介紹一種MEMS器件主流加工技術(shù)

硅基MEMS加工技術(shù)主要包括體硅MEMS加工技術(shù)和表面MEMS加工技術(shù)。體硅MEMS加工技術(shù)的主要特點(diǎn)是對(duì)硅襯底材料的深刻蝕，可得到較大縱向尺寸可動(dòng)微結(jié)構(gòu)。表面MEMS加工技術(shù)主要通過(guò)在硅片上生長(zhǎng)氧化硅、氮化硅、多晶硅等多層薄膜來(lái)完成MEMS 器件的制作。利用表面工藝得到的可動(dòng)微結(jié)構(gòu)的縱向尺寸較小，但與IC工藝的兼容性更好，易與電路實(shí)現(xiàn)單片集成。

目前國(guó)外表面工藝與體硅工藝并行，其中表面工藝已發(fā)展成標(biāo)準(zhǔn)化的工藝流程，有多條工藝線面向多用戶提供加工服務(wù)。國(guó)外也有多條面向多用戶提供標(biāo)準(zhǔn)體硅加工的工藝線，如美國(guó)的IMT、法國(guó)的Tronics 等，國(guó)內(nèi)主要采用了體硅MEMS加工技術(shù)，目前主要的體硅工藝包括濕法SOG (玻璃上硅) 工藝、干法SOG 工藝、正面體硅工藝、SOI (絕緣體上硅)工藝，在國(guó)內(nèi)這些工藝基本形成了標(biāo)準(zhǔn)化工藝，國(guó)內(nèi)的中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13 研究所、北京大學(xué)、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等都對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)化MEMS加工服務(wù)，另外基于以上工藝的多層晶片鍵合工藝、多層晶片鍵合是圓片級(jí)封裝(WLP)以及三維(3D)垂直集成封裝的基礎(chǔ)，結(jié)合穿硅通孔(TSV)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與IC 的集成，也是一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

濕法SOG加工工藝

SOG 工藝是通過(guò)陽(yáng)極鍵合技術(shù)形成牢固的硅—氧鍵將硅圓片與玻璃圓片粘在一起硅作為MEMS器件的結(jié)構(gòu)層玻璃作為MEMS 器件的襯底層，如圖1 所示

結(jié)構(gòu)層由濃硼層形成，對(duì)于各向異性的腐蝕液EDP、KOH 或者TMAH，當(dāng)硼摻雜原子濃度不小于1019 cm-3 時(shí), KOH 腐蝕速率下降5 ～ 100倍(相對(duì)同樣的單晶硅)，對(duì)于EDP 腐蝕液, 腐蝕速率下降250倍，利用各向異性腐蝕液對(duì)高摻雜層的低腐蝕速率特性達(dá)到腐蝕停止的目的。采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝在濃硼層上形成各種設(shè)計(jì)的MEMS結(jié)構(gòu)再與玻璃鍵合,采用自停止腐蝕去除上層多余的單晶硅完成加工。圖2 是實(shí)物SEM照片。

受擴(kuò)散深度與濃度的限制，MEMS 器件結(jié)構(gòu)層的厚度一般小于30 μm ，而且由于高濃度摻雜會(huì)造成硅結(jié)構(gòu)損傷帶來(lái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力，另外硅與玻璃的材料不匹配性也會(huì)帶來(lái)較大結(jié)構(gòu)應(yīng)力，自停止硅濕法腐蝕具有較低的加工精度，這些也是濕法SOG 加工技術(shù)的缺點(diǎn)，另外由于存在高溫工藝也不適用于與IC 的單片集成，但此工藝比較成熟，工藝簡(jiǎn)單，也適合一些性能要求不高的MEMS器件的加工以及批量加工。濕法SOG 加工技術(shù)適合多種MEMS芯片的加工如MEMS陀螺儀、加速度計(jì)、MEMS執(zhí)行器等。

干法SOG加工工藝

基本工藝結(jié)構(gòu)類似濕法SOG工藝，同濕法SOG工藝相比，干法SOG工藝主要變化在于去掉了濃硼摻雜與濕法腐蝕步驟，而是采用磨拋減薄的工藝形成MEMS芯片的結(jié)構(gòu)層省去高溫長(zhǎng)時(shí)間硼摻雜會(huì)降低對(duì)結(jié)構(gòu)層的損傷，也避免了有毒或者容易帶來(lái)工藝沾污的濕法腐蝕步驟，這些也是干法SOG加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，與濕法SOG一樣干法SOG同樣具有不利于與IC 集成的缺點(diǎn)。干法SOG加工技術(shù)適合多種MEMS 芯片的加工，如MEMS 陀螺儀、MEMS 加速度計(jì)、MEMS光開(kāi)關(guān)、MEMS衰減器等。干法SOG加工技術(shù)采用了先鍵合后刻蝕(DRIE) 結(jié)構(gòu)的過(guò)程如圖3 所示。

圖4 是采用干法SOG工藝加工的MEMS器件照片。

正面體硅加工技術(shù)

正面體硅工藝結(jié)合了深刻蝕、濃硼摻雜與濕法腐蝕工藝步驟，如圖5 所示，首先對(duì)n型硅片進(jìn)行濃硼摻雜，濃度滿足硅濕法自停止腐蝕要求，然后DRIE硅結(jié)構(gòu)，刻蝕深度大于濃硼層的厚度，最后在自停止腐蝕液里進(jìn)行腐蝕，釋放結(jié)構(gòu)。一次摻雜正面體硅工藝的結(jié)構(gòu)厚度一般小于30 μm，采用兩次摻雜的正面體硅工藝的結(jié)構(gòu)厚度可達(dá)60 μm 。

圖6 是采用正面體硅工藝制作的MEMS器件實(shí)物照片。

體硅SOI 加工技術(shù)

與其他工藝相比，SOI工藝采用全硅結(jié)構(gòu)，通過(guò)硅-硅鍵合技術(shù)將硅與硅片粘接在一起，由于是全硅結(jié)構(gòu)，因此不存在由于熱膨脹系數(shù)帶來(lái)的應(yīng)力影響，結(jié)構(gòu)層厚度可達(dá)80μm，并具有較高的加工精度，易于電路單片集成。SOI工藝具有與IC 工藝更好兼容性的特點(diǎn)，適用于更多的MEMS器件的制造，可用于制作MEMS 慣性器件(包括陀螺、加速度計(jì)、振動(dòng)傳感器等)、MEMS光學(xué)器件(包括光開(kāi)關(guān)、衰減器等)、生物MEMS、流體MEMS等多種MEMS器件，具有更廣的適用性，可實(shí)現(xiàn)批量加工需求，是目前的一個(gè)主流加工工藝和發(fā)展趨勢(shì)。工藝流程與實(shí)物照片如圖7 和圖8 所示。

硅MEMS表面加工工藝

表面硅MEMS加工技術(shù)是在集成電路平面工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種MEMS工藝技術(shù)。它利用硅平面上不同材料的順序淀積和選擇腐蝕來(lái)形成各種微結(jié)構(gòu)。它的基本思路是:先在基片上淀積一層稱為犧牲層的材料，然后在犧牲層上面淀積一層結(jié)構(gòu)層并加工成所需圖形。在結(jié)構(gòu)加工成形后,通過(guò)選擇腐蝕的方法將犧牲層腐蝕掉，使結(jié)構(gòu)材料懸空于基片之上，形成各種形狀的二維或三維結(jié)構(gòu)。表面硅MEMS加工技術(shù)工藝成熟，與IC 工藝兼容性好，可以在單個(gè)直徑為幾十毫米的單晶硅基片上批量生成數(shù)百個(gè)MEMS 裝置。

圖9 是一套表面犧牲層加工工藝流程。首先在襯底上淀積犧牲層材料(氧化硅)并形成可動(dòng)微結(jié)構(gòu)與襯底之間的連接窗口，然后淀積作為微結(jié)構(gòu)的材料并光刻出所需的圖形，最后利用濕法腐蝕去掉犧牲層，這樣就形成了既能夠活動(dòng)又與襯底相連的微結(jié)構(gòu)。

圖10 是采用表面工藝制作的MEMS開(kāi)關(guān)實(shí)物照片。

結(jié)束語(yǔ)

硅基加工技術(shù)是MEMS 器件的一個(gè)主流加工技術(shù)，包括體硅與表面加工工藝，體硅工藝比較適合制作高深寬比、高靈敏度MEMS 芯片，但與IC工藝兼容性稍差，而表面工藝加工的MEMS結(jié)構(gòu)的深寬比較小，但易與IC 兼容，國(guó)內(nèi)外有多個(gè)MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝加工服務(wù)的工藝線，目前國(guó)內(nèi)主要采用體硅MEMS 加工技術(shù)，濕法SOG 、干法SOG 、正面體硅與體硅SOI 等幾種體硅MEMS 工藝具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)適合于多種MEMS芯片的加工。