MEMS懸浮結(jié)構(gòu)深反應(yīng)離子刻蝕保護方法對比研究

何凱旋，黃　斌，段寶明，宋東方，郭群英

（華東光電集成器件研究所，安徽蚌埠233042）

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MEMS懸浮結(jié)構(gòu)深反應(yīng)離子刻蝕保護方法對比研究

何凱旋*，黃斌，段寶明，宋東方，郭群英

（華東光電集成器件研究所，安徽蚌埠233042）

摘要：分別對基于硅玻鍵合與硅硅鍵合的MEMS加工工藝中懸浮結(jié)構(gòu)深反應(yīng)離子刻蝕保護方法進行對比研究，獲得最佳結(jié)構(gòu)刻蝕保護方法?；诠璨ｆI合工藝的最佳刻蝕保護方法：在結(jié)構(gòu)層背面濺射金屬作為保護層；基于硅硅鍵合工藝的最佳刻蝕保護方法：將結(jié)構(gòu)刻通區(qū)域襯底硅暴露及結(jié)構(gòu)層背面制作圖形化的SiO2保護層相結(jié)合的方式保護。結(jié)構(gòu)保護后，經(jīng)長時間過刻蝕，結(jié)構(gòu)依然完整無損。

關(guān)鍵詞：MEMS；硅玻鍵合；硅硅鍵合；深反應(yīng)離子刻蝕；保護方法

隨著科學研究的不斷發(fā)展及制造工具的不斷進步，以尺寸小、功耗低、批量化生產(chǎn)為特征的微機電系統(tǒng)MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems）已成為人們關(guān)注的焦點。MEMS器件在消費電子、汽車電子、航空航天、生物醫(yī)學、信息技術(shù)等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，在世界范圍內(nèi)，其市場銷售量呈指數(shù)增長，成為新的經(jīng)濟增長點。

工藝加工技術(shù)是MEMS技術(shù)研究的重點之一，MEMS加工工藝是在半導體集成電路工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，發(fā)展至今已形成以體硅加工工藝與表面犧牲層加工工藝為代表的典型加工手段，體硅工藝便于形成大質(zhì)量塊及側(cè)壁電容，比犧牲層工藝有明顯優(yōu)勢［1］。體硅工藝主要依賴于深反應(yīng)離子刻蝕DRIE（Deep Reactive Ion Etching）技術(shù)［2］，DRIE技術(shù)具有速度快、高深寬比、高垂直度等優(yōu)勢，在MEMS工業(yè)中獲得越來越多的應(yīng)用［3］，對MEMS體硅工藝的發(fā)展起到關(guān)鍵性作用。

目前DRIE技術(shù)已相對成熟，可以實現(xiàn)深寬比≥20∶1、側(cè)壁垂直度優(yōu)于90°±0.5°的批量化生產(chǎn)，但懸浮結(jié)構(gòu)刻蝕過程中往往會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)背面損傷現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)損傷導致MEMS敏感結(jié)構(gòu)尺寸偏離設(shè)計值，對MEMS器件性能產(chǎn)生嚴重影響。為了減小懸浮結(jié)構(gòu)刻蝕損失，Matsuura等人［4］與Yoshida等人［5］分別通過在玻璃襯底表面制作金屬層及ITO膜的方法避免電荷積累，減小刻蝕損傷；阮勇等人［6］通過在硅的側(cè)壁PECVD沉積SiO2，在硅的底部熱氧化形成SiO2的方法提高深反應(yīng)離子刻蝕的完整性；冷悅等人［2］及Ki Hoon Kim等人［7］通過在玻璃襯底上制作圖形化金屬實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)無側(cè)蝕深反應(yīng)離子刻蝕；Said Emre Apler等人［8］、Zhong Weiwei等人［9］通過在結(jié)構(gòu)層底部設(shè)置金屬層的方法提高結(jié)構(gòu)刻蝕的完整性。

本文分別對基于硅玻鍵合SOG（Silicon On Glass）與硅硅鍵合SDB（Silicon Direct Bonding）的MEMS加工工藝中懸浮結(jié)構(gòu)高深寬比DRIE保護方法進行了對比研究，獲得了針對不同工藝的最佳刻蝕保護方法。

1　典型MEMS工藝流程及DRIE損傷原理

一般MEMS器件均包含懸浮可動結(jié)構(gòu)，懸浮可動結(jié)構(gòu)的加工往往需要將鍵合技術(shù)與DRIE技術(shù)相結(jié)合，利用鍵合技術(shù)實現(xiàn)可動結(jié)構(gòu)的機械支撐與電學互聯(lián)，利用DRIE技術(shù)實現(xiàn)可動結(jié)構(gòu)的刻蝕釋放，形成所需機械結(jié)構(gòu)。通常MEMS體硅工藝分別基于SOG技術(shù)［10-11］與SDB技術(shù)，圖1為基于SOG技術(shù)的典型MEMS工藝流程，圖2為基于SDB技術(shù)的典型MEMS工藝流程。

由于DRIE工藝本身存在lag效應(yīng)（不同刻蝕線寬，刻蝕速率不同），使得高深寬比刻蝕工藝無法保證不同尺寸線條同時刻通，因此懸浮結(jié)構(gòu)刻蝕時均需一定時間的過刻蝕，以保證所有結(jié)構(gòu)刻通。過刻蝕過程中，首先刻通的區(qū)域，刻蝕離子穿過懸浮結(jié)構(gòu)層轟擊到襯底晶圓。對于SOG工藝，刻通后，刻蝕離子直接轟擊玻璃襯底，由于玻璃襯底不導電，刻蝕離子會在玻璃襯底表面積聚，能使該處電勢增加幾十伏［12］，導致刻蝕離子運動方向發(fā)生變化，損傷懸浮結(jié)構(gòu)層底部，如圖3所示。對于SDB工藝，襯底硅表面的電極結(jié)構(gòu)往往需要有SiO2作為保護，因此，懸浮結(jié)構(gòu)刻通后刻蝕離子同樣轟擊SiO2表面，也會導致圖3所示損傷。

圖1　基于SOG技術(shù)的MEMS工藝流程

圖2　基于SDB技術(shù)的MEMS工藝流程

圖3　lag效應(yīng)導致刻蝕損傷原理圖

2　刻蝕保護實驗

分別對基于SOG工藝、SDB工藝的懸浮結(jié)構(gòu)高深寬比刻蝕保護方法進行實驗研究。利用英國STS公司的ICP深槽刻蝕機實現(xiàn)結(jié)構(gòu)刻蝕釋放。

2.1基于SOG工藝的刻蝕保護實驗

分別采用方法Ⅰ與方法Ⅱ?qū)赟OG工藝的結(jié)構(gòu)進行刻蝕保護：圖4為方法Ⅰ結(jié)構(gòu)示意圖，其特點在于硅玻鍵合前，在玻璃襯底表面濺射Al作為保護層，Al層厚度0.5 μm。

圖5　方法Ⅱ結(jié)構(gòu)保護示意圖

圖5為方法Ⅱ結(jié)構(gòu)示意圖，此方法特點在于硅玻鍵合前，在懸浮結(jié)構(gòu)層背面濺射Al作為保護層，Al層厚度0.5 μm。所用玻璃襯底為Pyrex7740玻璃，厚度500 μm；器件結(jié)構(gòu)硅片采用P＜100＞型低阻硅，電阻率0.005 Ω·cm～0.025 Ω·cm，器件結(jié)構(gòu)厚度80 μm。刻蝕結(jié)構(gòu)最小線寬4 μm，刻蝕深寬比20∶1，過刻蝕15 min。

圖5　方法Ⅱ結(jié)構(gòu)保護示意圖

2.2基于SDB工藝的刻蝕保護實驗

如圖6所示，對于硅襯底表面沒有電極結(jié)構(gòu)的區(qū)域，通過將懸浮結(jié)構(gòu)刻通區(qū)域底部硅襯底表面SiO2去除，暴露襯底硅的方式避免結(jié)構(gòu)刻蝕損傷。對于硅襯底表面有電極結(jié)構(gòu)而不能被刻蝕的區(qū)域，在懸浮結(jié)構(gòu)層底部制作特定的介質(zhì)保護圖形，由于SDB工藝需經(jīng)歷1 100℃的高溫過程，因此保護層不能再用金屬，這里采用SiO2作為保護層，將刻通區(qū)域SiO2腐蝕掉，保留需保護區(qū)域的SiO2層。

在刻蝕保護實驗中，懸臂梁結(jié)構(gòu)底部SiO2去除，通過暴露襯底硅的方式進行刻蝕保護，梳齒底部存在電極結(jié)構(gòu)，采用圖形化的SiO2作為保護層。襯底采用SOI硅片，電極層硅厚度10 μm，埋氧層2 μm，襯底層400 μm；器件結(jié)構(gòu)層為P＜100＞型低阻硅，厚度60 μm，電阻率0.005 Ω·cm～0.025 Ω·cm；采用熱氧化方式制備SiO2保護層，厚度0.3 μm?？涛g結(jié)構(gòu)最小線寬3 μm，刻蝕深寬比20∶1，過刻蝕12 min。

圖6　基于硅硅鍵合工藝的刻蝕保護方法示意圖

3　結(jié)果討論

3.1基于SOG工藝的刻蝕保護實驗結(jié)果討論

圖7為SOG工藝沒有任何保護措施情況下的結(jié)構(gòu)背面刻蝕結(jié)果，從圖7（a）可以看出，懸浮結(jié)構(gòu)背面已被反濺離子刻蝕成黑色，表明結(jié)構(gòu)背面損傷極其嚴重?？涛g離子在玻璃襯底積聚產(chǎn)生的電場改變刻蝕離子運動方向，導致結(jié)構(gòu)背面產(chǎn)生反濺刻蝕，形成“細草狀結(jié)構(gòu)”，如圖7（b），隨過刻蝕時間的增加，“細草結(jié)構(gòu)”高度可達幾微米到十幾微米，影響器件結(jié)構(gòu)完整性，對器件性能產(chǎn)生嚴重不良影響。

圖7　SOG工藝無保護措施下結(jié)構(gòu)背面刻蝕效果

圖8給出了方法Ⅰ、方法Ⅱ刻蝕釋放后懸浮結(jié)構(gòu)背面情況。如圖8（a），刻蝕結(jié)構(gòu)底部有輕微損傷，但與圖7沒有任何保護措施下的刻蝕損傷相比有明顯改善。方法Ⅰ中，玻璃襯底表面金屬層起導電作用，刻蝕離子轟擊到金屬層后電荷能夠很快導走，避免電荷的積聚影響電場分布，從而保證絕大部分刻蝕離子沿垂直方向轟擊到金屬層表面，避免結(jié)構(gòu)背面產(chǎn)生嚴重損傷。然而，如圖9所示，金屬層表面有一定粗糙度，并且刻蝕離子也不能保證全部沿垂直方向運動，因此，極少部分刻蝕離子在與金屬層發(fā)生物理碰撞時會產(chǎn)生側(cè)向反彈，造成結(jié)構(gòu)背面的輕微損傷，圖9中①為非垂直方向運動的刻蝕離子，②為垂直方向運動不會造成刻蝕損傷的離子，③為由金屬層表面粗糙度導致方向改變的刻蝕離子。在方法Ⅱ中，由于結(jié)構(gòu)背面完全被金屬層覆蓋，因此不會出現(xiàn)圖8（a）所示的底部損傷，如圖8（b）所示，方法Ⅱ能夠完全避免結(jié)構(gòu)背面損傷，保證結(jié)構(gòu)完整性。

圖8　結(jié)構(gòu)刻蝕后背面形貌

圖9　方法Ⅰ結(jié)構(gòu)背部輕微損傷原理示意圖

圖10為方法Ⅰ、方法Ⅱ刻蝕后結(jié)構(gòu)正面情況。如圖10（a）所示，對于方法Ⅰ，結(jié)構(gòu)刻蝕后，固定結(jié)構(gòu)區(qū)域沒有出現(xiàn)異常，結(jié)構(gòu)完整，但可動結(jié)構(gòu)區(qū)域出現(xiàn)嚴重損傷。這是由于結(jié)構(gòu)刻通后，可動結(jié)構(gòu)散熱變慢溫度升高，可動結(jié)構(gòu)光刻膠抗刻蝕性降低，導致光刻膠不能很好地實現(xiàn)刻蝕掩模作用，從而造成結(jié)構(gòu)嚴重損傷；而固定結(jié)構(gòu)直接與襯底相連，結(jié)構(gòu)刻通后并不影響固定結(jié)構(gòu)的熱量傳導，從而固定結(jié)構(gòu)表面沒有出現(xiàn)刻蝕損傷。如圖10（b）所示，方法Ⅱ沒有出現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)損傷，這是由于結(jié)構(gòu)底部存在金屬層，結(jié)構(gòu)刻通后，熱量仍可以通過金屬層傳導至襯底結(jié)構(gòu)，從而能夠保證光刻膠抗刻蝕性［8］。

圖10　結(jié)構(gòu)刻蝕后正面形貌

通過上述方法Ⅰ、方法Ⅱ刻蝕結(jié)果對比可以得出，方法Ⅱ在保護效果上有明顯優(yōu)勢，不僅能夠很好地保護結(jié)構(gòu)層背面，防止結(jié)構(gòu)背面損傷，且結(jié)構(gòu)背面金屬層的導熱作用能夠提高光刻膠的抗刻蝕性，避免結(jié)構(gòu)正面損傷。

3.2基于SDB工藝的刻蝕保護實驗結(jié)果討論

圖11為SDB工藝中沒有任何保護措施下懸浮結(jié)構(gòu)背面刻蝕結(jié)果。結(jié)構(gòu)刻蝕后，背面出現(xiàn)嚴重損傷，如圖11（a）光學顯微鏡照片所示，表面已呈黑色，如圖11（b）SEM照片所示，懸浮結(jié)構(gòu)背面已刻蝕成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。這些損傷直接影響材料剛度及結(jié)構(gòu)的完整性，影響器件性能與可靠性。

采取結(jié)構(gòu)刻蝕保護措施后，由于懸臂梁結(jié)構(gòu)底部襯底硅表面SiO2已去除，結(jié)構(gòu)刻通后，刻蝕離子繼續(xù)刻蝕暴露的襯底硅，不會對結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生反濺刻蝕損傷，如圖12（a）所示，采取此種保護措施后，梁結(jié)構(gòu)背面完好，完全沒有刻蝕損傷。梳齒結(jié)構(gòu)采用圖形化的SiO2進行保護，如圖12（b）所示，此方法能夠保證梳齒結(jié)構(gòu)的完整性，避免背面損傷。圖13給出了圖形化的SiO2保護原理，刻通區(qū)域的SiO2刻蝕掉，只在需要保護的區(qū)域保留SiO2圖形，這樣一來，結(jié)構(gòu)刻通后，大部分刻蝕離子可以釋放到懸浮結(jié)構(gòu)層底部，能夠避免懸浮結(jié)構(gòu)層與SiO2保護層接觸區(qū)域發(fā)生footing損傷，同時懸浮結(jié)構(gòu)層底部完全由SiO2圖形覆蓋，SiO2較高的刻蝕選擇比能夠避免結(jié)構(gòu)損傷，提高器件的完整性。

圖11　SDB工藝無保護措施下懸浮結(jié)構(gòu)背面刻蝕結(jié)果

圖12　背面保護效果

圖13　圖形化SiO2刻蝕保護原理

4　結(jié)論

分別對基于SOG工藝與SDB工藝的懸浮結(jié)構(gòu)高深寬比DRIE保護方法進行對比研究，獲得最佳刻蝕保護方法：對于SOG工藝采用懸浮結(jié)構(gòu)背面濺射金屬層的方式保護；針對SDB工藝，對于硅襯底表面沒有電極結(jié)構(gòu)的區(qū)域，將硅襯底表面SiO2去除，懸浮結(jié)構(gòu)刻通后刻蝕離子直接轟擊襯底硅，能有效避免結(jié)構(gòu)層損傷，對于硅襯底表面有電極結(jié)構(gòu)，硅襯底不能被刻蝕的區(qū)域，在懸浮結(jié)構(gòu)層背面制作圖形化的SiO2進行保護。采用上述方法進行懸浮結(jié)構(gòu)刻蝕保護，提高了器件加工的完整性，使器件加工尺寸與設(shè)計尺寸更加相符，對提高器件性能有極大幫助。

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何凱旋（1986-），男，工程師，碩士研究生學歷，現(xiàn)從事MEMS器件及工藝技術(shù)研究，hekxsr@163.com。

Comparison Research on the Protection Methods for MEMS Suspended Structure Deep Reactive Ion Etching

HE Kaixuan*，HUANG Bin，DUAN Baoming，SONG Dongfang，GUO Qunying
（East China Institute of Photo-Electron IC，Bengbu Anhui 233042，China）

Abstract：The protection methods for MEMS suspended structure deep reactive ion etching based on silicon-glass bonding and silicon direct bonding are studied in comparison experiments.The best protection method for process based on silicon-glass bonding is to sputter a metal layer on the backside of the structure.For the process based on silicon direct bonding，the best method is to combine the following two methods of exposing the silicon substrate un?der the etching through area and using graphed silicon oxide as protection layer.The structure is still excellent after long time overetch by the protection process.

Key words：MEMS；Silicon-Glass bonding；Silicon direct bonding；deep reactive ion etching；protection methods

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.009

收稿日期：2015-08-26修改日期：2015-10-16

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）02-0202-06