微創(chuàng)手術(shù)式硅微機(jī)械加工(MISSM)技術(shù)*

王家疇，劉潔丹，李昕欣，*

硅微機(jī)械加工技術(shù)一直是MEMS(micro-electromechanical system)的主流加工技術(shù)，它的每一次進(jìn)步都帶動(dòng)了MEMS技術(shù)迅速發(fā)展。多數(shù)MEMS傳感器內(nèi)部會(huì)包含至少一種可動(dòng)部件，這就需要在硅片上制作出它們的可動(dòng)空間［1］。傳統(tǒng)的體硅微機(jī)械加工工藝在制作可動(dòng)空間時(shí)一般是在一片硅片表面刻蝕出凹槽，然后通過與另一片硅片鍵合形成完整的結(jié)構(gòu)。這樣做不僅增加了工藝的復(fù)雜程度而且提高了制作成本，加之不同鍵合材料的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的殘余應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重影響器件性能的進(jìn)一步提高。表面硅微機(jī)械加工工藝雖然在一定程度上克服了體硅微機(jī)械加工技術(shù)的不足，但由于其主要通過犧牲層的腐蝕來實(shí)現(xiàn)可動(dòng)空間的制作，而犧牲層是由薄膜沉積工藝制作的，厚度受工藝條件的限制，因此可動(dòng)空間的尺寸也受到了嚴(yán)重限制，而且對(duì)于可動(dòng)結(jié)構(gòu)的釋放還存在薄膜粘附失效的風(fēng)險(xiǎn)［2］。

針對(duì)傳統(tǒng)體硅微機(jī)械和表面微機(jī)械加工工藝制作傳感器腔體和可動(dòng)結(jié)構(gòu)的不足，2003年德國的S.Armbruster等人采用多孔硅溶合再結(jié)晶方法結(jié)合外延技術(shù)在溶合后的薄膜上外延單晶硅結(jié)構(gòu)層制作單晶硅薄膜及其腔體結(jié)構(gòu)，并成功研制出壓力傳感器［3-4］。這是目前為止，世界上首次通過單硅片單面工藝實(shí)現(xiàn)單晶硅結(jié)構(gòu)層及其嵌入式腔體結(jié)構(gòu)的制作。但是，這種制作工藝非常復(fù)雜、成本很高、一般MEMS工藝線無法獨(dú)立完成。本文提出了一種新型微創(chuàng)手術(shù)式硅微機(jī)械加工(MISSM)技術(shù)(即:Mini-holes and Inneretch＆Sealing Silicon Micromachining)。主要步驟如下:首先，通過制作一系列微型釋放窗口，實(shí)現(xiàn)單晶硅片內(nèi)部可選擇性自停止腐蝕制作不同結(jié)構(gòu)尺寸的腔體;其次，將這些微型釋放窗口縫合形成完整的單晶硅結(jié)構(gòu)層及其嵌入式腔體結(jié)構(gòu)。由于其工藝執(zhí)行方式類似于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的微創(chuàng)手術(shù)(Minimally invasive surgery)，且兩者英文首寫字母相同，因此作者把它命名為微創(chuàng)手術(shù)式硅微機(jī)械加工(MISSM)。該工藝充分利用了(111)硅片的晶向分布和KOH或TMAH各向異性濕法刻蝕的特性，同時(shí)結(jié)合器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單硅片單面體硅微機(jī)械加工三維微機(jī)械結(jié)構(gòu)的技術(shù)，克服了傳統(tǒng)體硅微機(jī)械和表面微機(jī)械加工的不足，具有表面微機(jī)械加工工藝的優(yōu)點(diǎn)，且工藝簡單又能實(shí)現(xiàn)與IC工藝兼容。

1 微創(chuàng)手術(shù)式硅微機(jī)械加工技術(shù)理論基礎(chǔ)

微創(chuàng)手術(shù)式硅微機(jī)械加工技術(shù)是一種新型的通過單硅片單面體硅工藝加工三維微機(jī)械結(jié)構(gòu)的技術(shù)。整個(gè)工藝過程無需雙面加工和硅-硅(或硅-玻璃)鍵合工藝。該制作技術(shù)在制作過程中使用的是(111)硅片，為了更好地理解微創(chuàng)手術(shù)式三維硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)的成型機(jī)理，首先需要了解一下(111)硅片的重要晶向分布特點(diǎn)。

圖1為(111)單晶硅片正面圖，圖中所示實(shí)線(或虛線)均為(111)硅片幾個(gè)重要晶面的分布，每個(gè)(111)硅片上的六條直線都是等價(jià)的，且構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正六邊形。其中，圖1(b)中6個(gè)(211)晶面由圖1(a)中6個(gè)(110)晶面順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°得到。如果分別沿圖1(a)和(b)兩條虛線用干法刻蝕出一定深度的方形槽，則刻蝕后槽的側(cè)壁分別是(110)和(211)面，如圖2所示。其中，圖2(b)中紅色虛線為(111)面，其與(211)面的夾角為19.47°。

圖1 (111)硅片的重要晶向分布

圖2 (111)硅片截面的晶面示意圖

如圖1(a)所示，若對(duì)沿虛線刻有溝槽的硅片進(jìn)行KOH或TMAH各向異性濕法刻蝕，根據(jù)(111)單晶硅片各向異性腐蝕理論［5-7］，單晶硅腐蝕方向?qū)⒎謩e沿＜110＞和＜211＞晶向進(jìn)行，最終腐蝕將自停止在{111}面處。腐蝕后所形成的六邊形腔體相鄰側(cè)壁之間相互交錯(cuò)。通過Coventor-ware軟件的仿真結(jié)果可以很清楚了解到側(cè)壁被刻蝕的變化情況，如圖3所示。

圖3 微型釋放窗口濕法腐蝕仿真結(jié)果圖

圖3中黃色區(qū)域?yàn)榭涛g后形成的腔體，腔體的釋放窗口可以通過多晶硅的沉積進(jìn)行縫合，形成完全結(jié)構(gòu)的嵌入式腔體和單晶硅薄膜。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并盡量保證結(jié)構(gòu)的完整性，需要對(duì)釋放窗口進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其既滿足釋放結(jié)構(gòu)的力學(xué)完整性又便于后續(xù)結(jié)構(gòu)腔體的縫合。因此，通過理論研究和仿真分析將長直的溝槽設(shè)計(jì)成分立的系列微型窗口，并將相鄰微小型窗口與窗口之間的距離進(jìn)行優(yōu)化，使其控制在濕法各向異性刻蝕的自連通范圍內(nèi)，具體如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后釋放窗口排布及釋放窗口腐蝕后截面示意圖

假設(shè)犧牲層的深度為H，沿＜211＞晶向相鄰兩個(gè)微型釋放窗口的間距為Z，則根據(jù)幾何學(xué)原理，沿＜211＞晶向微型釋放窗口的自連通的條件為:

對(duì)于沿＜110＞晶向的系列微型釋放窗口，設(shè)單個(gè)窗口寬度為W，相鄰兩個(gè)窗口的間距為 Z'，則沿＜110＞晶向結(jié)構(gòu)釋放的條件為:

對(duì)于多排沿＜211＞晶向的系列微型釋放窗口，設(shè)每排釋放窗口長度為L，相鄰兩排窗口的間距為Z″，則其釋放條件為:

式(3)中，n為每一排釋放窗口中微型釋放窗口的數(shù)量。

由上述分析可得，由式(1)～式(3)可知，通過對(duì)系列釋放窗口的優(yōu)化組合，可以制作任意尺寸大小的腔體結(jié)構(gòu)，其仿真結(jié)果如圖5所示，圖中黃色區(qū)域?yàn)獒尫藕蟮那惑w結(jié)構(gòu)。其中，圖5(a)為6條系列微型釋放窗口沿＜211＞晶向排布后，通過硅片內(nèi)部濕法腐蝕形成圖形的俯視圖，圖5(b)為6條系列微型釋放窗口沿＜110＞晶向排布后通過硅片內(nèi)部濕法腐蝕形成圖形的截面圖?？梢娫摴に囋谇惑w設(shè)計(jì)中有很大的靈活性。同時(shí)，從式(2)也可知，制作懸臂梁等可動(dòng)結(jié)構(gòu)只需對(duì)釋放窗口尺寸及數(shù)量進(jìn)行適當(dāng)修改即可。

圖5 系列微型釋放窗口仿真結(jié)果圖

2 微創(chuàng)手術(shù)式硅微機(jī)械加工技術(shù)工藝分析

微創(chuàng)手術(shù)式硅微機(jī)械制作主要工藝流程如圖6所示，整個(gè)工藝過程只需進(jìn)行一次光刻，通過單硅片單面體硅微機(jī)械加工制作。

圖6 微創(chuàng)手術(shù)式硅微機(jī)械加工工藝流程圖

(1)選取單拋(111)硅片，要求主切邊清楚。硅片熱氧一層2 000 ?的SiO2氧化層，然后依次低溫化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)沉積一層3 000 ?低應(yīng)力SiN和一層8 000 ? TEOS，作為后續(xù)硅片表面硅深度反應(yīng)離子刻蝕(Deep-RIE)以及結(jié)構(gòu)釋放時(shí)的鈍化保護(hù)層。光刻出微型釋放窗口圖形，利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)刻蝕掉圖形區(qū)域上方的TEOS，低應(yīng)力SiN和熱氧SiO2，如圖6(a)所示。

(2)利用Deep-RIE刻蝕一定深度的單晶硅，形成釋放孔，刻蝕深度即為所要設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)層厚度，如圖6(b)所示。

(3)在硅片正面再依次沉積一層2000 ?低應(yīng)力SiN和一層2000 ? TEOS對(duì)刻蝕后的微型釋放孔側(cè)壁進(jìn)行保護(hù)，使其不受后續(xù)濕法各向異性刻蝕的影響，如圖6(c)所示。

(4)無需掩膜保護(hù)下，利用RIE刻蝕微型釋放孔底部的鈍化保護(hù)層，而孔側(cè)壁的鈍化層不受影響，仍然保留。在將釋放窗口底部鈍化層刻蝕干凈后，再利用Deep-RIE繼續(xù)刻蝕一定深度的硅，該深度即為腔體的深度，如圖6(d)所示。至此，釋放孔側(cè)壁作為結(jié)構(gòu)層厚度的上半部分有鈍化層覆蓋，而作為腔體深度的下半部分是裸露的單晶硅。

(5)對(duì)硅片進(jìn)行濕法各向異性刻蝕。沒有鈍化層保護(hù)的側(cè)壁下半部分被腐蝕液腐蝕，腐蝕方向分別沿＜211＞和＜110＞兩個(gè)晶向進(jìn)行，當(dāng)腐蝕到{111}面時(shí)自停止。而被鈍化層保護(hù)起來的上半部分不會(huì)受濕法刻蝕的影響，從而形成單晶硅結(jié)構(gòu)層和嵌入式腔體結(jié)構(gòu)，如圖6(e)所示。

(6)LPCVD沉積低應(yīng)力多晶硅將硅片上系列釋放窗口縫合，隨后對(duì)沉積的多晶硅進(jìn)行退火處理以消除釋放孔內(nèi)部多晶硅的內(nèi)應(yīng)力，最后，去除硅片表面多余多晶硅，結(jié)果如圖6(f)所示。

3 微創(chuàng)手術(shù)式硅微機(jī)械加工關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 二次干刻時(shí)釋放窗口側(cè)壁保護(hù)

釋放窗口的側(cè)壁鈍化層保護(hù)是實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)式三維體硅微機(jī)械加工的關(guān)鍵步驟之一。側(cè)壁保護(hù)的好壞主要取決于兩次干法刻蝕及LPCVD沉積鈍化層的質(zhì)量:(1)要求DRIE刻蝕后釋放窗口側(cè)壁陡直度要好，且釋放窗口截面盡量略呈倒梯形狀;(2)要求LPCVD沉積的鈍化保護(hù)層致密性和臺(tái)階覆蓋性要好;(3)要求RIE刻蝕的方向性要強(qiáng)。在釋放窗口刻蝕方面，主要采用優(yōu)化鈍化保護(hù)氣體C4F8和刻蝕氣體SF6之間的流量以及刻蝕時(shí)間，實(shí)現(xiàn)釋放窗口的制作;在LPCVD沉積側(cè)壁鈍化層方面，通過優(yōu)化沉積工藝依次沉積低應(yīng)力氮化硅和TEOS氧化硅，利用氮化硅張應(yīng)力和TEOS氧化硅壓應(yīng)力特性，改善兩者之間與釋放窗口側(cè)壁的粘附性，防止側(cè)壁鈍化層之間由于應(yīng)力不匹配脫落。同時(shí)，在釋放窗口沉積鈍化保護(hù)層之前，需要對(duì)釋放窗口側(cè)壁進(jìn)行充分氧離子清洗，去除DIRE刻蝕釋放窗口時(shí)殘留下的F-絡(luò)合物;在RIE刻蝕方面，主要通過優(yōu)化下電極的偏置功率和刻蝕腔體的氣體壓強(qiáng)，提高RIE刻蝕的方向性。圖7是二次干法刻蝕去掉釋放窗口底部鈍化層后的掃描電鏡圖片，從圖7可知，其側(cè)壁沉積的兩層鈍化層只有很少一部分被刻蝕掉(約18 nm)，可以滿足后續(xù)工藝要求。

圖7 釋放窗口截面SEM圖片

由于RIE刻蝕微型釋放窗口底部鈍化層的速率比刻蝕硅片表面鈍化層的速率要慢的多，因此需要過刻蝕160%左右才能把底部鈍化層刻蝕干凈。此外，由于微型釋放窗口開口兩側(cè)壁均呈270度角暴露在RIE刻蝕氣體下，因此，該處鈍化保護(hù)層消耗最大，這就要求硅片表面的鈍化保護(hù)層要足夠厚。這也是為什么需要在硅片表面預(yù)沉積一層3 000 ?低應(yīng)力 SiN和一層 8000 ? TEOS鈍化層的理由。圖8為微型釋放窗口底部鈍化層剝離后微型釋放窗口開口兩側(cè)的SEM圖片。從圖中可知，硅片上表面與釋放窗口側(cè)壁結(jié)合處的鈍化層依然完好。

圖8 釋放窗口開口處SEM圖片

由于釋放窗口底部鈍化層是否刻蝕干凈嚴(yán)重影響后續(xù)結(jié)構(gòu)釋放，因此需要對(duì)釋放窗口底部材料成分進(jìn)行分析。圖9是對(duì)釋放窗口底部組成物質(zhì)的分析結(jié)果圖。其中，氧原子僅占9.04%，硅原子占90.47%。分析結(jié)果表明，釋放窗口底部組成物質(zhì)基本全部為Si，少量的氧元素可能是由用氧等離子清洗RIE刻蝕后殘留在釋放窗口側(cè)壁的F-絡(luò)合物時(shí)留下的。

圖9 釋放窗口底部組成物質(zhì)分析譜圖

3.2 腔體釋放窗口的縫合技術(shù)

釋放窗口縫合也是實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)式三維體硅微機(jī)械加工的關(guān)鍵技術(shù)，縫合過程中不僅需要考慮到縫合材料對(duì)縫合后單晶硅結(jié)構(gòu)層力學(xué)性能的影響，而且還要合理設(shè)計(jì)釋放窗口的結(jié)構(gòu)尺寸，保證釋放窗口縫合的氣密性。由于低應(yīng)力多晶硅材料力學(xué)特性與單晶硅相近，因此，采用LPCVD沉積低應(yīng)力多晶硅方法來縫合微型釋放窗口，通過改進(jìn)LPCVD沉積工藝參數(shù)，沉積后的多晶硅薄膜應(yīng)力可以很好地控制在-10 MPa～10 MPa范圍內(nèi)。此外，試驗(yàn)證明微型釋放窗口尺寸最好控制在4×6 μm2以內(nèi)，且LPCVD沉積的多晶硅厚度至少應(yīng)大于釋放窗口的一半，才能完全縫合好整個(gè)釋放窗口。如果釋放窗口尺寸設(shè)計(jì)過大，縫合后的釋放窗口內(nèi)部容易出現(xiàn)空隙，不利于腔體的密封性和改善腔體上方單晶硅結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性能。圖10(a)為沉積3 μm多晶硅縫合4×6 μm2微型釋放窗口的正面電鏡圖片，圖10(b)為釋放窗口縫合后單晶硅薄膜及其嵌入式腔體的截面SEM圖片，由圖10(b)中局部放大圖片可知微型釋放窗口已經(jīng)被完全縫合。

圖10 釋放窗口縫合后實(shí)物圖片

此外，若要在縫合后的單晶硅結(jié)構(gòu)層上繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)工藝需要將沉積的多晶硅刻蝕掉。為了不影響腔體的釋放窗口，需要進(jìn)行一次光刻，將釋放窗口用光刻膠保護(hù)起來再進(jìn)行整個(gè)硅片的多晶硅刻蝕，刻蝕后的釋放窗口如圖11所示。

圖11 硅片表面多余多晶硅刻蝕后SEM圖片

圖11中也可以直觀看到釋放窗口被封堵的很嚴(yán)實(shí)，為了檢測其密封性，拓寬縫合后腔體的應(yīng)用范圍，選擇了8個(gè)器件對(duì)其進(jìn)行密封性測試。密封性測試使用的設(shè)備為北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限公司的KYKY型氦氣氟油加壓檢漏裝置和VARIAN公司的Auto-Test 947型氦氣檢漏儀。測試的步驟如下:①將器件放入氦氣氟油加壓檢漏裝置中，將該裝置抽真空至50 Pa，注入氦氣使壓強(qiáng)升至4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，保持2 h;②將氦氣檢漏儀抽真空，使漏率的初始值達(dá)到1×10-9。將器件從氦氣氟油加壓檢漏裝置中取出，去掉表面氦氣，放入氦氣檢漏儀中進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 腔體氣密性測試

由表1可知，8只器件腔體的漏率均達(dá)到10-9數(shù)量級(jí)，表明使用多晶硅沉積方法來縫合微型釋放窗口可以保證縫合后的腔體具有很好的氣密性。

4 微創(chuàng)手術(shù)式硅微機(jī)械加工技術(shù)應(yīng)用

由式(1)和式(3)可知，通過優(yōu)化組合相鄰間微型釋放窗口的間距Z，犧牲層的深度H，微型釋放窗口的排數(shù)N以及相鄰兩排微型窗口間的間距Z″，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸嵌入式腔體及其單晶硅結(jié)構(gòu)層的制作。在此基礎(chǔ)上，利用MISSM技術(shù)還可以制作出壓力傳感器［8］、微流量傳感器［9］、加速度傳感器［10-12］、微致動(dòng)器等不同類型的 MEMS器件。圖12為應(yīng)用該技術(shù)制作的壓力傳感器腔體及微流體溝道的SEM截面圖［8-9］。圖12(a)中的壓力參考腔體寬度約為230 μm，而圖12(b)中微流體溝道的寬度僅為10 μm，兩者差別高達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)，可見MISSM工藝在制作腔體結(jié)構(gòu)尺寸方面的靈活性。

圖12 不同尺寸腔體截面SEM圖片

5 結(jié)論

本文介紹了一種新穎的MISSM技術(shù)，通過制作一系列微型釋放窗口，實(shí)現(xiàn)在單晶硅片內(nèi)部可選擇性制作腔體結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化組合微型釋放窗口并結(jié)合所設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)，可以靈活制作不同結(jié)構(gòu)尺寸的腔體及單晶硅薄層結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，利用MISSM技術(shù)還可完成不同功能MEMS器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作。MISSM技術(shù)采用單硅片單面體硅三維微機(jī)械加工技術(shù)替代傳統(tǒng)的表面微機(jī)械加工技術(shù)，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)體硅工藝和表面微機(jī)械工藝的不足，而且制作成本低，工藝簡單且制作工藝與IC工藝兼容。極大地豐富和拓展了傳統(tǒng)硅微機(jī)械加工技術(shù)。

［1］ 馬志波，姜澄宇，任森，等.基于SOI的硅微諧振式壓力傳感器芯片制作［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25(2):180-183.

［2］ 徐泰然.MEMS和微系統(tǒng)—設(shè)計(jì)與制造［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:291-298.

［3］ Lammel G，Armbruster S，Cshelling C，et al.Next Generation Pressure Sensors in Surface Micromachining Technology［J］.Int.Conf.on Solid-State Sensors and Actuators(Transducers’05)，2005:35-36.

［4］ Armbruster S，Schafer F，Lammel G，et al.A Novel Micromachining Process for the Fabrication of Monocrystalline Si-Membranes Using Porous Silicon［C］//Int.Conf.on Solid-State Sensor，Actuator，and Microsystems，2003:246-249.

［5］ Lee S W，Park S J，Cho D I，et al.Surface/Bulk Micromachining(SBM)Process and Deep Trench Oxide Isolation Method for MEMS［C］//IEDM Tech，Dig.，1999:701-704.

［6］ Park S J，Kwak D H，Ko H H，et al.Selective Silicon-on-Insulator(SOI)Implant:A New Micromachining Method without Footing and Residual Stress［J］.J.Micromech.Microeng.，2005，15(9):1607-1613.

［7］ Seidel H，Csepregi L，Heuberger A，et al.Anisotropic Etching of Crystalline Silicon in Alkaline Solutions［J］.Journal of the Electrochemical Society，1990，137(11):3612-3626.

［8］ Jiachou Wang，Xinxin Li.Single-Side Fabricated Pressure Sensors for IC-Foundry-Compatible，High-Yield，and Low-Cost Volume Production［J］.IEEE Electron Device Letters，2011，32(7):979-981.

［9］ Jiedan Liu，Jiachou Wang，Xinxin Li.Fully front-Side Bulk-Micromachined Single-Chip Micro Flow-Sensors for Bare-Chip SMT(Surface Mounting Technology)packaging［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2012，22(3):1-9.

［10］ Jiachou Wang，Xinxin Li.Monolithic-Integrated Silicon Bulk-Micromachined Accelerometer and Pressure-Sensor for Tire-Pressure-Monitoring-System(TPMS)Application［C］//int.Conf.on Solid-State Sensors and Actuators(Transducers’11)，2011:703-706.

［11］ Jiachou Wang，Xiaoyuan Xia，Xinxin Li.Monolithic Integration of Pressure Plus Acceleration Composite TPMS Sensors with a Single-Sided Micromachining Technology［J］.Journal of Microelectromechanical Systems，2012，21(2):284-293.

［12］ Jiachou Wang，Xinxin Li.A High-Performance Dual-Cantilever High-Shock Accelerometer Single-Sided Micromachined in(111)Silicon Wafers［J］.Journal of Microelectromechanical Systems，2010，19(6):1515-1520.