一種MEMS 用硅單晶的缺陷檢驗方法

高 丹

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所， 天津300220)

MEMS（微機電系統(tǒng)）是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。其特點并非單純的微小化，而是指可以批量制作，集微型構(gòu)件、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路等于一體的微系統(tǒng)。而在集成電路技術(shù)（IC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的硅MEMS加工技術(shù)因為具有批量生產(chǎn)、成本低、易與電路集成制作等優(yōu)點，目前已成為MEMS 加工技術(shù)的主流。硅基MEMS 加工技術(shù)主要有體硅加工技術(shù)和表面犧牲層技術(shù)兩條發(fā)展主線。體硅工藝主要表現(xiàn)為鍵合與深刻蝕技術(shù)的組合，追求大質(zhì)量塊和低應(yīng)力以及三維加工，硅體的缺陷對其影響較大；表面犧牲層技術(shù)向多層、集成化方向發(fā)展，硅材料的表面缺陷對其有一定的影響，但硅體缺陷對其影響不大[1，2]。目前，對于硅表面缺陷的檢驗方法已經(jīng)成熟，但硅體缺陷的檢驗尚無方法可尋。如果前期未能排除有體缺陷的硅材料，會導(dǎo)致MEMS器件在制作工藝后發(fā)生失效。為了避免在MEMS器件制作工藝后出現(xiàn)失效，需要建立一種提前判定硅片是否可用的檢測方法。

1 MEMS 工藝

1.1 表面犧牲層工藝

表面犧牲層工藝是典型的薄膜工藝，其技術(shù)特點與集成電路工藝兼容，因此表面犧牲層工藝從其誕生起發(fā)展方向就是集成化。由于機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，僅采用單層結(jié)構(gòu)往往不能制備所需構(gòu)件，因此表面犧牲層工藝多層化發(fā)展的另一特點也是必然趨勢。表面犧牲層工藝流程如圖1 所示。

圖 表面犧牲層工藝流程

1.2 體硅工藝

體硅加工技術(shù)是指對硅單晶圓片進(jìn)行加工，表現(xiàn)為鍵合與深刻蝕技術(shù)的組合，追求大質(zhì)量塊和低應(yīng)力以及三維加工，其所獲得的有用部件是由硅單晶構(gòu)成的，加工深度通常為幾十微米、幾百微米，甚至穿透整個硅片，體硅工藝與集成電路工藝兼容性較差[3]。體硅工藝流程如圖2 所示。

圖2 體硅工藝流程

2 實驗及結(jié)果

2.1 實驗條件

2.1.1 實驗裝置

硅拋光片熱處理采用高溫擴散爐。

深度化學(xué)腐蝕采用電爐、石英杯、量杯、攪拌棒等。

2.1.2 實驗樣品

實驗采用拋光片樣品為單晶棒頭尾所切取的晶片，其參數(shù)為，

導(dǎo)電類型：N 型；

晶向：＜100＞；

直徑：100 mm（4 英寸）；

厚度：450 μm±5 μm；

電阻率：2～4 Ω·cm；

無旋渦，表面質(zhì)量及其它參數(shù)均合格。

2.2 實驗過程

(1) 模擬鍵和熱過程，對樣品進(jìn)行熱處理，在500～600 ℃條件下熱處理3～5 h；

(2) 深度化學(xué)腐蝕，將氫氧化鉀倒入石英杯中加熱，當(dāng)加熱到97～100 ℃時放入硅片進(jìn)行腐蝕，腐蝕40～45 min, 去除量為120～140 μm 時取出硅片，冷卻后用去離子水沖洗，甩干，甩干速度：800～1200 r/min ，甩干時間2～5 min。

2.3 實驗結(jié)果

用金相顯微鏡觀察腐蝕后的硅片表面狀況。觀察結(jié)果如圖3 所示，發(fā)現(xiàn)部分硅片表面有如圖3 所示的凹坑。

圖3 腐蝕后的硅片表面

3 分析

經(jīng)過熱處理過程與深度化學(xué)腐蝕的硅片表面存在100～200 μm 的凹坑，在鍵合過程中，拋光片表面殘存粒徑1 μm 以上的顆粒鍵合后也將產(chǎn)生毫米級孔洞，影響器件性能。各向異性腐蝕的機理是腐蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化態(tài)Si+，而羥基OH-與Si+形成可溶解的硅氫氧化物的過程，這個過程硅硅鍵被打破，而當(dāng)硅片存在缺陷時，缺陷處可能含有C、O 金屬離子空位等，其存在的鍵能小于硅硅鍵能，更容易被打破，缺陷處腐蝕速率非?？欤罱K形成圖中所示的凹坑甚至穿孔現(xiàn)象，這會造成MEMS 器件的失效。

因此，對于MEMS 體硅工藝用單晶，在供貨前采取這種檢測方法，若發(fā)現(xiàn)大于100 μm 的坑，即判定為不合格，以確保硅片進(jìn)行MEMS 工藝后可用，降低器件失效可能性。

4 結(jié)論

對于MEMS 體硅工藝用硅單晶，模擬MEMS工藝研究了一種檢測硅單晶缺陷的方法，可以提前判斷單晶是否可用。