基于浓硼自停止腐蚀技术的硅微谐振结构的制备

摘要

浓硼自停止腐蚀技术作为一项重要的微机械加工手段在MEMS领域有着不可替代的地位，基于该技术获得的浓硼自停止层可直接作为微器件的结构层，其最突出的优点在于可以实现微器件及结构的精确加工，因而具有较高的实用价值。因此本文首先围绕浓硼自停止层的制备工艺展开，并成功获得了厚度超过20μm的浓硼自停止层（其被用于另一压电式压力传感器的研究项目中）;接下来根据获得的工艺参数对某型号谐振式压力传感器中的谐振结构层进行了制备，并实现了“蝴蝶状”谐振子的释放，为后续谐振式压力传感器制备奠定了基础。论文主要研究内容如下:
　　(1)基于扩散理论，提出了一种适于大厚度浓硼自停止结构层制备的掺杂方法，即多周期扩散法，与在相近扩散条件下获得的浓硼自停止结构层厚度相比，该方法制备的自停止结构层厚度增幅达40％以上。
　　(2)实验对比发现，片状氮化硼源(BN-HT)在相同扩散条件下产生的硼硅玻璃更薄，表面方块电阻更低，可获得的掺杂剂量更大，比硼微晶玻璃源(PWB-2)更适于浓硼掺杂工艺。
　　(3)硼硅玻璃去除影响因素的实验对比结果表明，各向同性腐蚀液(HNA)更适于浓硼掺杂条件下硼硅玻璃的去除，且每周期预扩散时间不超过4h更有利于硼硅玻璃去除。同时发现，带有硼硅玻璃的再分布工艺在获得更大掺杂剂量的同时，基本不会影响扩散片去除硼硅玻璃后的表面质量。
　　(4)对湿法腐蚀工艺的对比发现，当预扩散与再分布时长之比为2时，浓硼掺杂层具有更好的抗腐蚀性能。
　　(5)当向KOH溶液中加入少量IPA时，发现腐蚀系统对低、高硼掺杂硅的腐蚀选择比达到了80∶1，并最终实现了某型号微谐振式压力传感器中谐振子和压力敏感膜的制备和完全释放。SEM下测得谐振子厚度和压力敏感膜厚度分别为8.5μm左右和13.5μm左右，达到了目标设计的要求。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 硅微机械加工技术

1．2 浓硼自停止腐蚀技术的应用与发展

1．3 论文研究意义和主要内容

第二章 浓硼自停止腐蚀技术相关理论

2．1 掺杂的基本理论

2．2 硅中的硼掺杂

2．2．1 两种不同的杂质分布

2．2．2 掺杂结果的测量

2．3 浓硼自停止腐蚀技术相关理论

2．3．1 轻掺杂硅的腐蚀

2．3．2 重掺杂硅的腐蚀

2．4 本章小结

第三章 浓硼掺杂层的制备工艺研究

3．1 硼源的选择

3．1．1 生成硼硅玻璃的厚度对比

3．1．2 去除硼硅玻璃后表面质量对比

3．1．3 表面方块电阻值对比

3．2 硼硅玻璃去除方法的选择

3．3 硼硅玻璃去除的相关影响因素

3．3．1 单面扩散与双面扩散

3．3．2 预扩散时间

3．4 硼硅玻璃去除时机的选择

3．4．1 对硼硅玻璃去除效果的影响

3．4．2 对扩散片表面粗糙度的影响

3．4．3 对表面方块电阻的影响

3．5 再分布与预扩散时长比例的选择

3．6 扩散方法的改进

3．6．1 传统扩散方法的不足

3．6．2 改进后的扩散方法

3．7 高浓度硼掺杂压力膜制备

3．8 本章总结

第四章 硅微谐振结构的制备

4．1 谐振结构

4．2 工艺流程

4．3 掩膜版绘制

4．4 制备应力隔离槽

4．4．1 湿法腐蚀系统及腐蚀条件

4．4．2 腐蚀深度的测量方法

4．4．3 制备结果

4．5 高浓度硼扩散

4．6 谐振子释放

4．6．1 干法刻蚀浓硼掺杂层

4．6．2 谐振结构的自停止腐蚀及释放

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

附录A：实验所用主要材料

附录B：实验所用主要工艺设备

参考文献

致谢

攻读硕士期间科研成果