一种X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法

摘要

本发明公开了一种X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，在一硅晶片衬底的两面上分别沉积一层低应力氮化硅薄膜，利用一掩膜板将氮化硅窗口图形转移至之相应的覆盖在一氮化硅薄膜上的光刻胶上，并形成光刻胶的被曝光显影的光刻开口区、及未曝光显影的非光刻区，通过光刻开口区刻蚀该氮化硅薄膜并暴露硅晶片衬底，在硅晶片衬底上刻蚀出氮化硅窗口图形沟槽，并在氮化硅窗口图形沟槽的底部与另一层氮化硅薄膜之间形成一层硅残留层，最后利用湿法刻蚀移除硅残留层。本发明使得氮化硅薄膜窗口的损伤减少并更加规则，可以任意调节硅衬底的厚度，缩短成品的制作周期时间，提高了成品率和生产效益。

权利要求

1.一种X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一硅晶片衬底，所述硅晶片衬底包含硅晶片衬底顶面和硅晶片衬底底面；

可选的，在所述硅晶片衬底顶面进行化学抛光形成化学抛光面、在所述硅晶片衬底底面进行化学机械平坦化形成化学机械抛光面；

在所述硅晶片衬底顶面沉积一层第一氮化硅薄膜、在所述硅晶片衬底底面沉积一层第二氮化硅薄膜；

进行匀胶工艺以在所述第一氮化硅薄膜上形成一层光刻胶；

提供一至少包含一个氮化硅窗口图形的掩膜板；

利用所述掩膜板进行光刻工艺，形成所述光刻胶的被曝光显影的光刻开口区、及未曝光显影的非光刻区；

通过所述光刻开口区刻蚀所述第一氮化硅薄膜；

进行深硅刻蚀工艺，在所述硅晶片衬底的由于刻蚀所述第一氮化硅薄膜所暴露的区域上刻蚀出氮化硅窗口图形沟槽，并且，在所述氮化硅窗口图形沟槽的底部与所述第二氮化硅薄膜之间形成一层硅残留层；

进行湿法刻蚀，刻蚀移除所述硅残留层；

其中，利用气份比例占50.0％-90.0％的六氟化硫的混合气体进行深硅刻蚀工艺，刻蚀循环周期为0.1-30次，刻蚀磁场强度为0.1-10特斯拉，刻蚀射频功率为2000-4000瓦，刻蚀时间为1-30分钟；

湿法刻蚀是利用0-50％的氢氧化钾溶液、在50-90℃下进行的，湿法刻蚀的刻蚀时间为0-60分钟。

2.如权利要求1所述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其特征在于，所述硅晶片衬底为100晶向的单晶硅。

3.如权利要求1所述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其特征在于，所述第一氮化硅薄膜、第二氮化硅薄膜均是利用低压化学气相沉积法所沉积厚度为100纳米的低应力氮化硅薄膜。

4.如权利要求1所述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其特征在于，刻蚀所述第一氮化硅薄膜是利用活性离子刻蚀实现的。

5.如权利要求1所述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其特征在于，所述硅晶片衬底的厚度为525微米，所述光刻胶为50微米厚度的聚甲基丙烯酸甲酯胶；

其中，所述深硅刻蚀工艺是利用气份比例占80.5％的六氟化硫的混合气体进行的，且刻蚀循环周期为3次、刻蚀磁场强度为1特斯拉、刻蚀射频功率为3000瓦、刻蚀时间为15分钟；

并形成20微米厚度的所述硅残留层。

6.如权利要求5所述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其特征在于，进行所述深硅刻蚀工艺，至少保留部分厚度的所述非光刻区的光刻胶。

7.如权利要求6所述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其特征在于，所述湿法刻蚀是利用20％的氢氧化钾溶液、在80℃下进行的；

其中，所述湿法刻蚀的刻蚀时间为45分钟，用于完全移除所述非光刻区的光刻胶，以及移除所述硅残留层。

8.如权利要求1所述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其特征在于，所述硅晶片衬底的厚度为525微米，所述光刻胶为3微米厚度的聚甲基丙烯酸甲酯胶；

其中，所述深硅刻蚀工艺是利用气份比例占87.5％的六氟化硫的混合气体进行的，且刻蚀循环周期为2次、刻蚀磁场强度为1特斯拉、刻蚀射频功率为3500瓦、刻蚀时间为15分钟；

并形成20微米厚度的所述硅残留层。

9.如权利要求8所述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其特征在于，进行所述深硅刻蚀工艺，完全刻蚀掉位于所述非光刻区的光刻胶；

同时，完全刻蚀掉所述第一氮化硅薄膜，以及对所述硅晶片衬底进行部分刻蚀用于将所述硅晶片衬底的厚度减薄至200微米。

10.如权利要求9所述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其特征在于，所述湿法刻蚀是利用20％的氢氧化钾溶液、在80℃下进行的；

其中，所述湿法刻蚀的刻蚀时间为45分钟，用于完全移除所述硅残留层。

说明书

一种X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种精密射线显微术的氮化硅窗口的制造方法，特别涉及一种X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法。

背景技术

[0002] 当前用于X射线显微透镜成像用的氮化硅窗口的制备方法包括的技术环节为：用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或是低压化学气相沉积法(LPCVD)在硅片上镀一层一定厚度的氮化硅薄膜，在氮化硅薄膜上涂抹一层光刻胶进行光刻、显影，并进行活性离子刻蚀(RIE)，最后进行湿法腐蚀或是干法腐蚀以得到氮化硅窗口。

[0003] 在硅、二氧化硅的刻蚀中会常用到SF6，多氟族的各向异性较差(尤其是SF6)，因为SF6提供了多氟，可对硅进行较为强烈的蚀刻，但是氟硅化合物沸点太低，聚合物(polymer)聚集困难，容易造成过蚀刻。

[0004] 当前氮化硅窗口的制备方法的主要缺陷是：由于硅腐蚀速率上存在各向异性，所获得的成品的形状与期望形状易出现较大的偏差；而且厚硅片需要的腐蚀时间偏长，导致氮化硅窗口受到的损伤较大，容易产生污染物；硅衬底的厚度难以按要求进行调节。

[0005] 鉴于上述问题，本发明公开一种X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法。其具有如下文所述之技术特征，以解决现有的问题。

发明内容

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，该方法成本低廉、生产制作简单、工艺稳定，并且能有效提高产品良品率和生产效益。

[0007] 本发明的一种X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，包括以下步骤：

[0008] 提供一硅晶片衬底，所述硅晶片衬底包含硅晶片衬底顶面和硅晶片衬底底面；

[0009] 可选的，在所述硅晶片衬底顶面进行化学抛光，用于在所述硅晶片衬底顶面形成化学抛光面；在所述硅晶片衬底底面进行化学机械平坦化(CMP)，用于在所述硅晶片衬底底面形成化学机械抛光面；

[0010] 在所述晶片衬底顶面沉积生长一层第一氮化硅薄膜、在所述硅晶片衬底底面形沉积生长一层第二氮化硅薄膜；

[0011] 在所述第一氮化硅薄膜上进行匀胶工艺以形成一层光刻胶(Photo resist)；

[0012] 提供一至少包含一个氮化硅窗口图形的掩膜板(Photo Mask)；利用所述掩膜板(PhotoMask)在基于涂有一层光刻胶的第一氮化硅薄膜上进行光刻(Lithography)和显影(Development)工艺，将所述氮化硅窗口图形转移至与之相应的所述光刻胶上，所述光刻(Lithography)包含曝光(Mask expose)过程，用于在所述光刻胶上形成所述氮化硅窗口图形的转移图案，形成所述光刻胶的被曝光显影的光刻开口区、及未曝光显影的非光刻区，并通过光刻开口区暴露出第一氮化硅薄膜的在后续工序中将被刻蚀掉的预刻蚀部分；

[0013] 在所述光刻开口区对所述第一氮化硅薄膜进行活性离子刻蚀(RIE)，用于刻蚀移除位于所述光刻开口区与所述晶片衬底之间的预刻蚀部分；

[0014] 进行深硅刻蚀工艺，在所述硅晶片衬底的由于刻蚀所述预刻蚀部分所暴露的区域上刻蚀出氮化硅窗口图形沟槽，并且，在所述氮化硅窗口图形沟槽的底部与所述第二氮化硅薄膜之间形成一层硅残留层；

[0015] 对形成有硅残留层的所述硅晶片衬底进行湿法刻蚀，刻蚀移除所述硅残留层以完成氮化硅薄膜窗口的制作。

[0016] 上述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其中，所述刻蚀预刻蚀部分是利用活性离子刻蚀(RIE)实现的。

[0017] 上述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其中，所述硅晶片衬底为100晶向的单晶硅。所述硅晶片衬底的厚度为525微米。所述第一氮化硅薄膜、第二氮化硅薄膜均是厚度为100纳米的低应力氮化硅薄膜。

[0018] 在一种工艺控制的过程中，上述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其中，所述匀胶工艺所形成的所述光刻胶为50微米厚度的聚甲基丙烯酸甲酯胶(PMMA)，所述深硅刻蚀工艺是利用气份比例占80.5％的六氟化硫的混合气体进行的，所述深硅刻蚀工艺的刻蚀循环周期(Cycle time)为3次，所述深硅刻蚀工艺的刻蚀磁场强度为1特拉斯，所述深硅刻蚀工艺的刻蚀射频功率为3000瓦，所述深硅刻蚀工艺的刻蚀时间为
15分钟，所述硅残留层的厚度为20微米。

[0019] 进行所述深硅刻蚀工艺，至少保留部分厚度的非光刻区的光刻胶。

[0020] 所述湿法刻蚀是利用20％的氢氧化钾溶液、在80℃下进行的；其中，所述湿法刻蚀的刻蚀时间为45分钟，用于完全移除非光刻区的光刻胶层，以及移除所述硅残留层。

[0021] 在另外一种工艺控制的过程中，上述的X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法，其中，所述匀胶工艺所形成的所述光刻胶为3微米厚度的聚甲基丙烯酸甲酯胶(PMMA)，所述深硅刻蚀工艺是利用气份比例占87.5％的六氟化硫的混合气体进行的，所述深硅刻蚀工艺的刻蚀循环周期(Cycle time)为2次，所述深硅刻蚀工艺的刻蚀磁场强度为1特拉斯，所述深硅刻蚀工艺的刻蚀射频功率为3500瓦，所述深硅刻蚀工艺的刻蚀时间为
15分钟，所述硅残留层的厚度为20微米。

[0022] 进行所述深硅刻蚀工艺，完全刻蚀掉位于所述非光刻区的光刻胶；同时，完全刻蚀掉所述第一氮化硅薄膜，以及对所述硅晶片衬底进行部分刻蚀用于减薄所述硅晶片衬底。所述减薄所述硅晶片衬底是将所述硅晶片衬底的厚度减薄至200微米。

[0023] 所述湿法刻蚀是利用20％的氢氧化钾溶液、在80℃下进行的；其中，所述湿法刻蚀的刻蚀时间为45分钟，用于完全移除所述硅残留层。

[0024] 本发明一种X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法由于采用上述技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

[0025] 1、氮化硅薄膜窗口的形状更规则，且可以设计为任意形状。

[0026] 2、减少了刻蚀过程中对氮化硅窗口的污染，同时，减少了对氮化硅薄膜窗口的损伤，使氮化硅薄膜更平整。

[0027] 3、可以任意调节硅衬底的厚度，这对于一些特定产品需求特定硅衬底厚度的设备和工艺至关重要。

[0028] 4、缩短成品的制作周期时间，提高了成品率和生产效益。

附图说明

[0029] 参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

[0030] 图1是一种硅晶片衬底的结构示意图。

[0031] 图2是在硅晶片衬底顶面和硅晶片衬底底面分别生长了一层氮化硅薄膜的结构示意图。

[0032] 图3是在第一氮化硅薄膜上形成一层光刻胶的结构示意图。

[0033] 图4是在光刻胶上进行光刻形成光刻开口区和非光刻区，并通过光刻开口区露出预刻蚀部分的结构示意图。

[0034] 图5是通过光刻开口区对第一氮化硅薄膜进行活性离子刻蚀以露出硅晶片衬底的结构示意图。

[0035] 图6是在硅晶片衬底中进行深硅刻蚀工艺，形成氮化硅窗口图形沟槽和硅残留层的结构示意图。

[0036] 图7是移除非光刻区的光刻胶及硅残留层后得到的氮化硅薄膜窗口的结构示意图。

[0037] 图8是在硅晶片衬底中进行深硅刻蚀工艺，减薄硅晶片衬底、形成氮化硅窗口图形沟槽和硅残留层的结构示意图。

[0038] 图9是移除减薄后的硅晶片衬底的硅残留层后得到的氮化硅薄膜窗口的结构示意图。

[0039] 图10是本发明的一种X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法的工艺流程示意图。

具体实施方式

[0040] 根据本发明的权利要求和发明内容所公开的内容，本发明的技术方案具体如下所述：

[0041] 参见图1所示，可选的，一硅晶片衬底100的顶面和底面分别经过化学抛光和化学机械平坦化(CMP)，在硅晶片衬底100的顶面和底面分别形成一化学抛光面(未示出)和一化学机械抛光面(未示出)。硅晶片衬底100可以是N型或P型的100晶向的单晶硅。

[0042] 参见图2所示，经过清洗后，优选利用低压化学气相沉积法(LPCVD)，在硅晶片衬底100的顶面、底面分别生长一层低应力氮化硅薄膜的第一氮化硅薄膜110、第二氮化硅薄膜120。沉积该第一氮化硅薄膜110、第二氮化硅薄膜120还可利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等其他方式实施。

[0043] 参见图3所示，硅晶片衬底100经过清洗后，在位于硅晶片衬底100的第一氮化硅薄膜110上进行匀胶工艺，以形成一层光刻胶130，光刻胶130将第一氮化硅薄膜110全部覆盖。光刻胶130有多种选择，优选聚甲基丙烯酸甲酯胶(PMMA)。

[0044] 参见图4所示，提供一至少包含一个氮化硅窗口图形的掩膜板(Photo Mask，图中未示出)，利用掩膜板(Photo Mask)在光刻胶130上进行光刻(Lithography)和显影(Development)工艺，光刻(Lithography)包含曝光(Mask expose)过程，将掩膜板上的氮化硅窗口图形转移至与之相应的光刻胶130上，在光刻胶130上形成氮化硅窗口图形的转移图案。

[0045] 其中，光刻胶130形成被曝光显影的光刻开口区200a、及未曝光显影的非光刻区200b。得到的结果是，在光刻胶130上形成氮化硅窗口图形的转移图案，且氮化硅窗口图形的转移图案是由光刻开口区200a构成，在显影(Development)工艺过程中，光刻开口区
200a的光刻胶被清洗移除，非光刻区200b的光刻胶被保留，同时，暴露第一氮化硅薄膜110的预刻蚀部分210。

[0046] 参见图5所示，利用活性离子刻蚀(RIE)法，通过光刻开口区200a刻蚀第一氮化硅薄膜110，刻蚀移除预刻蚀部分210，在此过程中，非光刻区200b被保留。

[0047] 在一个实施例中，硅晶片衬底100的厚度优选525微米，优选将第一氮化硅薄膜110、第二氮化硅薄膜120沉积至厚度为100纳米的低应力氮化硅薄膜，光刻胶130优选50微米的厚度。在上述条件下，利用气份比例占80.5％的六氟化硫(SF6)的混合气体进行深硅刻蚀工艺，且刻蚀循环周期(Cycle time)为3次，刻蚀磁场强度为1特拉斯(T)，刻蚀射频功率为3000瓦，刻蚀时间为15分钟。参见图6所示，在得到图5所表述的硅晶片100后，对硅晶片衬底100进行上述参数条件下的深硅刻蚀工艺，用于在硅晶片衬底100中形成氮化硅窗口图形沟槽220。在此过程中，非光刻区200b在厚度上被部分保留，用于保护硅晶片衬底100被非光刻区200b覆盖的区域。

[0048] 由于刻蚀掉预刻蚀部分210，硅晶片衬底100的原本被预刻蚀部分210覆盖的区域暴露出来，在该暴露区域上刻蚀出氮化硅窗口图形沟槽220。并且，在氮化硅窗口图形沟槽220的底部与第二氮化硅薄膜120之间形成厚度为20微米的硅残留层230。

[0049] 参见图7所示，对图6中带有硅残留层230的硅晶片衬底100进行湿法刻蚀，刻蚀移除所述硅残留层230及余下的非光刻区200b以完成氮化硅薄膜窗口的制作。湿法刻蚀是利用20％的氢氧化钾溶液(KOH)、在80℃下进行的，湿法刻蚀的刻蚀时间为45分钟。

[0050] 在另一个实施例中，硅晶片衬底100的厚度优选525微米，优选将第一氮化硅薄膜110、第二氮化硅薄膜120沉积至厚度为100纳米的低应力氮化硅薄膜，光刻胶130优选3微米的厚度。在上述条件下，利用气份比例占87.5％的六氟化硫(SF6)的混合气体进行深硅刻蚀工艺，且刻蚀循环周期(Cycle time)为2次，刻蚀磁场强度为1特拉斯(T)，刻蚀射频功率为3500瓦，刻蚀时间为15分钟。参见图8所示，在得到图5所表述的硅晶片100后，在硅晶片衬底100中进行满足上述参数条件下的深硅刻蚀工艺，减薄硅晶片衬底100、形成氮化硅窗口图形沟槽220a和硅残留层230a。

[0051] 在硅晶片衬底100的由于刻蚀掉预刻蚀部分210所暴露的区域上刻蚀出氮化硅窗口图形沟槽220a，在氮化硅窗口图形沟槽220a的底部与第二氮化硅薄膜120之间形成厚度为20微米硅残留层230a。同时，第一氮化硅薄膜110、非光刻区200b一并被刻蚀，硅晶片衬底100的由于刻蚀掉预刻蚀部分210所暴露的区域的刻蚀速度更快。由于硅晶片衬底100不受光刻胶或是氮化硅层的保护从而被部分刻蚀并减薄，得到200微米厚度的硅晶片衬底100a，该过程中，硅晶片衬底100a的厚度在100-500微米之间可调。

[0052] 参见图9所示，对图8中带有硅残留层230a的硅晶片衬底100a进行湿法刻蚀，刻蚀移除所述硅残留层230a以完成氮化硅薄膜窗口的制作。湿法刻蚀是利用20％的氢氧化钾溶液(KOH)、在80℃下进行的，湿法刻蚀的刻蚀时间为45分钟。

[0053] 本发明所提供的上述实施例的参数组合只是优化选择，本发明不局限于上述参数组合，例如，硅晶片衬底100的厚度大于0微米，第一氮化硅薄膜110、第二氮化硅薄膜120的沉积厚度大于0纳米，光刻胶130的厚度是1-100微米。利用气份比例占50.0％-90.0％的六氟化硫(SF6)的混合气体进行深硅刻蚀工艺，刻蚀循环周期(Cycle time)为0.1-30次，刻蚀磁场强度为0.1-10特拉斯(T)，刻蚀射频功率为2000-4000瓦，刻蚀时间为1-30分钟。湿法刻蚀是利用0-50％的氢氧化钾溶液(KOH)、在50-90℃下进行的，湿法刻蚀的刻蚀时间为0-60分钟。

[0054] 参见图10所示，本发明的一种X射线显微透镜成像用氮化硅薄膜窗口的制作方法的工艺流程示意图包括如下步骤：

[0055] 提供一硅晶片衬底，硅晶片衬底包含硅晶片衬底顶面和硅晶片衬底底面；

[0056] 可选的，在硅晶片衬底顶面进行化学抛光，用于在硅晶片衬底顶面形成化学抛光面；在硅晶片衬底底面进行化学机械平坦化(CMP)，用于在硅晶片衬底底面形成化学机械抛光面；

[0057] 优选的，利用低压化学气相沉积法(LPCVD)，在硅晶片衬底顶面沉积生长一层第一氮化硅薄膜、在硅晶片衬底底面沉积生长一层第二氮化硅薄膜；

[0058] 在第一氮化硅薄膜上进行匀胶工艺以形成一层光刻胶；

[0059] 提供一至少包含一个氮化硅窗口图形的掩膜板(Photo Mask)；

[0060] 利用掩膜板(Photo Mask)在光刻胶上进行光刻(Lithography)和显影(Development)工艺，将氮化硅窗口图形转移至与之相应的光刻胶上，形成光刻胶的被曝光显影的光刻开口区、及未曝光显影的非光刻区，并暴露出第一氮化硅薄膜的在后续工序中将被刻蚀掉的预刻蚀部分；

[0061] 通过光刻开口区刻蚀所述第一氮化硅薄膜，进行活性离子刻蚀(RIE)，用于刻蚀移除第一氮化硅薄膜的预刻蚀部分；

[0062] 进行深硅刻蚀工艺，在硅晶片衬底的由于刻蚀掉预刻蚀部分所暴露的区域上刻蚀出氮化硅窗口图形沟槽，并且，在氮化硅窗口图形沟槽的底部与所述第二氮化硅薄膜之间形成一层硅残留层；

[0063] 对形成有硅残留层的硅晶片衬底进行湿法刻蚀，刻蚀移除硅残留层以完成氮化硅薄膜窗口的制作。

[0064] 当然，必须认识到，上述介绍是有关本发明优选实施例的说明，只要不偏离随后所附权利要求所显示的精神和范围，本发明还存在着许多修改。

[0065] 本发明决不是仅局限于上述说明或附图所显示的细节和方法。本发明能够拥有其它的实施例，并可采用多种方式予以实施。另外，大家还必须认识到，这里所使用的措辞和术语以及文摘只是为了实现介绍的目的，决不是仅仅局限于此。

[0066] 正因为如此，本领域的技术人员将会理解，本发明所基于的观点可随时用来作为实施本发明的几种目标而设计其它结构、方法和系统。所以，至关重要的是，所附的权利要求将被视为包括了所有这些等价的建构，只要它们不偏离本发明的精神和范围。