光刻胶层110并进行第一烘烤工艺，而后对所述第一光刻胶层110进行曝光，参考图2-图3所示。 [0045] 为了便于光刻胶的旋涂并去除衬底100表面吸附的水分，在进行旋涂光刻胶之前，可以对衬底100进行烘烤工艺，烘烤的温度范围可以为120-150℃，烘烤的时间范围可以为30-300s。在一个具体的实施例中，烘烤的温度为140℃，烘烤的时间为60s。 [0046] 接着，进行SU-8的第一光刻胶层110的旋涂，参考图2所示。在一个具体的实施例中，第一光刻胶层选用SU-81060光刻胶，旋涂的速率为800RRM/min，旋涂的厚度大约为32um。 [0047] 在本发明中，第一光刻胶层为SU-8光刻胶，SU-8光刻胶是一种环氧型、近紫外光的负光刻胶，在每一个分子中都含有8个环氧基，通常地，可以通过环氧树脂SU-8溶解在有机溶剂丁内酯中，而后添加一定量的引发剂三苯基硫盐制备而成，添加的三苯基硫盐的重量可以为环氧树脂SU-8重量的10％。 [0048] 接着，对第一光刻胶层110进行第一烘烤工艺，该第一烘烤工艺是曝光前的烘烤工艺，为了去除第一光刻胶层110中的大部分溶剂以及稳定光刻胶的感光特性。在一些实施例中，在第一烘烤工艺中，烘箱可以升温至90-100℃，升温速率可以为5-25℃/min，升温到预定温度之后，可以保温30-50min，而后冷却。在一个具体的实施例中，在第一烘烤工艺中，烘箱升温至95℃，升温速度为20℃/min，升温之后，保温40min，而后冷却。 [0049] 而后，对第一光刻胶层110进行曝光，参考图3所示。 [0050] 在曝光工艺中，第一光刻胶层110中的光引发剂吸收光子发生光发化学反应，生成一种强酸，称为光酸，该光酸存在于第一光刻胶层110的曝光区域112，而在第一光刻胶层110中的未曝光区域并不存在该光酸。 [0051] 在一个具体的实施例中，曝光时间可以为1200msec，汞灯功率可以为600mW/(cm2*s)。 [0052] 在步骤S03，在所述第一光刻胶层110上旋涂SU-8的第二光刻胶层120，参考图4所示。 [0053] 在一个具体的实施例中，第二光刻胶层120也选用SU-81060光刻胶，旋涂的速率为2000RRM/min，旋涂的厚度大约为15um。在本发明其他实施例中，根据需要第二光刻胶层可以选择与第一光刻胶层相同或不同型号的SU-8光刻胶。 [0054] 在本发明实施例中，选择不同厚度比例的第二光刻胶层120和第一光刻胶层110，会影响后续形成的拱形结构的形貌的弧度，在优选的实施例中，所述第一光刻胶层和第二光刻胶层厚度比例的范围为0.5:1～3：1，在一个具体的实施例中，第一光刻胶层的厚度为32um，第二光刻胶层的厚度为15um。 [0055] 在步骤S04，将所述衬底100进行静置，以使得第一光刻胶层的曝光区域112的光酸扩散至未曝光的第一光刻胶层及第二光刻胶层120，参考图5所示。 [0056] 可以根据具体的需要在一定温度和湿度的环境中，将上述衬底100静置一定的时间，由于第二光刻胶层并未进行烘烤工艺，第二光刻胶层中的溶剂重新将第一光刻胶层浸润，使得第一光刻胶层的曝光区域112的光酸扩散至未曝光的光刻胶层110、120中，由于光酸是向四周均匀的扩散，扩散后光酸的区域呈圆弧形，参考图5所示。在后续的烘烤工艺中，光酸会起到催化剂的作用，促进环氧基的交联。 [0057] 在本发明的实施例中，将所述衬底进行静置时，环境的温度范围可以为20-25℃，环境的湿度范围可以为30％-50％，静置的时间可以为0.5-3小时。在一个具体的实施例中，环境的温度为21℃，环境的湿度为40％，静置时间为1小时。在静置之后，参考图5所示，第一光刻胶层的曝光区域112中的光酸扩散到未曝光的第一光刻胶层110和第二光刻胶层120中。 [0058] 在步骤S05，进行第二烘烤工艺，以使得有光酸的区域的环氧基交联而形成拱形结构130，参考图6所示。 [0059] 在该第二烘烤工艺中，曝光区域以及扩散有光酸的区域在光酸的催化作用下，环氧基发生交联反应，交联反应以链式增长，每一个环氧基都与同一分子或不同分子中的其他环氧基交联，相互交联的环氧基形成了致密的交联网络，参考图6所示，该致密的交联网络即为拱形结构130。 [0060] 在本发明的实施例中，进行第二烘烤工艺时，升温速率可以为5-25℃/min，升温的目标温度可以为90-100℃，并保温的时间可以30-60min，而后冷却。在一个具体的实施例中，在第二烘烤工艺中，烘箱升温至95℃，升温速度为20℃/min，升温之后，保温40min，而后冷却。 [0061] 在步骤S06，进行显影。 [0062] 上一步骤中形成的交联网络不会溶于显影剂中，而未发生交联的部分将在显影时溶于显影剂，而被去除，从而在衬底上形成拱形结构130，参考图7所示。 [0063] 在一个具体的实施例中，用SU-8光刻胶的专用显影剂显影9分钟，将拱形结构130之外的光刻胶去除，仅在衬底100上保留拱形结构130。 [0064] 在形成拱形结构之后，更优地，还进行第三烘烤工艺，以固化拱形结构。 [0065] 该第一烘烤工艺的目的是使得拱形结构更为固化，使得该拱形结构在后续能够承受其他工艺的高温环境，且具有较好的粘附性。 [0066] 在本发明一些实施例中，进行第三烘烤工艺时，烘烤的温度范围可以为135-350℃，烘烤的时间范围可以为1-3小时。在一个具体的实施例中，烘烤温度为320℃，烘烤时间为2小时，这样，固化了拱形结构，在后续薄膜沉积工艺中能承受至少300℃的高温，同时具有好的粘附性。 [0067] 至此，形成了本发明实施例的拱形结构，可以理解的是，根据不同工艺条件的选择，形成的拱形结构的弧度会有所不同，在本发明中，拱形结构是相对于平面结构的结构，拱形结构是指至少顶部的一部分为具有弧度的结构，例如可以为圆弧结构或圆弧顶结构等，圆弧顶结构指仅顶部为具有弧度而侧壁不具有弧度。 [0068] 如图8所示，为采用本发明实施例的方法形成的拱形结构在显微镜下的图片，在图8所示的A、B、C中的拱形结构，在形成过程中采用了不同的工艺条件，如形成过程中的第一光刻胶层和第二光刻胶层厚度、烘烤工艺条件以及静置的工艺条件等，可以看到，在不同的工艺条件下，形成的拱形结构具有不同弧度和形貌，另外，拱形结构的表面光滑且连续，使得拱形结构具有高稳定性和可靠性。 [0069] 此外，本发明还提供了由上述任一方法形成的拱形结构，由上述任一方法形成的拱形结构，由环氧基交联形成。 [0070] 此外，本发明还提供了MEMS器件，包括由上述任一方法形成的拱形结构，该拱形结构由环氧基交联形成，MEMS器件例如为微透镜(Micro Lense)，微电感，微型压电驱动器，薄膜体声波谐振器及滤波器等。 [0071] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。 |
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