微机电元件的蚀刻方法

摘要

本发明公开一种微机电元件的蚀刻方法，包括如下步骤：提供基板，具有第一表面与相对第一表面的第二表面，其中基板的第一表面上还包括配置有基底结构、牺牲结构与至少一黏着层，其中黏着层配置于基底结构与牺牲结构之间，且基底结构配置于黏着层与基板之间；对基板的第二表面进行表面研磨制作工艺；利用包含有氧气与第一含氮基气体的第一混合气体，对牺牲结构进行第一等离子体蚀刻制作工艺，以去除牺牲结构；以及利用包含有第二含氮基气体与含氟基气体的第二混合气体，对黏着层进行第二等离子体蚀刻制作工艺，以去除黏着层。

权利要求

1.一种微机电元件的蚀刻方法，包括：

提供一基板，具有第一表面与相对该第一表面的第二表面，其中该基板的该第一表面上还包括配置有基底结构、牺牲结构与至少一黏着层，其中该黏着层配置于该基底结构与该牺牲结构之间，该基底结构配置于该黏着层与该基板之间；

对该基板的该第二表面进行一表面研磨制作工艺；

利用包含有氧气与一第一含氮基气体的第一混合气体，对该牺牲结构进行一第一等离子体蚀刻制作工艺，以去除该牺牲结构；以及利用包含有一第二含氮基气体与一含氟基气体的第二混合气体，对该黏着层进行一第二等离子体蚀刻制作工艺，以去除该黏着层。

2.如权利要求1所述的微机电元件的蚀刻方法，其中该牺牲结构的材料是聚酰亚胺。

3.如权利要求1所述的微机电元件的蚀刻方法，其中该黏着层的材料是有机硅烷。

4.如权利要求1所述的微机电元件的蚀刻方法，其中该第一含氮基气体与该第二含氮基气体的成分分别选自氮气或一氮氢化合物其中之一或其混合物。

5.如权利要求4所述的微机电元件的蚀刻方法，其中该氮氢化合物为N2H2、N2H4、N2H6或NH3。

6.如权利要求1所述的微机电元件的蚀刻方法，其中该含氟基气体的成分为氟碳化合物。

7.如权利要求1所述的微机电元件的蚀刻方法，其中该含氟基气体的成分选自四氟化碳(CF4)、八氟环丁烷(C4F8)或八氟环戊烯(C5F8)其中之一或其混合物。

8.如权利要求1所述的微机电元件的蚀刻方法，其中该第二含氮基气体与该含氟基气体的比例范围介于99：1～2：1。

9.如权利要求1所述的微机电元件的蚀刻方法，其中该第一混合气体中的氧气与该第一含氮基气体的比例1：5～1：30。

10.如权利要求1所述的微机电元件的蚀刻方法，其中在对该基板的该第二表面进行该表面研磨制作工艺之后，还包含对该第二表面进行一晶背蚀刻制作工艺以形成一凹槽，之后再对该牺牲结构进行该第一等离子体蚀刻制作工艺，以去除该牺牲结构。

11.如权利要求1所述的微机电元件的蚀刻方法，其中该牺牲结构为一三明治结构。

12.如权利要求11所述的微机电元件的蚀刻方法，还包含多个黏着层，其中该基底结构包含有底层、中间层与表层，其中该底层与该第一表面接触，该中间层具有至少一贯穿孔，该表层具有多个贯穿孔与多个不连续的条状部，其中该牺牲结构包含配置于该底层与该中间层之间、配置于该表层与该中间层之间、配置于该些贯穿孔中、且覆盖于该表层上而形成该三明治结构，其中该些黏着层分别配置于该底层、该中间层与该表层的远离该第一表面的表面与该牺牲结构之间。

说明书

微机电元件的蚀刻方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微机电元件的蚀刻方法，且特别是涉及一种微机电元件的等离子体蚀刻方法。

背景技术

[0002] 麦克风在日常生活中应用广泛，举凡是将接收到的声音转换为电信号的装置都看得到，例如手机、录音笔、电话、对讲机、耳机等。相较于传统麦克风，则利用半导体加工制作的麦克风，具有微型化、省电与多功能的特性。并且，目前市面上普遍存在有将微型麦克风与类比放大电路封装成单一微机电麦克风(MEMS Microphone)的产品。

[0003] MEMS麦克风常见的类型约有三种，为压电式(Piezoelectric)、压阻式(Piezoresistive)与电容式(Capacitive)等。通常压电式MEMS麦克风与压阻式MEMS麦克风对声压的敏感度较低，且系统噪声较大。因此目前以具有高感度与低功耗等特性的电容式MEMS麦克风为目前市场上的发展主流。

[0004] 如图1所示，上述电容式MEMS麦克风100的结构至少包含有基板101、振膜(Membrane)110、具有多孔结构的背板(backplate)120、以及介于振膜110与背板120之间的绝缘空气层130。其中上述振膜110与背板120适于作为导电板。上述电容式MEMS麦克风的功能将声音转化为电压。其转化的原理概述如下：当振膜110受到声压作用时所产生的振动，会造成振膜110与背板120等两导电板之间的动态微位移，并会使得结构中的电容值随之改变，并以电压的方式呈现。而上述的介于振膜110与背板120之间的绝缘空气层130可用以避免电容式MEMS麦克风中的电荷累积现象。

[0005] 然而于传统的MEMS制作工艺中，要将原本位于绝缘空气层130中的牺牲层完全去除进而形成干净的绝缘空气层130并不容易。但若牺牲层的残留物存在于振膜110与背板120之间，则可能造成电容式MEMS麦克风的可靠度问题与耗电问题。

[0006] 有鉴于此，仍有必要提出一种新的MEMS制作工艺方法，以解决上述 牺牲层的残留问题。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提出一种微机电元件的蚀刻方法，以提升微机电元件于蚀刻制作工艺后的良率。

[0008] 为达上述目的或其他目的，本发明提出一种微机电元件的蚀刻方法，包括如下步骤：提供基板，具有第一表面与相对第一表面的第二表面，其中基板的第一表面上还包括配置有基底结构、牺牲结构与至少一黏着层，其中黏着层配置于基底结构与牺牲结构之间，且基底结构配置于黏着层与基板之间；对基板的第二表面进行表面研磨制作工艺；利用包含有氧气与第一含氮基气体的第一混合气体，对牺牲结构进行第一等离子体蚀刻制作工艺，以去除牺牲结构；以及利用包含有第二含氮基气体与含氟基气体的第二混合气体，对黏着层进行第二等离子体蚀刻制作工艺，以去除黏着层。

[0009] 在本发明的一实施例中，其中上述牺牲结构的材料是聚酰亚胺。

[0010] 在本发明的一实施例中，其中上述黏着层的材料是有机硅烷。

[0011] 在本发明的一实施例中，其中上述第一含氮基气体与上述第二含氮基气体的成分分别选自氮气或一氮氢化合物其中之一或其混合物。

[0012] 在本发明的一实施例中，其中上述氮氢化合物为N2H2、N2H4、N2H6或NH3。

[0013] 在本发明的一实施例中，其中上述含氟基气体的成分为氟碳化合物。

[0014] 在本发明的一实施例中，其中上述含氟基气体的成分选自四氟化碳(CF4)、八氟环丁烷(C4F8)或八氟环戊烯(C5F8)其中之一或其混合物。

[0015] 在本发明的一实施例中，其中上述第二含氮基气体与上述含氟基气体的比例范围介于99：1～2：1。

[0016] 在本发明的一实施例中，其中上述第一混合气体中的氧气与第一含氮基气体的比例介于1：5～1：30。

[0017] 在本发明的一实施例中，在对上述基板的第二表面进行表面研磨制作工艺之后，还包含对第二表面进行晶背蚀刻制作工艺以形成凹槽，之后再对牺牲结构进行第一等离子体蚀刻制作工艺，以去除牺牲结构。

[0018] 在本发明的一实施例中，其中上述牺牲结构为三明治结构。

[0019] 在本发明的一实施例中，还包含多个黏着层，其中上述基底结构包含有 底层、中间层与表层，其中上述底层与上述第一表面接触，上述中间层具有至少一贯穿孔，上述表层具有多个贯穿孔与多个不连续的条状部，其中上述牺牲结构包含配置于上述底层与上述中间层之间、以及配置于上述表层与上述中间层之间、以及配置于上述贯穿孔中、且覆盖于上述表层上而形成上述三明治结构，其中上述多个黏着层分别配置于上述底层、上述中间层与上述表层的远离上述第一表面的表面与上述牺牲结构之间。

[0020] 综上所述，本发明的微机电元件的蚀刻方法通过含有O2与N2H2等含氮基气体的混合气体的等离子体来蚀刻材料为Polyimide的牺牲结构，并且通过含有N2H2等含氮基气体与CF4等含氟基气体的混合气体的等离子体来蚀刻材料为有机硅烷的黏着层，以有效清除Polyimide与有机硅烷，并避免其残留物留存于基底结构中而降低微机电元件的良率。

附图说明

[0021] 图1为传统电容式微机电麦克风的结构示意图；

[0022] 图2A～图2E为根据本发明的一实施例所绘示的微机电元件的蚀刻方法流程图；

[0023] 图3A～图3E为根据本发明的另一实施例所绘示的微机电元件的蚀刻方法流程图；

[0024] 图4为本发明的第二等离子体蚀刻制作工艺中的N2H2与CF4的比例与黏着层的蚀刻洁净度的关系。

[0025] 符号说明

[0026] 100：电容式MEMS麦克风

[0027] 101：基板

[0028] 110：振膜

[0029] 120：背板

[0030] 130：绝缘空气层

[0031] 210、310：基板

[0032] 220、320：基底结构

[0033] 230、330：牺牲结构

[0034] 240、341、343、345：黏着层

[0035] 322：底层

[0036] 324：中间层

[0037] 326：表层

[0038] 328、329：电极

[0039] S1：第一表面

[0040] S2：第二表面

[0041] S3：表面

[0042] H1、H2：凹槽

[0043] T1、T2：贯穿孔

[0044] L1：条状部

具体实施方式

[0045] 图2A～图2E为根据本发明的一实施例所绘示的微机电元件的蚀刻方法流程图。请先参照图2A。本发明的微机电元件的蚀刻方法包括如下步骤：首先，提供基板210。其中基板210具有第一表面S1与相对第一表面S1的第二表面S2。此外，上述基板210的第一表面S1上还包括配置有基底结构220、牺牲结构230与至少一黏着层240。上述基底结构220例如是直接接触基板210的第一表面S1，且基底结构220的远离第一表面S1的表面例如是凹凸不平的表面S3。此外，上述基底结构220例如至少包括有上电极结构与下电极结构(图未示出)。上述基底结构220配置于黏着层240与基板210之间。上述黏着层240配置于基底结构220与牺牲结构230之间。并且，黏着层240的厚度约为数个埃(angstrom)～数个纳米(nanometer)之间，例如是5～9纳米之间，用以提升基底结构220与牺牲结构230之间的黏结力。

[0046] 请参照图2B。接下来，对基板210的第二表面S2进行表面研磨制作工艺(或称为晶背研磨制作工艺)，以便于削减基板210的厚度。由于在表面研磨制作工艺中，研磨粒子或液体可能会伤害基底结构220的凹凸不平的表面S3，因此将牺牲结构230覆盖于基底结构220上，可保护基底结构220于表面研磨制作工艺不受到损伤。

[0047] 请参照图2C。在完成上述表面研磨制作工艺之后，对基板210的第二表面S2进行晶背蚀刻制作工艺，以形成凹槽H1。其中凹槽H1例如贯穿第二表面S2与第一表面S1而暴露出部分基板210，如图2C所示。

[0048] 请同时参照图2C～图2D。在完成晶背蚀刻制作工艺之后，接着则利用 包含有氧气(O2)与第一含氮基气体的第一混合气体，对牺牲结构230进行第一等离子体蚀刻制作工艺，以去除牺牲结构230。上述牺牲结构230的材料例如是聚酰亚胺(Polyimide)。上述第一含氮基气体的成分例如选自氮气(N2)或氮氢化合物其中之一或其混合物。上述氮氢化合物例如是N2H2、N2H4、N2H6或NH3。其中用以形成上述N2H2的混合气体N2与H2中，H2约占N2气体比例的6～7％。

[0049] 请同时参照图2D～图2E。接着，则利用包含有第二含氮基气体与含氟基气体的第二混合气体，对黏着层240进行第二等离子体蚀刻制作工艺，以去除黏着层240并暴露出基底结构220，如图2E所示。上述黏着层240的材料例如是有机硅烷(organosilane)。而有机硅烷大多呈现液体状，而非黏稠状，因此黏着层240的厚度无法涂布的太厚，其厚度例如约介在5～9纳米之间。上述第二含氮基气体的成分例如选自氮气或氮氢化合物其中之一或其混合物。上述氮氢化合物例如是N2H2、N2H4、N2H6或NH3。其中上述含氟基气体的成分为氟碳化合物，或例如选自四氟化碳(CF4)、八氟环丁烷(C4F8)或八氟环戊烯(C5F8)其中之一或其混合物。

[0050] 值得一提的是，也可视制作工艺需求，在完成图2B的表面研磨制作工艺(或称晶背研磨制作工艺)之后，可形成光致抗蚀剂层(图未示出)于基板210的第二表面S2上，并对光致抗蚀剂层与基板210的第二表面S2进行晶背蚀刻制作工艺。之后再对牺牲结构230与光致抗蚀剂层一起进行第一等离子体蚀刻制作工艺。但也可视制作工艺需求，省略上述各项制作工艺中的晶背蚀刻制作工艺，而直接对牺牲结构230，或直接对牺牲结构230与光致抗蚀剂层，进行第一等离子体蚀刻制作工艺，并接着对黏着层240进行第二等离子体蚀刻制作工艺。因此本发明的微机电元件的蚀刻方法流程并不限于图2A～图2E的流程步骤。

[0051] 图3A～图3E为根据本发明的另一实施例所绘示的微机电元件的蚀刻方法流程图。本发明的微机电元件的蚀刻方法除了适用于蚀刻具有位于表层的牺牲结构的微机电元件(如图2A)之外，更可适用于蚀刻具有三明治结构的牺牲结构的微机电元件。请先参照图3A。
本发明的微机电元件的蚀刻方法包含如下步骤：首先，提供基板310。上述基板310具有第一表面S1与相对第一表面S1的第二表面S2。此外，上述基板310的第一表面S1上还包括配置有基底结构320、牺牲结构330、多个黏着层341、343、345。

[0052] 请继续参照图3A。上述基底结构320例如是直接接触基板310的第一表面S1，且基底结构320的远离第一表面S1的表面例如是凹凸不平的表面S3。此外，上述基底结构320包含有底层322、中间层324与表层326，并且，还包含有电极328、329。其中底层322与第一表面S1接触。上述中间层324具有至少一贯穿孔T1。上述表层326具有多个贯穿孔T2与多个不连续的条状部L1。上述电极328与中间层324电连接，电极329与表层326电连接。上述牺牲结构330包含配置于底层322与中间层324之间，以及配置于表层326与中间层324之间，以及配置于多个贯穿孔T2、T1中，并且覆盖于表层326上，以形成具有三明治结构的牺牲结构330。上述多个黏着层341、343、345分别配置于底层322、中间层324与表层326的远离第一表面S1的表面与牺牲结构330之间，如此的配置可提升基底结构320与牺牲结构330之间的黏结力。其中，上述黏着层341、343、345的厚度约为数个埃(angstrom)～数个纳米(nanometer)之间。

[0053] 请参照图3B。接下来，对基板310的第二表面S2进行表面研磨制作工艺(或称为晶背研磨制作工艺)，以便于削减基板310的厚度。由于在表面研磨制作工艺中，研磨粒子或液体可能会伤害基底结构320的凹凸不平的表面S3，因此将牺牲结构330覆盖于基底结构320上并填充于基底结构320中，还可提供保护基底结构320于表面研磨制作工艺不受到损伤的功能。

[0054] 请同时参照图3B～图3C。在完成上述图3B的表面研磨制作工艺之后，对基板310与基底结构320进行晶背蚀刻制作工艺，以形成凹槽H2。其中凹槽H2例如贯穿基板310、基底结构320的底层322与黏着层341而暴露出原位于底层322与中间层324之间的牺牲结构330，如图3C所示。

[0055] 请同时参照图3C～图3D。在完成上述图3C的晶背蚀刻制作工艺之后，接着则利用包含有氧气(O2)与第一含氮基气体的第一混合气体，对牺牲结构330进行第一等离子体蚀刻制作工艺，以去除覆盖于基底结构320上与电极328、329上的牺牲结构330，以及配置于中间层324与表层326之间的牺牲结构330，以及原位于底层322与中间层324之间的牺牲结构330，以及位于多个贯穿孔T2、T1中的牺牲结构330。上述牺牲结构330的材料例如是聚酰亚胺(Polyimide)。上述第一含氮基气体的成分例如选自氮气(N2)或氮氢化合物其中之一或其混合物。上述氮氢化合物例如是N2H2、N2H4、N2H6或NH3。

[0056] 请同时参照图3D～图3E。接着，则利用包含有第二含氮基气体与含氟基气体的第二混合气体，对黏着层343、345进行第二等离子体蚀刻制作工艺，以去除黏着层343、345并暴露出基底结构320的中间层324、表层326与其多个条状部L1与贯穿孔T2、贯穿孔T1与部分电极328、329，如图3E所示。上述黏着层343、345的材料例如是有机硅烷(organosilane)。上述第二含氮基气体的成分例如选自氮气或氮氢化合物其中之一或其混合物。上述氮氢化合物例如是N2H2、N2H4、N2H6或NH3。上述含氟基气体的成分为氟碳化合物，或例如选自四氟化碳(CF4)、八氟环丁烷(C4F8)或八氟环戊烯(C5F8)其中之一或其混合物。

[0057] 值得一提的是，也可视制作工艺需求，在完成图3B的表面研磨制作工艺(或称晶背研磨制作工艺)之后，可形成光致抗蚀剂层(图未示出)于基板310的第二表面S2上，并对光致抗蚀剂层与基板310的第二表面S2进行晶背蚀刻制作工艺。之后再对牺牲结构330与光致抗蚀剂层一起进行第一等离子体蚀刻制作工艺。但也可视制作工艺需求，省略上述各项制作工艺中的晶背蚀刻制作工艺，而直接对牺牲结构330，或直接对牺牲结构330与光致抗蚀剂层，进行第一等离子体蚀刻制作工艺，并接着对黏着层343、345进行第二等离子体蚀刻制作工艺。因此本发明的微机电元件的蚀刻方法流程并不限于图3A～图3E的流程步骤。

[0058] 值得注意的是，虽然仅含有氧气的等离子体已可以蚀刻去除材料为聚酰亚胺的牺牲结构230、330。但本案发明人于实验中发现，同时含有O2与N2H2气体的等离子体更能有效蚀刻去除材料为聚酰亚胺的牺牲结构230、330，并提升蚀刻效率、蚀刻均匀性与蚀刻后的洁净度。并且，与N2H2同为氮氢化合物的N2H4、N2H6或NH3也可视制作工艺需求而替换使用。因此上述第一等离子体蚀刻制作工艺中的氧气与第一含氮基气体的比例例如是介于1：5～1：30。

[0059] 此外，若上述黏着层240、341、343、345的材料是有机硅烷，则有机硅烷在含有O2气体的等离子体环境下会变成硅-氧键结的化合物。换句话说，仅含有O2气体的等离子体并无法蚀刻去除材料为有机硅烷的黏着层240、341、343、345。目前发现含有氟基气体的等离子体可以有效去除材料为有机硅烷的黏着层240，且其蚀刻速率非常快。然而，因黏着层240、341、343、345的厚度很薄，约为数个埃(angstrom)～数个纳米(nanometer)之间，例如5～9 纳米。因此若是使用仅含氟基气体的等离子体来蚀刻如此薄的黏着层240，则因蚀刻速率过快，所以很难通过控制蚀刻时间来避免伤害到黏着层240下方的基底结构220。

[0060] 因此，本案发明人通过实验结果发现，同时含有N2H2与CF4等混合气体的等离子体，除了可以有效蚀刻去除材料为有机硅烷的黏着层240、341、343、345，并且可以通过调整N2H2与CF4之间的比例，进而调控第二等离子体蚀刻制作工艺的速率，避免CF4伤害基底结构220、320，并且能有效去除有机硅烷。请参照图4。图4为本发明的第二等离子体蚀刻中的N2H2与CF4的比例与黏着层的蚀刻洁净度的关系。在图4中可看出，用于蚀刻材料为有机硅烷的黏着层的第二等离子体蚀刻制作工艺中的第二含氮基气体(例如是N2H2)与含氟基气体(例如是CF4)的比例范围例如介于99：1～2：1。并且由图4中可看出，在上述比例范围之内，材料为有机硅烷的黏着层可以被蚀刻干净(于图4中以实线表示可有效清除，以虚线表示仍有残留物)。此外，与N2H2同为氮氢化合物的N2H4、N2H6或NH3也可视制作工艺需求而替换使用。以及，与CF4同为氟碳化合物的四氟化碳(CF4)、八氟环丁烷(C4F8)或八氟环戊烯(C5F8)也可视制作工艺需求而替换使用。

[0061] 额外一提的是，对于具有仅位于表层的黏着层240的微基电元件(如图2A)，则例如可提高第二等离子体蚀刻制作工艺的第二混合气体中的CF4的比例，例如N2H2：CF4的比例可用10：1。但若对于具有三明治结构的牺牲结构的微机电元件(如图3A)，则因部分黏着层343、345位于基底结构320的微细结构之间，而非仅位于基底结构320的表层上，因此例如需降低第二混合气体中的CF4的比例，以避免过高的CF4而导致过快的蚀刻率去损伤到基底结构320中的微细结构(例如多个条状部L1与中间层324)。因此N2H2：CF4的比例例如是30：1。因此，可针对不同微机电元件中的不同的基底结构对蚀刻的耐受程度，来适当调控第二等离子体蚀刻制作工艺中的第二含氮基气体与含氟基气体的比例，以便于得到适当的等离子体蚀刻速率。并且，通过第二等离子体蚀刻制作工艺中的适当的蚀刻速率，除了可有效清除黏着层，或是可同步清除第一等离子体蚀刻制作工艺中残存的牺牲结构，还可保持基底结构的完整性。

[0062] 综上所述，本发明的微机电元件的蚀刻方法通过含有O2与N2H2等含氮基气体的混合气体的等离子体来蚀刻材料为Polyimide的牺牲结构，并且通 过含有N2H2等含氮基气体与CF4等含氟基气体的混合气体的等离子体来蚀刻材料为有机硅烷的黏着层，以有效清除Polyimide与有机硅烷，并避免其残留物留存于基底结构中而降低微机电元件的良率。