一種多晶硅懸臂梁陣列結構及其制備方法和應用與流程
[0001]
本發明屬于微機電系統領域，尤其涉及一種多晶硅懸臂梁陣列結構及其制備方法和應用。
背景技術：
[0002]
微機械系統致力于將能量傳遞、運動變換和控制調節集成為一體，微構件由此常被設計成具有多種功能的組合器件。例如，微構件常被要求將界面信號轉換為機械信號進而完成機械運動，這就需要其具備一定的彈性形變。而許多微機電系統如微型馬達、微型齒輪、微型開關等整體尺寸很小，微構件與襯底間的距離在幾納米甚至幾微米量級。由于尺寸效應，當微構件尺寸接近納米尺度時，它將表現出許多與宏觀尺寸構件截然不同的性質。隨著尺寸的減小，表面積與體積之比增大，表面效應增強，與構件表面積成比例的表面力(如靜電力、范德華力、流體中的粘性拖力等)會取代體積力(慣性力)而成為主導力。微構件的尺寸微小，且易發生彈性形變，這些特性都使其極易受到表面力的影響，彎向下面的襯底，因此，在微構件的制造生產和運行過程中，都可能由于粘著力過大，使微器件的性能受到嚴重影響，甚至動作失效。粘附問題是造成廢品的重要原因，并直接導致微機電系統(mems)的一次成品率低、成本隨即增加。
[0003]
微構件間的粘附已然成為影響mems成品率和可靠性的主要原因之一。要克服粘附問題，人們首先想到在構件結構設計和制作工藝方面做些調整，但往往收效不大。從概念上分析，降低懸臂梁襯底表面的表面能應是最基本的措施，表面改性是一種降低表面能的有效方法。
[0004]
因此，微構件表面改性被認為是降低懸臂梁襯底表面能，進一步解決mems中粘附問題，提高懸臂梁工作可靠性的一個有效手段。
技術實現要素：
[0005]
本發明實施例的目的在于提供一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，旨在解決背景技術中提出的問題。
[0006]
本發明實施例是這樣實現的，一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其包括以下步驟：
[0007]
在硅片襯底上沉積一層的類金剛石薄膜(dlc膜)；
[0008]
干法刻蝕所述類金剛石薄膜后，再在其表面生長二氧化硅層；
[0009]
利用cf4和he的混合氣體干法刻蝕所述二氧化硅層后，再在其表面生長多晶硅層；
[0010]
利用cl2和he的混合氣體干法刻蝕所述多晶硅層后，再腐蝕去除所述二氧化硅層，形成多晶硅懸臂梁，并經清洗、烘干后，得到所述多晶硅懸臂梁陣列結構。
[0011]
作為本發明實施例的一個優選方案，所述類金剛石薄膜的厚度為50～150nm。
[0012]
作為本發明實施例的另一個優選方案，所述硅片襯底為si(100)。
[0013]
作為本發明實施例的另一個優選方案，所述cf4和he的混合氣體中，cf4與he的體積
比為(1～3):(5～7)。
[0014]
cf4生成cf
3*
、cf
2*
、cf
*
和f
*
活性基，當它們與sio2作用時，生成可揮發的氟化硅氣體，由于cf
3*
不腐蝕硅，只腐蝕硅化物，而f
*
則對硅有很大的腐蝕性，為了避免去凈sio2后傷及下面的單晶硅層，則希望cf
3*
多而f
*
少，摻入適量的he就可以抑制f
*
的產生以及f
*
的活性，使sio2與硅的相對腐蝕速率(選擇比)增大。
[0015]
作為本發明實施例的另一個優選方案，所述cl2和he的混合氣體中，cl2和he的體積比為(2～4):(6～8)。
[0016]
作為本發明實施例的另一個優選方案，所述步驟中，利用hf緩沖液腐蝕去除所述二氧化硅層。
[0017]
作為本發明實施例的另一個優選方案，所述hf緩沖液包括hf、nh4f和h2o。
[0018]
作為本發明實施例的另一個優選方案，所述hf緩沖液中，hf、nh4f和h2o的體積比為10:(30～50):(2～4)。
[0019]
本發明實施例的另一目的在于提供一種上述制備方法制得的多晶硅懸臂梁陣列結構。
[0020]
本發明實施例的另一目的在于提供一種上述的多晶硅懸臂梁陣列結構在微機電系統中的應用。
[0021]
本發明實施例提供的一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，可有效提高多晶硅懸臂梁工作可靠性，其通過在襯底上制備一層dlc膜薄層對襯底表面進行改性，并通過干法刻蝕技術使dlc膜圖形化，利用犧牲層技術得到多晶硅懸臂梁陣列結構。該多晶硅懸臂梁陣列結構不需要改變懸臂梁的形態就可以得到更優異的效果，其未發生粘附的多晶硅懸臂梁長度明顯增加，說明懸臂梁與襯底之間因為dlc膜的存在，毛細引力和固體間粘著力有效降低，襯底的表面能得到了有效的減弱，懸臂梁構件發生負面彎曲的幾率大大減小，有效提高了多晶硅懸臂梁工作的可靠性。
[0022]
其中，該dlc膜具有優異的耐磨性能，低的摩擦系數，具有自潤滑特性，是一種理想的表面抗磨損改性膜。
[0023]
微結構受到的表面作用力主要由毛細引力和范德華力引起。在大氣環境下和有液體存在的環境下，毛細作用力起主要作用，在構件和襯底接觸處涂覆疏水性涂層，可以有效地減弱毛細引力的作用；范德華力(fvdw)是由原子瞬間偶極運動引起的相互作用產生的，范德華力在一定程度上總是存在的，可以采用低表面能的表面層來減小范德華力的作用。這種dlc膜具有的低表面能和疏水特性，正好可以用作襯底表面改性材料，提高懸臂梁工作可靠性。
[0024]
使用這種方法的目的在于dlc膜可以用很小的厚度隔離開懸臂梁和襯底，降低懸臂梁與襯底之間的毛細引力和固體間粘著力，降低襯底表面能，減弱懸臂梁構件發生負面彎曲的幾率，提高多晶硅懸臂梁工作可靠性。
附圖說明
[0025]
圖1為沉積dlc膜的示意圖。
[0026]
圖2是刻蝕dlc膜的示意圖。
[0027]
圖3是刻蝕dlc膜的俯視示意圖。
[0028]
圖4是生長二氧化硅層的示意圖。
[0029]
圖5刻蝕二氧化硅層的示意圖。
[0030]
圖6刻蝕二氧化硅層的俯視示意圖。
[0031]
圖7是生長多晶硅的示意圖。
[0032]
圖8是刻蝕多晶硅的示意圖。
[0033]
圖9是刻蝕多晶硅的俯視示意圖。
[0034]
圖10是本發明實施例提供的一種多晶硅懸臂梁陣列結構的示意圖。
[0035]
圖11是實施例1提供的有dlc膜的多晶硅懸臂梁掃描電鏡示意圖。
[0036]
圖12是對比例1提供的沒有dlc膜的多晶硅懸臂梁掃描電鏡示意圖(圖11與圖12的放大倍數一致)。
[0037]
圖13為測量粘附力的曲線圖。
[0038]
圖中：1-硅片襯底，2-dlc膜，3-二氧化硅層，4-多晶硅層，5-多晶硅懸臂梁。
具體實施方式
[0039]
為下面將結合本發明實施例中，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0040]
實施例1
[0041]
該實施例提供了一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其包括以下步驟：
[0042]
s1、如附圖1所示，采用現有的等離子體增強化學的氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)技術在si(100)硅片襯底1上沉積一層厚度為100nm的類金剛石薄膜(dlc膜2)。
[0043]
s2、如附圖2所示，干法刻蝕上述dlc膜2后(其俯視圖如附圖3所示)，再利用現有的pecvd技術在其表面生長二氧化硅層3，如附圖4所示。其中，該步驟干法刻蝕的具體工藝為：在射頻電場的作用下，進入反應室的o2產生輝光放電，生成了活性基o*與dlc膜發生反應，生成可揮發的co、co2氣體。
[0044]
s3、如附圖5所示，光刻后，利用cf4和he的混合氣體干法刻蝕上述二氧化硅層3(其俯視圖如附圖6所示)，然后利用現有的低壓力化學氣相沉積法(low pressure chemical vapor deposition，lpcvd)在其表面生長多晶硅層4，如附圖7所示。其中，cf4和he的混合氣體中，cf4與he的體積比為2:6。
[0045]
s4、如附圖8所示，利用cl2和he的混合氣體干法刻蝕上述多晶硅層4后，再利用hf緩沖液腐蝕去除上述二氧化硅層3(其俯視圖如附圖9所示)，形成多晶硅懸臂梁5，并經清洗、烘干后，即可得到多晶硅懸臂梁陣列結構，如附圖10所示。其中，cl2和he的混合氣體中，cl2和he的體積比為3:7；hf緩沖液包括hf、nh4f和h2o，且hf、nh4f和h2o的體積比為10:40:3。
[0046]
實施例2
[0047]
該實施例提供了一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其包括以下步驟：
[0048]
s1、如附圖1所示，采用現有的等離子體增強化學的氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)技術在si(100)硅片襯底1上沉積一層厚度為50nm的
類金剛石薄膜(dlc膜2)。
[0049]
s2、如附圖2所示，干法刻蝕上述dlc膜2后(其俯視圖如附圖3所示)，再利用現有的pecvd技術在其表面生長二氧化硅層3，如附圖4所示。
[0050]
s3、如附圖5所示，光刻后，利用cf4和he的混合氣體干法刻蝕上述二氧化硅層3(其俯視圖如附圖6所示)，然后利用現有的低壓力化學氣相沉積法(low pressure chemical vapor deposition，lpcvd)在其表面生長多晶硅層4，如附圖7所示。其中，cf4和he的混合氣體中，cf4與he的體積比為1:7。
[0051]
s4、如附圖8所示，利用cl2和he的混合氣體干法刻蝕上述多晶硅層4后，再利用hf緩沖液腐蝕去除上述二氧化硅層3(其俯視圖如附圖9所示)，形成多晶硅懸臂梁5，并經清洗、烘干后，即可得到多晶硅懸臂梁陣列結構，如附圖10所示。其中，cl2和he的混合氣體中，cl2和he的體積比為2:8；hf緩沖液包括hf、nh4f和h2o，且hf、nh4f和h2o的體積比為10:30:2。
[0052]
實施例3
[0053]
該實施例提供了一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其包括以下步驟：
[0054]
s1、如附圖1所示，采用現有的等離子體增強化學的氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)技術在si(100)硅片襯底1上沉積一層厚度為150nm的類金剛石薄膜(dlc膜2)。
[0055]
s2、如附圖2所示，干法刻蝕上述dlc膜2后(其俯視圖如附圖3所示)，再利用現有的pecvd技術在其表面生長二氧化硅層3，如附圖4所示。
[0056]
s3、如附圖5所示，光刻后，利用cf4和he的混合氣體干法刻蝕上述二氧化硅層3(其俯視圖如附圖6所示)，然后利用現有的低壓力化學氣相沉積法(low pressure chemical vapor deposition，lpcvd)在其表面生長多晶硅層4，如附圖7所示。其中，cf4和he的混合氣體中，cf4與he的體積比為3:5。
[0057]
s4、如附圖8所示，利用cl2和he的混合氣體干法刻蝕上述多晶硅層4后，再利用hf緩沖液腐蝕去除上述二氧化硅層3(其俯視圖如附圖9所示)，形成多晶硅懸臂梁5，并經清洗、烘干后，即可得到多晶硅懸臂梁陣列結構，如附圖10所示。其中，cl2和he的混合氣體中，cl2和he的體積比為4:6；hf緩沖液包括hf、nh4f和h2o，且hf、nh4f和h2o的體積比為10:50:4。
[0058]
實施例4
[0059]
該實施例提供了一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其包括以下步驟：
[0060]
s1、如附圖1所示，采用現有的等離子體增強化學的氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)技術在si(100)硅片襯底1上沉積一層厚度為80nm的類金剛石薄膜(dlc膜2)。
[0061]
s2、如附圖2所示，干法刻蝕上述dlc膜2后(其俯視圖如附圖3所示)，再利用現有的pecvd技術在其表面生長二氧化硅層3，如附圖4所示。
[0062]
s3、如附圖5所示，光刻后，利用cf4和he的混合氣體干法刻蝕上述二氧化硅層3(其俯視圖如附圖6所示)，然后利用現有的低壓力化學氣相沉積法(low pressure chemical vapor deposition，lpcvd)在其表面生長多晶硅層4，如附圖7所示。其中，cf4和he的混合氣體中，cf4與he的體積比為1.5:5.5。
[0063]
s4、如附圖8所示，利用cl2和he的混合氣體干法刻蝕上述多晶硅層4后，再利用hf緩沖液腐蝕去除上述二氧化硅層3(其俯視圖如附圖9所示)，形成多晶硅懸臂梁5，并經清
force)。從圖中可以看出，探針與dlc膜表面間的粘附力在3.8nn左右，而探針與si(100)表面間的粘附力在11.2nn左右。因此，采用dlc膜對si表面進行改性有效地降低了多晶硅懸臂梁與襯底間粘附力，使未發生粘附的多晶硅懸臂梁長度統計平均值從不到80μm增加到145μm左右。
[0078]
通過觀測未發生粘附的懸臂梁的臨界長度，可以計算懸臂梁與襯底間單位面積上的粘附能γ
s
。
[0079]
若取多晶硅楊氏模量為為170gpa，無dlc膜時，多晶硅懸臂梁臨界長度為80μm，單位面積上粘附能γ
s
大約為49.8mjm-2
；有dlc膜時，臨界長度為145μm，多晶硅懸臂梁與襯底間單位面積的粘附能大約為4.6mjm-2
。可以看出，dlc膜有效地降低懸臂梁與襯底間的粘附能。
[0080]
用掃描電子顯微鏡觀測未發生粘附的多晶硅懸臂梁最長長度。觀察實施例1有dlc膜的多晶硅懸臂梁發生粘附情況的掃描電鏡圖，如圖11所示；觀察對比例1沒有dlc膜的多晶硅懸臂梁發生粘附情況的掃描電鏡圖，如圖12所示；在超凈實驗室中，用原子力顯微鏡測量s(100)和dlc膜表面粘附力，硅探針緩慢壓在固體表面上，然后探針向上移動與固體表面分離，通過探針在固體表面“壓入－分離”過程中法向力隨位移變化來表征固體表面的粘附力。
[0081]
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
技術特征：
1.一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：在硅片襯底上沉積一層的類金剛石薄膜；干法刻蝕所述類金剛石薄膜后，再在其表面生長二氧化硅層；利用cf4和he的混合氣體干法刻蝕所述二氧化硅層后，再在其表面生長多晶硅層；利用cl2和he的混合氣體干法刻蝕所述多晶硅層后，再腐蝕去除所述二氧化硅層，形成多晶硅懸臂梁，并經清洗、烘干后，得到所述多晶硅懸臂梁陣列結構。2.根據權利要求1所述的一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其特征在于，所述類金剛石薄膜的厚度為50～150nm。3.根據權利要求1所述的一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其特征在于，所述硅片襯底為si(100)。4.根據權利要求1所述的一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其特征在于，所述cf4和he的混合氣體中，cf4與he的體積比為(1～3):(5～7)。5.根據權利要求1所述的一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其特征在于，所述cl2和he的混合氣體中，cl2和he的體積比為(2～4):(6～8)。6.根據權利要求1所述的一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其特征在于，所述步驟中，利用hf緩沖液腐蝕去除所述二氧化硅層。7.根據權利要求6所述的一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其特征在于，所述hf緩沖液包括hf、nh4f和h2o。8.根據權利要求7所述的一種多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法，其特征在于，所述hf緩沖液中，hf、nh4f和h2o的體積比為10:(30～50):(2～4)。9.一種如權利要求1～8中任一項所述制備方法制得的多晶硅懸臂梁陣列結構。10.一種如權利要求9所述的多晶硅懸臂梁陣列結構在微機電系統中的應用。
技術總結
本發明適用于微機電系統領域，提供了一種多晶硅懸臂梁陣列結構及其制備方法和應用，該多晶硅懸臂梁陣列結構的制備方法包括以下步驟：在硅片襯底上沉積一層的類金剛石薄膜；干法刻蝕所述類金剛石薄膜后，再在其表面生長二氧化硅層；利用CF4和He的混合氣體干法刻蝕所述二氧化硅層后，再在其表面生長多晶硅層；利用Cl2和He的混合氣體干法刻蝕所述多晶硅層后，再腐蝕去除所述二氧化硅層，形成多晶硅懸臂梁，并經清洗、烘干后，得到所述多晶硅懸臂梁陣列結構。本發明制得的多晶硅懸臂梁陣列結構的襯底的表面能得到了有效的減弱，懸臂梁構件發生負面彎曲的幾率大大減小，有效提高了多晶硅懸臂梁工作的可靠性。硅懸臂梁工作的可靠性。硅懸臂梁工作的可靠性。
