MEMS加工技术综合性实验

李东玲, 尚正国, 佘 引, 王胜强

(重庆大学 光电工程学院, 重庆 400044)

MEMS加工技术综合性实验

李东玲, 尚正国, 佘 引, 王胜强

(重庆大学 光电工程学院, 重庆 400044)

为了满足微电子学以及仪器科学与技术等专业实践教学与人才培养的需要,以MEMS加速度开关为应用对象,开展MEMS加工技术综合性实验研究。根据MEMS加速度开关的结构特点,设计加工工艺流程；以MEMS工艺理论知识为基础,结合实践教学,开展湿法腐蚀、阳极键合、ICP刻蚀等关键加工工艺研究,完成MEMS加速度开关原理样品的研制。该实验从器件结构、加工工艺到测试分析,简单直观,有利于学生全面掌握MEMS加工工艺,培养学生的科研兴趣和实践能力。

实践教学； 综合实验； 工艺流程； 关键加工工艺

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)是在微电子技术的基础上,融合了硅微加工、LIGA和精密机械加工等技术的一项新兴的科学领域,集微传感器、微执行器、微电源系统、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体[1],是一个多学科交叉的高新技术领域,涉及机械、电子、物理、化学、生物、材料以及光学等学科,其特征尺寸从毫米、微米到纳米量级。MEMS技术凭借集成度高、体积小、重量轻、功耗低、适合大批量生产等优势,近年来得到迅猛发展,研制出各种MEMS器件,并在汽车工业、通信网络、军事装备以及生物医学等领域获得了重要应用[2-3]。

微机械结构和部件的加工技术是成功研制MEMS器件的关键。它通过光刻、腐蚀、淀积、键合等工艺制备微机械可动结构,并实现电学连接,是目前最重要的新兴技术之一[4]。然而,国内对MEMS加工技术的重视程度不够,大量的人才集中在MEMS设计及应用拓展等领域,而对加工工艺的研究较少,存在严重的设计与加工脱节、理论与实践脱节的问题[5]。MEMS加工技术已成为制约我国MEMS技术发展的瓶颈[6]。

MEMS加工技术作为重庆大学光电工程学院微电子学以及仪器科学与技术专业学生的重要技能之一,在半导体器件与物理、微光机电系统、微米/纳米技术等专业课程中均有涉及,但大都是理论教学,缺乏系统的实验指导。

本文基于重庆大学光电工程学院MEMS工艺平台,以MEMS加速度开关为具体对象,设计MEMS加工工艺实验,使学生充分理解并掌握MEMS加工工艺,巩固和延伸课堂知识,同时培养学生的科研兴趣和实践能力,服务于科学研究与人才培养。

1 设备及材料

设备:本实验在重庆大学MEMS工艺平台完成,主要加工设备有：德国Karl Suss双面光刻机MA6/BA6、键合机SB6e,德国FHR公司的磁控溅射系统MS-100,英国STS公司的ICP深槽刻蚀系统MP0597,七星华创的氧化扩散系统L4512II-36/ZM以及中电2所的湿法腐蚀系统SDX-6225B等。腐蚀深度及表面粗糙度分别采用美国Ambios公司的台阶仪Xp-100以及光学轮廓仪Xi-100测试,线条尺寸及结构形貌采用光学显微镜BX-51以及扫描电子显微镜JSM-5610LV观测。

材料:敏感结构层的制作选用N型<100>单晶硅片,厚度为500 μm±25 μm,电阻率为2～4 Ω·cm；绝缘衬底为Pyrex7740硼硅玻璃,厚度为500 μm±20 μm。化学试剂均为分析纯,工艺气体为99.999%的高纯气体。

2 实验设计

实验根据MEMS加速度开关的结构特点,设计加速度开关加工工艺流程。突破湿法腐蚀、阳极键合、ICP刻蚀(感应耦合等离子体刻蚀)等关键加工工艺,加工出加速度开关原理样品,并进行初步测试。本次实验的目的,旨在培养学生理论与实际联系的能力,使学生深刻理解并掌握MEMS加工工艺。

2.1 MEMS加速度开关的结构及原理

MEMS加速度开关的结构示意图见图1,主要由敏感质量块、弹性梁、可动触点、固定电极、玻璃衬底等组成。初始状态下,可动触点与固定电极保持一定间距,开关断开；当开关受到大于开关阈值的外界冲击加速度作用时,敏感质量块发生位移,使得可动触点与固定电极接触,相互分离的信号传输线导通,开关执行闭合动作；当外界冲击加速度消失或小于阈值时,可动触点与固定电极分开,开关断开。

图1 MEMS加速度开关结构示意图

2.2 工艺流程设计

根据MEMS加速度开关的结构特点,要实现MEMS加速度开关的制备,需要定义以下结构和参数：(1)可动触点与固定电极初始间距；(2)可动触点与固定电极；(3)折叠梁和质量块。MEMS加速度开关的加工工艺流程图如图2所示:

(a) 热氧化生长的SiO2300 nm；

(b) 光刻1,形成正面浅槽,BHF腐蚀SiO2；

(c) 以SiO2为掩膜,湿法腐蚀Si 3μm,形成初始间距；

(d) 光刻2,溅射TiW/Au(40 nm/120 nm),并采用Lift-off工艺形成可动触点图形；

(e) 以SiO2、触点金属为掩膜,ICP干法刻蚀硅35 μm,形成触点高度；

(f) 正反面去除SiO2；

(g) 玻璃基片光刻3,磁控溅射TiW/Au(40 nm/120 nm),并采用Lift-off工艺形成固定电极；

(h) 硅-玻璃阳极键合,实现对敏感结构的支撑；

(i) 湿法减薄至硅层厚度60 μm,形成结构层；

(j) 背面溅射金属Al(200 nm),光刻4,湿法腐蚀Al,形成质量块和折叠梁结构。

(k) 以Al为掩膜,ICP刻蚀25 μm,释放结构。

图2 MEMS加速度开关工艺流程图

3 结果及讨论

3.1 TMAH各向异性湿法腐蚀

硅的各向异性湿法腐蚀是MEMS加工工艺中最基础、最关键的技术,是指不同晶向的硅在腐蚀液中表现出不同的腐蚀速率[7]。TMAH(四甲基氢氧化氨)水溶液是典型的各向异性湿法腐蚀液,具有成本低、腐蚀表面光滑、与IC工艺兼容、无污染等优点[8]。实验表明腐蚀液浓度、腐蚀温度等参数对腐蚀特性有显著影响。图3为不同体积分数TMAH溶液在不同温度下的腐蚀速率。可见,随着温度的升高,腐蚀速率逐渐增大；相同温度下,浓度越低腐蚀速率越快。

图3 不同温度下腐蚀速率与TMAH体积分数的关系曲线

图4为不同体积分数的TMAH溶液腐蚀相同深度时腐蚀表面的粗糙度。当TMAH溶液的体积分数为25%时,腐蚀表面的粗糙度仅为1.58 nm(见图4(a))；但当TMAH的体积分数降为10%时,表面粗糙度增加到18.7 nm(见图4(b) )。另外,随着腐蚀深度的增加,表面粗糙度也逐渐增加。

图4 不同浓度TMAH腐蚀液的腐蚀表面粗糙度

在本实验中,正面浅槽的刻蚀和湿法减薄均采用TMAH湿法腐蚀工艺。根据加速度开关的结构特点,对湿法腐蚀工艺又有不同的要求,如浅槽的腐蚀需要较小的表面粗糙度,而减薄工艺需要较快的刻蚀速率。因此,需要根据特定应用对腐蚀液进行调整：浅槽刻蚀选用25% TMAH,70 ℃下腐蚀,腐蚀3 μm时的表面粗糙度为1.32 nm；湿法减薄采用5%TMAH,85 ℃下腐蚀,腐蚀速率为1 μm/min。

3.2 阳极键合

阳极键合又称静电键合,是靠强电场的作用将玻璃与硅或金属键合在一起。阳极键合的工艺温度低,键合界面牢固、长期稳定性好,是目前应用最广泛的键合工艺[9]。

阳极键合在 Karl SUSS键合机 SB6e中完成。键合时,将对准好的样片放在键合机中,Pyrex7740玻璃接负极,硅结构层接正极(如图5所示)。当温度升高后,玻璃中Na+的迁移率提高[10],在外加电场作用下,Na+迅速移动至阴极并析出,O2-则向阳极硅移动,从而形成约几微米厚的空间电荷区。此时,玻璃空间电荷区中的电场高达106V/cm,使得硅和玻璃界面间产生了巨大的静电吸引力,使玻璃与硅表面紧密接触,最终形成Si—O—Si结构,完成键合。

图5 阳极键合示意图

键合过程中的电流、电压特性可以定性反映阳极键合过程,如图6所示,包括预键合和键合2个过程。预键合电压为-500 V,由于此时电压较低,且电极之间接触面积小,使得预键合过程中电流无明显变化；而在键合过程中,电压高达1 000 V,电流先快速上升至最大值,并稳定一段时间,随后呈指数下降,并最终稳定在一个很小的值。一般认为当电流降为最大电流的10%时,键合基本完成[11]。

在MEMS加速度开关中,通过阳极键合可实现硅结构层与玻璃衬底的键合,定义可动触点与固定电极之间的相对位置,并实现对结构层的支撑。根据MEMS加速度开关的结构特点,优化的阳极键合工艺为：温度350 ℃,电压为-800 V,真空度0.1 Pa(10-6bar),压力0.5×105Pa(0.5 bar),时间10 min。

图6 阳极键合电流、电压曲线

3.3 ICP刻蚀

感应耦合等离子体(ICP)刻蚀,是在硅上制备高的深宽比微结构、实现可动结构释放的关键工艺[12]。

ICP刻蚀在英国STS公司的MP0597刻蚀设备中进行,工艺气体为SF6、C4F8以及O2。ICP 刻蚀过程是复杂的物理和化学过程的结合,用刻蚀/钝化交替进行的方法来实现硅的各向异性深槽刻蚀[13]。在刻蚀周期内,Coil电源产生高速螺旋运动的刻蚀等离子体,实现对硅的刻蚀；在钝化周期内,由Coil电源产生钝化的等离子体,在整个图形的底部及侧壁上积淀形成钝化层,实现对底部和侧壁的保护；Platen电极为螺旋运动的离子提供偏置电压,在加速离子运动的同时,使等离子体垂直作用于基片表面,使得垂直方向的刻蚀速率远大于该方向的钝化速率,从而实现高深宽比的深槽刻蚀。

影响ICP刻蚀的因素很多,如气体流量、腔室压力、射频功率以及偏压、温度等。由于MEMS加速度开关为典型的Glass-Si-Glass结构,且弹性梁的结构参数对开关性能具有重要影响,因此刻蚀过程中既要保证刻蚀的均匀性,又要保证弹性梁的尺寸精度。优化的ICP刻蚀工艺见表1,刻蚀速率为2.1～2.2 μm/min,侧壁陡直度为89.6～90.5°,深宽比为20∶1。图7为采用该工艺释放得到的弹性梁结构显微图,梁宽为29.8 μm,梁厚为30.2 μm,无明显的横向钻蚀。

表1 优化的ICP刻蚀工艺

图7 ICP刻蚀的弹性梁结构

研制的MEMS加速度开关芯片如图8所示。采用振动测试系统对开关性能进行了初步测试,得到开关的阈值为14.3g(g为重力加速度),响应时间为0.8 ms。

图8 MEMS开关芯片及输出特性测试

4 结语

针对微电子学以及仪器科学与技术等专业在专业实习、毕业设计和日常开放实验教学中的需要,以课堂知识为基础,针对典型MEMS器件开展MEMS加工工艺实验研究,设计了MEMS加速度开关的加工工艺流程,开展了湿法腐蚀、阳极键合、ICP刻蚀等工艺实验,使学生不仅全面、系统地掌握了MEMS加工工艺,而且获得了MEMS器件从结构、加工到测试的直观体验,激发了学生的学习热情和科研兴趣。

References)

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Comprehensive experiment of MEMS machining technology

Li Dongling, Shang Zhengguo, She Yin, Wang Shengqiang

(College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

In order to meet the needs of the practical teaching and personnel training in microelectronics,instrument science and technology,etc., and by taking MEMS acceleration switch as the object of application,the comprehensive experimental study of MEMS machining technology is carried out. According to the structure characteristics of MEMS acceleration switch,the machining technological process is designed. Based on the knowledge of MEMS process theory and practical teaching,the key processing technology such as wet etching,anodic bonding,ICP etching,etc., is studied, and the principle sample of MEMS acceleration switch is developed. This experiment is comprehensive,systematic,simple and intuitive from the aspects of the device structure and the processing technology to the test analysis,and it is beneficial for the students to master the MEMS processing technology comprehensively,and to cultivate their research interest and practical ability.

practical teaching; comprehensive experiment; technological process; key machining technology

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.025

2016-12-13

国家自然科学基金专项基金科学仪器基金项目(61327002)；重庆大学教改项目(2015Y19)

李东玲(1982—),女,河北秦皇岛,博士,工程师,研究方向为微纳器件及加工技术.

E-mail：lidongling@cqu.edu.cn

TN305.7; G642.0

A

1002-4956(2017)07-0095-04