余開慶, 程 萍,, 丁桂甫, Roya MABOUDIAN, 趙小林, 姚景元
(1.上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)重點實驗室,上海 200240;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系,上海 200240;3.美國加州大學(xué)伯克利分校 伯克利傳感器與執(zhí)行器中心,美國 加州 94720)
碳化硅(SiC)作為第三代半導(dǎo)體材料,具有高擊穿電壓、高熱導(dǎo)率、高機械強度、高溫穩(wěn)定性、高耐腐蝕性和抗輻射性能等特點[1~4],能在高達1 200 ℃的高溫惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作,且與集成電路(IC)工藝兼容,在極端環(huán)境的微機電系統(tǒng)(MEMS)應(yīng)用中,成為Si的首選替代材料。常見的碳化硅晶相主要有3種:3C-SiC(又稱β-SiC),4H-SiC和6H-SiC。其中,3C-SiC是唯一一種立方晶型的碳化硅,而4H-SiC和6H-SiC是常見的六方型α-SiC。本文對SiC材料的薄膜沉積、刻蝕、減薄、鍵合、歐姆接觸等微加工工藝進行了綜述。
用于SiC薄膜沉積的工藝主要有化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)和離子束濺射沉積(ion beam sputtering deposition,IBSD)。
1)CVD工藝
CVD工藝包括常壓CVD(atmospheric pressure CVD,APCVD)、低壓CVD(low pressure CVD,LPCVD)和等離子體增強CVD(plasma enhanced CVD,PECVD)。其基本原理都是利用氣態(tài)的碳和硅元素在腔室內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成SiC沉積在襯底上從而形成一層SiC薄膜。通常,碳元素由短鏈烴提供,如丙烷(C3H6)或甲烷(CH4)等,硅元素一般由硅烷(SiH4)提供,APCVD和LPCVD反應(yīng)的氣氛一般是采用氫氣(H2)[5],而PECVD采用氬氣(Ar)[6]。同時,反應(yīng)溫度亦存在差異,APCVD和LPCVD的反應(yīng)溫度較高,一般為1 300~1 400 ℃[7],而PECVD依靠輝光放電原理激發(fā)反應(yīng),溫度可低于600 ℃[3]。2009年,加州大學(xué)伯克利分校[8]用LPCVD方法,利用分子中直接有Si-C鍵的甲基硅烷(SiH3CH3)作為主要反應(yīng)物質(zhì),在700~850 ℃下,通過控制反應(yīng)參數(shù)(氣壓、溫度和反應(yīng)物濃度),獲得了殘余應(yīng)力低至196 MPa的高品質(zhì)SiC薄膜。2012年,Zhang S等人[9]利用六甲基乙硅烷(Si(CH3)3-Si(CH3)3)作為反應(yīng)物質(zhì),利用100 W的激光誘發(fā)反應(yīng),在1 000 ℃下獲得了40 μm/h的沉積速度,快于傳統(tǒng)CVD方法的10倍以上。
2)IBSD
IBSD生成SiC薄膜的基本過程一般是將被電離的氬離子從離子源加速轟擊SiC靶材,SiC分子被撞擊后脫離靶材表面,在真空中沿直線運動到基底表面,從而在基底上形成一層SiC薄膜。2011年,蘇州大學(xué)的Jin C G等人[10]在此基礎(chǔ)上,增加了一束輔助氬離子束轟擊襯底,轟擊SiC靶材的主離子源能量為800 eV,而輔助離子源的能量在0~150 eV之間變化,同時利用冷卻水系統(tǒng)給襯底降溫,在室溫條件下沉積了無定形的SiC薄膜,結(jié)果顯示,沉積的SiC薄膜與基底的結(jié)合強度增加,因為輔助離子束轟擊襯底打亂了其原有的化學(xué)結(jié)構(gòu),更利于SiC分子的沉積附著。
因為碳化硅中的Si-C結(jié)合力非常強,化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定,故半導(dǎo)體工藝中硅常用的濕法刻蝕工藝對碳化硅基本無效,只能采用干法工藝進行刻蝕。常用的SiC干法刻蝕工藝主要有感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(inductively coupled plasma etching,ICPE)和反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching,RIE )。
1)ICPE
ICPE的基本原理是氣體在電磁場中啟輝成為等離子體,然后在偏置電場的作用下加速垂直轟擊SiC基片,并與SiC反應(yīng)生成揮發(fā)性的物質(zhì),從而帶走SiC達到刻蝕的目的[11]。該刻蝕方法具有設(shè)備簡單易操作、刻蝕速度較快和大面積均勻性好等優(yōu)點[12]。常用的反應(yīng)氣體是SF6或者CFx等含氟基的物質(zhì),一般還會有O2和Ar摻入來改良反應(yīng)的速率和SiC表面形貌[13]。常用的掩膜材料有光刻膠、鋁和金屬鎳等,當刻蝕較深時,為避免掩膜層被侵蝕,應(yīng)該采用鎳作為掩膜層。影響刻蝕速率的因素主要有氣體配比及流速、腔室內(nèi)壓力、氣體形成等離子體所需的電磁場功率和偏置電場功率等[14]。2015年,王進澤等人[15]用配比為11︰2︰13的SF6,O2和氫溴酸(HBr)作為反應(yīng)氣體,得到了536 nm/min的較高刻蝕速度,同時實現(xiàn)了較好的SiC孔表面質(zhì)量。
2)RIE
RIE的基本原理和ICPE刻蝕相類似,使用的反應(yīng)氣體常用SF6或者CFx摻入O2。由于SiC硬度較大且離子濃度較低等原因,RIE的反應(yīng)速率比ICPE刻蝕慢[16]。徐俊平等人[17]利用60 %的C2F6和40 %的O2在80 mL/min的流速、40 mTorr(1 mTorr=0.133 Pa)的壓力和350 W的功率下得到了最大的刻蝕速率為125 nm/min。2011年,嚴子林等人[18]在刻蝕開始之前先用O2對SiC片進行刻蝕清洗10 min以提高其表面光潔度,然后以110 nm/min的速率刻蝕500 min,得到了61.7 μm的刻蝕深度并得到的刻蝕表面光潔度非常高。
碳化硅的應(yīng)用厚度一般為幾微米至幾十微米,除了前述的CVD和IBSD,也可以通過減薄和拋光工藝獲得幾十微米厚的碳化硅薄膜。商業(yè)碳化硅晶圓厚度一般為300 μm左右。要達到快速減薄的目的,一般先采用機械磨削的方法,如利用金剛石砂輪[19]或球磨鑄鐵磨盤[20]對SiC基片進行磨削,將其快速減薄到100 μm左右的厚度。然后,對磨削面進行拋光處理以提高其表面質(zhì)量,同時采用化學(xué)機械拋光(chemical mechanical polishing,CMP)工藝將晶片厚度緩慢降低至設(shè)計的膜厚。CMP技術(shù)是在研磨漿料作用下,同時發(fā)生機械研磨和化學(xué)腐蝕的拋光工藝,可將平面粗糙度降至亞納米級別。影響磨削和拋光速率的因素主要有研磨壓力、磨盤轉(zhuǎn)速和研磨液的濃度及成分等[21]。其中研磨液的成分被廣泛研究,一般采用堿性研磨液,因為在堿性環(huán)境中硅元素能被溶解成硅酸鹽[22],易于去除。2014年Shi X等人[23]利用含有雙氧水和不同粒徑大小SiO2磨料的堿性研磨液對4H-SiC晶圓進行磨削,發(fā)現(xiàn)小粒徑的SiO2磨料能實現(xiàn)較好的表面質(zhì)量但磨削速率低,而大粒徑的SiO2磨料能實現(xiàn)較高的磨削速度,但表面質(zhì)量較低,所以如何處理好兩者之間的平衡至關(guān)重要。
SiC鍵合方案主要有間接鍵合和直接鍵合兩種。間接鍵合即在碳化硅片中間加填充物,例如SiO2、磷硅酸鹽玻璃(phosphosilicate glass,PSG)、高溫陶瓷膠等絕緣材料以及鎳等金屬材料,該方法的優(yōu)點是易于操作,鍵合條件易于實現(xiàn)[24~26]。對于電容式壓力傳感器,兩塊極板之間要做物理絕緣處理,故PSG和SiO2作為絕緣中間層在器件制作中較為常見。2014年,張德遠等人[27]利用20~30 μm的高性能陶瓷膠作為中間層實現(xiàn)了強度達到4 MPa的碳化硅鍵合;2015年,Mu F等人[28]利用“Fe納米層-Si-Fe納米層-Si-Fe納米層”作為中間層,在常溫下完成了SiC的鍵合,其鍵合強度高達32 MPa以上。近年來,直接鍵合方法發(fā)展也很迅速,在對SiC晶片表面進行處理后直接在高溫下進行壓合再退火,可以在更高溫度(1 200 ℃以上)下應(yīng)用[29],帶絕壓腔的SiC片直接鍵合的工藝步驟和機理都有了進展。如2017年,Liang T等人[30]得到了最佳的加載壓力和退火條件的參數(shù),在1 300 ℃的退火溫度、3 h的退火時間和2 MPa的加載應(yīng)力條件下,得到了最佳力學(xué)性能的鍵合產(chǎn)物,鍵合強度超過2 MPa,并且研究了相關(guān)鍵合機理。
為了引出SiC傳感器的電信號并進行測試,需要在SiC表面形成導(dǎo)電金屬層,即歐姆接觸。金屬材料與SiC芯片接觸形成一個純電阻器,在惡劣環(huán)境中其電阻值的大小受到環(huán)境的影響容易發(fā)生變化而形成噪聲,對正常信號的測量產(chǎn)生了很大的干擾,故該電阻值應(yīng)控制盡可能小。目前在歐姆接觸方面的研究工藝參數(shù)差異較大,所用材料主要是Ni,Ti,Pt,W,TiN及其化合物以及這些材料組合而成多層堆疊結(jié)構(gòu),得到的接觸電阻值大小也參差不齊[31]。2013年程偉[32]以Ti/TiN/Pt為電極,厚度分別為50,100,150 nm,退火后比接觸電阻值小于 。2015年加州大學(xué)伯克利分校通過在N型SiC和Pt/Ti之間引入致密的納米晶石墨碳,發(fā)現(xiàn)Pt/Ti/SiC 歐姆接觸在高溫下的長期穩(wěn)定性得到很大改善[33]?,F(xiàn)在存在的主要問題是接觸電阻值隨溫度的升高而增大,這主要是由于在高溫下材料界面處會出現(xiàn)氧化和擴散現(xiàn)象。目前大多數(shù)學(xué)者報道的SiC基底上的歐姆接觸使用溫度只有600 ℃,這正是制約SiC高溫器件發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸之一。
綜上所述,近幾年SiC材料的微加工工藝和相關(guān)技術(shù)將日趨成熟,這必將推動碳化硅在高溫MEMS器件及高功率微電子工業(yè)上的應(yīng)用。
電容壓力傳感器基本組成是2塊極板構(gòu)成的電容膜片,分別作為固定端和移動端。當外界壓力施加在移動端時,膜片變形導(dǎo)致兩極板間的間距變短,電容值增大,可以通過測量電容值的變化來感知外界壓力。在移動端極板受壓發(fā)生足夠大形變的過程中,隨著壓力的增大,電容值的變化通常可以分為非接觸區(qū)域、過渡區(qū)和接觸區(qū)3個階段[34]。其中,非接觸區(qū)(壓力0~1.5 bar(1 bar=0.1 MPa))和接觸區(qū)(壓力2~12 bar)的輸出線性度均比較好,靈敏度近似為常數(shù),而在過渡區(qū),輸出線性度較差[35]。在接觸區(qū),傳感器能有較大的工作范圍和較高的線性度輸出并能夠起到過載保護的作用。
關(guān)于SiC電容式高溫壓力傳感器,美國凱斯西儲大學(xué)有較系統(tǒng)的研究。2004年,凱斯西儲大學(xué)制備了接觸式的腔室尺寸為800 μm×2 μm的碳化硅電容式高溫壓力傳感器[36],其制作工藝是在硅襯底上利用APCVD沉積一層500 nm厚SiC薄膜,利用PSG作為中間層與SiC襯底鍵合,再用四甲基氫氧化銨(tetrame thylammonium hydrecide,TMAH)除去之前的硅襯底而得到傳感器,在400 ℃和0.15~0.23 MPa的條件下測得靈敏度為398 fF/psi(1psi=0.006895MPa)。2008年,又制備了腔室尺寸為194 μm×1.4 μm的全SiC材料的高溫壓力傳感器[37],主要制作步驟為:使用低溫氧化物(low temperature oxide,LTO)作為極板間腔室的犧牲層,采用LPCVD沉積2.8 μm厚的SiC薄膜后,在其上用ICP刻蝕SiC孔,用氫氟酸(HF)去掉犧牲層LTO,再在敏感壓膜外圍沉積LTO完成傳感器絕壓腔室的密封。該傳感器在574 ℃的條件下能夠穩(wěn)定地工作,穩(wěn)定性較強,同時承壓范圍也較大(0~5 MPa),靈敏度為7.2 fF/psi,但該傳感器的制作工藝較為復(fù)雜。2011年,采用類似的實驗方案[38]證明接觸式的電容式傳感器比壓膜片位移較小的非接觸式傳感器靈敏度高。
2014年,中北大學(xué)的李穎[39]研究了基于SiC的無線高溫壓力傳感器,利用LC諧振的原理將信號發(fā)出,其中的電容器是基于碳化硅薄膜,其工藝流程是將SiC襯底減薄到150 μm,然后利用ICP技術(shù)兩面刻蝕出空腔,中間僅留下45 μm的設(shè)計壓膜厚度,再在兩面濺射金屬,用玻璃漿料鍵合兩片SiC形成絕壓腔,即組成電容器。但只完成了常溫測試,其高溫性能沒有相關(guān)測試結(jié)果。2015年,航天長征火箭技術(shù)有限公司的曹正威等人[40]研制了一種腔室尺寸為1 600 μm×6 μm、壓膜厚度為50 μm的碳化硅壓力傳感器,利用SiO2作為中間絕緣層鍵合碳化硅電容上下極板,形成絕壓腔,在600 ℃下的靈敏度為18.7 fF/kPa,但器件的測量壓力范圍很窄,只有0~0.1 MPa,沒有得到高壓下的測試數(shù)據(jù)。
2015年,Marsi N等人[41]采用厚1 μm的SiC作為高溫敏感壓膜,與硅襯底鍵合組成電容式壓力傳感器,并將其兩端用圓形不銹鋼環(huán)封裝在不銹鋼腔室內(nèi),配合加熱裝置可直接連上N2進行壓力測試,在500 ℃和0~5 MPa的測試條件下測得靈敏度隨溫度的變化系數(shù)為0.037 %。
綜上所述,關(guān)于碳化硅微加工工藝的研究已經(jīng)取得了一定進展,目前研制的碳化硅電容壓力器件的最高使用溫度可達600 ℃。要想繼續(xù)將碳化硅器件的使用溫度提高到1 000 ℃甚至更高,還需要從制備工藝和測試兩方面共同努力。制備工藝方面,需要繼續(xù)研究低熱溫漂的歐姆接觸工藝、高深寬比的刻蝕工藝、低成本高質(zhì)量的SiC薄膜工藝、高溫絕緣層工藝以及穩(wěn)定的鍵合工藝等。同時,測試條件也是不可忽視的方面,目前很多碳化硅傳感器都限于測試條件而難以完成高溫測試,故無法衡量傳感器的高溫性能,所以高溫測試設(shè)備也是傳感器研制過程中要解決的技術(shù)難點之一。
從高溫傳感器的實際應(yīng)用來看,測試信號的無線傳輸和多器件集成將是重要的發(fā)展方向。因為傳感器工作的環(huán)境惡劣,想要實現(xiàn)引線傳出信號會面臨諸多問題。將現(xiàn)有的電容壓力傳感器和電感組成諧振電路傳輸信號,并與熱電偶、能量采集器(提供電源)、慣性器件等集成,同時測量壓力、溫度、加速度等信號從而實現(xiàn)高效、多功能、無線傳感將會是研究趨勢,適應(yīng)了集成化、智能化的發(fā)展理念,同時SiC高溫MEMS器件也將與大功率IC集成化發(fā)展。