MEMS器件刻蝕工藝優(yōu)化

孫德玉，馬洪江（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)　110032）

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MEMS器件刻蝕工藝優(yōu)化

孫德玉，馬洪江
（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

摘 要：基于MEMS器件的特殊結(jié)構(gòu)，介紹了硅基電容式傳感器MEMS器件刻蝕工藝的實(shí)現(xiàn)，工藝包含厚膜光刻、雙面對(duì)準(zhǔn)套刻和深溝槽刻蝕等難點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整掩蔽層光刻膠的厚度，保持較高線寬分辨率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了硅片深溝槽的刻蝕加工；采用俄羅斯5026A型雙面光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)了硅片的對(duì)準(zhǔn)套刻，成功實(shí)現(xiàn)了電容式傳感器器件結(jié)構(gòu)的刻蝕工藝，為用戶(hù)提供了滿(mǎn)意的產(chǎn)品，證明了該刻蝕工藝的可行性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：MEMS器件；光刻膠；厚膜光刻；雙面光刻；對(duì)準(zhǔn)套刻；深溝槽刻蝕

1 引 言

MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，它不僅可以感受運(yùn)動(dòng)、光、聲、熱、磁等自然界信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以識(shí)別的電信號(hào)，而且還可以通過(guò)電子系統(tǒng)控制這些信號(hào)，進(jìn)而發(fā)出指令，控制執(zhí)行部件完成所需要的操作。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機(jī)電系統(tǒng)。很多基本結(jié)構(gòu)都是在厚多晶基礎(chǔ)上制作的，文章所列舉的硅基電容式傳感器就是其中的一種。

2 光刻工藝流程

2.1材料及使用設(shè)備

工藝采用厚度為400μm 4英寸N〈100〉雙拋光硅片。光刻采用AIO700涂膠機(jī)、PE340型光刻機(jī)和俄羅斯雙面5026A光刻機(jī)，腐蝕采用AME8310刻蝕機(jī)。

2.2工藝流程

產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)六次光刻及腐蝕，分別是正面聲孔區(qū)、背面腔孔區(qū)、正面二氧化硅、正面多晶硅、正面孔、正面鋁。該MEMS的難點(diǎn)在于正面聲孔區(qū)的光刻與腐蝕，聲孔區(qū)的大小關(guān)系到以后聲音品質(zhì)因數(shù)的高低。

每次涂膠前硅片都要先進(jìn)行表面處理劑（HMDS）處理，硅片放入一個(gè)充滿(mǎn)N2的真空腔內(nèi)，去除硅片表面水汽，采用六甲基二硅胺烷（HMDS）進(jìn)行表面處理。HMDS影響硅片表面使之疏離水分子，同時(shí)形成對(duì)光刻膠材料的結(jié)合力。一般是在熱板中150℃到200℃之間加熱1-2分鐘。烘烤的溫度與時(shí)間對(duì)光刻圖形的質(zhì)量非常重要：如果烘烤溫度太低或時(shí)間太短表面脫水不足就會(huì)產(chǎn)生光刻膠的附著問(wèn)題。如果烘烤時(shí)間太長(zhǎng)或溫度太高則可能引起底漆層分解，形成污染且影響光刻膠的附著。HMDS原理如圖1所示。

圖1 HMDS處理后化學(xué)反應(yīng)原理圖

顯影采用進(jìn)口MF320顯影液對(duì)硅片進(jìn)行顯影，顯影液的主要成分為一種弱堿性的四甲基氫氧化銨，與曝光區(qū)域的光刻膠進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，溶解于顯影液中，依據(jù)試驗(yàn)確定最佳顯影時(shí)間為1分鐘。

3 刻蝕工藝詳細(xì)說(shuō)明

3.1正面聲孔區(qū)

（1）聲孔區(qū)光刻：產(chǎn)品襯底采用的是厚度較薄的雙拋光硅片，并且需要采用背面對(duì)準(zhǔn)光刻，所以在第一次光刻的時(shí)候基本要求有以下幾點(diǎn)：

·本次光刻目的為刻出5μm的多晶硅圓孔，所以要采用耐腐蝕性強(qiáng)且分辨率較高的光刻膠。

·本次光刻采用PE340光刻機(jī)，光刻時(shí)確保圖形與弦平行，從而保證背面腐蝕腔孔角度精確。

·此次光刻版圖上孔的尺寸為5μm，要求硅片顯影后光刻膠上沿孔的大小為4-6μm。

光刻膠選擇方面，由于聲孔區(qū)的多晶硅厚度在1.5μm左右，普通的光刻膠雖然分辨率足夠，但在抗蝕性方面不達(dá)標(biāo)。因?yàn)楦g多晶硅所采用的SF6氣體對(duì)光刻膠的選擇比只有2∶1左右，而細(xì)線條對(duì)光刻膠的腐蝕速率更大，而我們的測(cè)試圖形最細(xì)線條只有2μm寬。綜合考慮以上因素，我們采用耐腐蝕性強(qiáng)且分辨率較高的進(jìn)口SPR6818型光刻膠，該光刻膠在我們工藝線上用于鈍化等厚膜刻蝕，常規(guī)涂膠厚度為1.8μm。實(shí)際應(yīng)用中該常規(guī)涂膠方法不能滿(mǎn)足對(duì)此次聲孔區(qū)的掩膜要求，細(xì)線條處的光刻膠極易出現(xiàn)扒膠現(xiàn)象，如圖2所示。為了既要滿(mǎn)足抗腐蝕要求（增加光刻膠厚度）又要達(dá)到細(xì)線條顯影精度要求，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)，調(diào)整勻膠機(jī)勻膠時(shí)的轉(zhuǎn)數(shù)，優(yōu)化涂膠程序，得到了滿(mǎn)足要求的結(jié)果，如圖3所示。

（2）正面聲孔區(qū)腐蝕：正面聲孔區(qū)的腐蝕也是該MEMS制作過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。因?yàn)槲覀兪褂玫母g氣體SF6對(duì)多晶硅具有很高的腐蝕速率，但硅片內(nèi)部的均勻性不是很高，而太長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)腐又會(huì)出現(xiàn)扒膠及側(cè)腐太大的問(wèn)題，未調(diào)整腐蝕工藝前，腐蝕的圖片如圖4所示。

圖2 細(xì)線條處腐蝕后

圖3 2.5μm厚光刻膠細(xì)線條處腐蝕后

圖4 聲孔區(qū)圓孔未腐蝕干凈

為了提高腐蝕的均勻性，我們對(duì)腐蝕程序進(jìn)行了優(yōu)化，采用在原有腐蝕氣體中添加氦氣的方法，氦氣既能提高F離子的活性，又能提高腐蝕后的均勻性，腐蝕效果如圖5所示，由圖中可以看出正面聲孔區(qū)圖形一致性較好。

3.2背面腔孔區(qū)

此次光刻背面涂SPR6818光刻膠，厚度為1.8μm。檢查調(diào)整光強(qiáng)在400±20范圍內(nèi)開(kāi)始進(jìn)行光刻操作。注意：對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記要放在視場(chǎng)的中間位置進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)曝光，越在中間對(duì)準(zhǔn)精度越高，否則出現(xiàn)偏差，曝光量調(diào)至180。本次刻蝕的目的是留出背面腔孔釋放區(qū)域圖形，為以后的腔體釋放做準(zhǔn)備。

3.3金屬鋁前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

通過(guò)光刻腐蝕正面二氧化硅、正面多晶硅、正面孔形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

3.4正面鋁光刻

刻蝕的目的是在做出電容極板的電極。硅片正面采用手動(dòng)滴6818光刻膠，滴膠量要大，同時(shí)確保無(wú)膠楞、膠花，該引線孔為1.5μm深的溝槽，常規(guī)涂膠量難以滿(mǎn)足涂膠要求。

光刻時(shí)加大曝光量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)曝光量控制在220左右，且采用二次曝光。顯影1分鐘，在顯微鏡下觀察須將引線孔內(nèi)深槽里的光刻膠全部顯掉。如圖7所示。

圖7 鋁光刻顯影后的圖形

4 結(jié)束語(yǔ)

詳細(xì)闡述了MEMS器件加工過(guò)程中的刻蝕工藝，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了電容式MEMS傳感器刻蝕工藝的可實(shí)現(xiàn)性，重點(diǎn)解決了MEMS器件在深溝槽刻蝕過(guò)程中光刻膠的耐腐蝕性及深溝顯影等難點(diǎn)。此工藝流程簡(jiǎn)單，可以大批量進(jìn)行MEMS器件的生產(chǎn)加工，具有良好的應(yīng)用前景。

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Technology of Etching Process on Silicon Based Capacitive Sensor MEMS Device

Sun Deyu，Ma Hongjiang
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Abstract：The technology of etching process on silicon-based capacitive sensor MEMS device，applying the special structure based on MEMS device and including thick film lithography，double alignment sleeve and deep trench etching，etc.，is introduced in this paper.The thickness of masking layer photo-resist is adjusted to make the deep trench etching of silicon wafer and maintain high line width resolution.Type 5026A double side lithography machine，made in Russia，is used to conduct dual surface lithography.The experimental result shows that the process of the etching is feasible and practical.

Key words：MEMS device；Photo-resist；Thick film lithography；Dual surface lithography；Alignment；Deep trench etching

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.003

中圖分類(lèi)號(hào)：TP305

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-2279（2016）02-0008-03

作者簡(jiǎn)介：孫德玉（1983-），男，遼寧省莊河人，學(xué)士，工程師，主研方向：微電子工藝制造。

收稿日期：2015-09-16