選擇性化學機械拋光制作微拱形結構*

楊增濤，王 華，曾德平，陳 俊，趙純亮

（1．重慶醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院省部共建超聲醫(yī)學工程國家重點實驗室超聲醫(yī)學工程重慶市市級重點實驗室，重慶 400016;2．模擬集成電路國家重點實驗室中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

0 引言

拱形結構是MEMS器件里的一種常用結構，廣泛用于制作傳感器［1，2］、微型壓電驅動器［3］、薄膜體聲波諧振器及濾波器等［4，5］。拱形結構與平面結構相比，具有自釋放殘余應力、面內應變向徑向應變轉化、跨度大及剛度大等優(yōu)勢［2，6］?，F(xiàn)有關于制作拱形結構方法主要有以下幾類:1）球模具法［6，7］:優(yōu)點是能夠準確控制所制作出拱形結構的曲率和直徑;缺點是毫米級的平面尺寸無法適應MEMS器件的要求，不適合批量生產。2）平面犧牲層法［4］:優(yōu)點是工藝簡單、可量產，且拱形尺寸可精確控制;缺點是在釋放微米級犧牲層時容易粘附，在刻蝕犧牲層時會形成較陡直臺階狀的邊緣，易導致其上拱形結構發(fā)生斷裂或能量泄漏而造成器件失效［8］。3）應力控制成拱［5］:優(yōu)點是整個結構為平滑的曲面，避免了在拱形結構邊緣處形成應力集中;缺點是成拱的壓縮應力薄膜鍍膜工藝復雜，成拱曲率難以控制，且薄膜內應力過大會引起器件失效［8］。4）各向同性腐蝕法［2］:優(yōu)點是制作的拱形結構無殘余應力，結構穩(wěn)定性好;缺點是腐蝕出的凹球形溝槽尺寸為毫米級，同批次之間尺寸差異性達到4%［9］。

針對以上不足，本文提出一種選擇性化學機械拋光技術制作微拱形結構的制作方法，此方法在化學機械拋光硅片過程中，通過選擇能較快拋去硅材料但對SiO2材料的拋光速度卻極慢的拋光液，拋光后在硅片上形成一系列SiO2材料的微拱形凸起，最后在拱形凸起的基片上制作出MEMS微拱形結構。此微拱形結構尺寸為微米級，表面光滑且為連續(xù)的曲面，改進了平面犧牲層工藝制作出的微拱結構出現(xiàn)非連續(xù)的臺階狀邊緣和無法制作出一定曲率微拱的缺點，增強器件結構的穩(wěn)定性和可靠性，可為制作MEMS傳感器、微型壓電驅動器、薄膜體聲波諧振器及濾波器等的微拱形結構提供參考。

1 工藝步驟

微拱形結構采用工藝流程見圖1，所對應的工藝步驟如下:

1）選用P型〈100〉晶向襯底硅片，在硅片表面熱氧化形成一層SiO2薄膜（幾個到幾十納米），以此SiO2薄膜為掩模層，用四甲基氫氧化銨（TMAH）對襯底硅片進行腐蝕［10］，在襯底硅片上形成圖1（a）所示的溝槽，其中，溝槽深度為幾個微米，長度和寬度各為幾十到幾百個微米。

2）采用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）法在圖1（a）上表面鍍SiO2犧牲層，犧牲層厚度超過溝槽深度，填充后的溝槽結構見圖1（b）所示。

3）選用氧化鈰（CeO2）拋光液，用化學機械拋光（CMP）設備對步驟（2）制備的SiO2犧牲層進行拋光，形成圖1（c）所示的結構，此時硅片上表面SiO2犧牲層全部被去除，溝槽內填充的SiO2犧牲層與硅片表面為同一水平面。

4）用CMP設備對圖1（c）上表面進行拋光，拋光過程中選用對硅材料拋光速度較快，但對于SiO2材料拋光速度極慢的硅拋光液，拋光后在SiO2處形成凸起，在硅和SiO2交接處尖銳部分由于局部壓應力的劇增，劇烈的機械摩擦和化學反應引起尖銳部分消除，因此，在硅和SiO2的交界處形成了連續(xù)且平滑的過渡，而在遠離硅和SiO2交界面處，硅拋光速度比SiO2快，形成了如圖1（d）所示的凸起曲面，凸起處為SiO2犧牲層，硅與SiO2交界處連續(xù)且平滑。

5）在圖1（d）有凸起面上根據(jù)設計鍍各種功能薄膜，由于整個表面平滑連續(xù)，因此，其上形成的薄膜也平滑連續(xù)、無臺階。

6）在圖1（d）上光刻出腐蝕窗口，采用SiO2腐蝕劑（根據(jù)實際情況，并考慮交叉腐蝕情況）釋放SiO2犧牲層，由于下方硅基片上有溝槽，增加了腐蝕斷面面積，加快了犧牲層釋放速度［11］，犧牲層釋放完畢后，形成如圖1（f）所示的微拱形結構，其支撐邊緣平滑無臺階，下面為一空腔。

圖1 工藝步驟示意圖Fig 1 Schematic diagram of fabrication process

2 實驗結果

在圖1（e）上表面用低壓化學氣相沉積（LPCVD）設備沉積一層厚度為3 μm的Si3N4薄膜用于制作拱形梁結構，所制作微拱梁用掃描電鏡（SEM）（LEO公司，德國）觀察，掃描結果見圖2，從圖2中可以看出:整個梁體上表面光滑平整，硅片與犧牲層過渡處未見臺階。

采用緩沖氫氟酸（BHF）腐蝕液釋放圖1（e）中的SiO2犧牲層，用表面粗糙度三維形貌輪廓儀（FRT公司，德國）對微拱梁三維形貌進行掃描，所測結果見圖3所示，微拱梁上表面為光滑的曲面，梁體中間拱起，拱起高度約為3．5 μm，跨度大于100 μm，兩支撐端與硅平面實現(xiàn)了平滑過渡，此種支撐結構無臺階、穩(wěn)定性好、且不宜發(fā)生斷裂，同時，采用MEMS工藝制作，其尺寸適應MEMS器件的要求。

3 結論

圖2 微拱梁SEM圖Fig 2 SEM diagram of miro-dome-shaped beam

圖3 微拱梁三維輪廓圖Fig 3 3D contour profile of miro-dome-shaped beam

本文提出一種基于選擇性化學機械拋光技術制作微拱形結構的制作方法，此方法在CMP過程中加入選擇性拋光液，利用硅片上犧牲層部分拋光速度與硅部分拋光速度的差異，在犧牲層和硅材料的邊界處利用滑動摩擦過程中的物理和化學作用，在硅片SiO2犧牲層處形成一系列SiO2材料的微拱形凸起，這些凸起表面光滑，SiO2犧牲層與硅片接觸面平滑無臺階，最后在拱形結構的基片上鍍膜并釋放犧牲層制作出MEMS微拱形結構。實驗結果表明:所制微拱形結構有一定的曲率，拱起高度約為3．5 μm，跨度大于100 μm，微拱形表面光滑且為連續(xù)的曲面，改進了現(xiàn)有制拱方式在尺寸、結構穩(wěn)定性和可靠性等方面的不足。用這種方法制作出的拱形結構無殘余應力，結構穩(wěn)定性好，此方法可應用于制作MEMS傳感器、微型壓電驅動器、薄膜體聲波諧振器及濾波器的可動結構或懸浮結構等，但此方法制作出的拱形結構拱起高度很小，如何增大拱形結構的曲率還需進一步研究。

［1］ 寧 瑾，劉忠立，劉煥章，等．用氧化多孔硅作犧牲層制備懸空微結構［J］．功能材料與器件學報，2003，9（3）:319 －322．

［2］ Han C H，Kim E S．Micromachined piezoelectric ultrasonic transducers on dome-shaped-diaphragm in silicon substrate［C］∥Proceedings of 1999 IEEE，Ultrasonics Symposium，1999:1167 －1172．

［3］ Buchanan R C，Park E，Surana R，et al．High piezoelectric actuation response in graded Nd2O3and ZrO2doped BaTiO3structures［J］．J Electroceram，2011，26:116 －121．

［4］ Satoh H，Ebata Y，Suzuki H，et al．An air-gap type piezoelectric composite thin film resonator［C］∥Proc of 39th Annual Symp on Frequency Control，1985:361 －366．

［5］ Taniguchi S，Yokoyama T，Iwaki M，et al．An air-gap type FBAR filter fabricated using a thin sacrificed layer on a flat substrate［C］∥2007 IEEE Ultrasonics Symposium，2007:600 －603．

［6］ Feng G H，Kim E S．Piezoelectrically actuated dome-shaped diaphragm micropump［J］．Journal of Microelectromechanical Systems，2005，14（2）:192 －199．

［7］ Feng G H，Sharp C C，Zhou Q F，et al．Fabrication of MEMS ZnO dome-shaped-diaphragm transducers for high frequency ultrasonic imaging［C］∥2004 IEEE International Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and Frequency Control Joint 50th Anniversary Conference，2004:1950－1953．

［8］ Dubois M A．Thin film bulk acoustic wave resonators:A technology overview［C］∥MEMSWAVE 03，Toulouse，F(xiàn)rance，2003．

［9］ Han C H，Kim E S．Fabrication of dome-shaped diaphragm with circular clamped boundary on silicon substrate［C］∥Proceedings of the IEEE Conference on MEMS，Orlando，USA，1999:505 －510．

［10］楊增濤，冷俊林，梅 勇，等．硅各向異性淺槽腐蝕實驗研究［J］．壓電與聲光，2011，33（4）:513 －516，519．

［11］ Hara M，Kuypers J，Abe T，et al．Aluminum nitride based thin film bulk acoustic resonator using germanium sacrificial layer etching［C］∥12th International Conference on Transducers，Solid-State Sensors，Actuators and Microsystems，2003:1780 －1783．

［12］劉瑞鴻．二氧化硅介質層 CMP拋光液研制及其性能研究［D］．大連:大連理工大學，2009．