MEMS晶圓PCM應力表征結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗驗證*

劉 艷，蘇亞慧，丁 一，喻 磊，周六輝，鳳 瑞

(華東光電集成器件研究所·蘇州·215163)

0 引 言

應力是制約MEMS(Micro Electro Mechani-cal System)器件性能提升的一個重要因素。高性能的MEMS加速度計、MEMS陀螺儀、MEMS壓力傳感器在設(shè)計和制造時均需要采用特殊方法降低應力對器件性能的影響。MEMS器件的應力來源大致可以分為兩個方面。一方面是MEMS晶圓在工藝制造過程中產(chǎn)生的應力，這包括絕緣襯底上的硅(Silicon-on-Insulator，SOI)晶圓等材料自身的應力，以及刻蝕、鍵合、氧化等加工工藝產(chǎn)生的應力。另一方面是MEMS器件封裝產(chǎn)生的應力，這是由于MEMS器件封裝采用了異質(zhì)材料，而異質(zhì)材料的熱膨脹系數(shù)不同，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，異質(zhì)材料間將產(chǎn)生熱應力。通過優(yōu)化設(shè)計[1-5]和改進工藝[6-10]等方法可以降低熱應力的產(chǎn)生或降低傳遞到MEMS結(jié)構(gòu)上的應力。

MEMS工藝制造過程中產(chǎn)生的應力對MEMS芯片的成品率有著直接影響，MEMS微加工過程中較大的應力甚至會造成晶圓發(fā)生破裂。因此降低加工應力是MEMS工藝制造的一項核心技術(shù)。為了客觀評價MEMS晶圓在制造過程中產(chǎn)生的應力大小和應力分布，需要設(shè)計MEMS晶圓PCM應力表征結(jié)構(gòu)用于準確評價MEMS晶圓的應力，為優(yōu)化MEMS工藝實現(xiàn)低應力制造提供可靠試驗數(shù)據(jù)。20世紀90年代MEMS慣性器件大多采用MEMS表面工藝。MEMS表面工藝加工的結(jié)構(gòu)層較薄，且大多是沉積方式生成，應力較大。為了測量MEMS表面工藝加工出的微結(jié)構(gòu)應力，研究人員提出了多種MEMS晶圓應力表征結(jié)構(gòu)，有懸臂梁式、雙端固支梁式、圓環(huán)式、推桿式等[11-13]。隨著MEMS體硅工藝的成熟，目前大多數(shù)MEMS慣性器件采用基于SOI晶圓的體硅工藝制造。雖然設(shè)計了微諧振器結(jié)構(gòu)，利用諧振器模態(tài)頻率隨應力變化可以實現(xiàn)晶圓應力的評價，但刻蝕導致的結(jié)構(gòu)尺寸誤差，即使零應力情況下，晶圓上不同位置的諧振器固有頻率也會不同，因此單從諧振器固有頻率值難以將結(jié)構(gòu)尺寸誤差與晶圓應力分離，且諧振器結(jié)構(gòu)測試需要通過探針臺上的探針進行電信號連接，會額外引入應力。因此需要設(shè)計一種非電學的MEMS晶圓原位應力測量方案。本文針對MEMS慣性器件性能受應力影響顯著的問題，開展微加工應力測試研究，提出采用一種推拉差分式MEMS晶圓應力表征結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)非接觸式的晶圓應力測量。

1 推拉差分式MEMS晶圓PCM應力表征結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 推拉差分式結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計了推拉式MEMS應力表征結(jié)構(gòu)，如圖1所示。應力表征結(jié)構(gòu)的兩組支撐梁設(shè)計成不共線的反對稱結(jié)構(gòu)。這使得當MEMS晶圓存在應力時，應力將通過MEMS結(jié)構(gòu)的錨點傳遞到表征結(jié)構(gòu)上。若晶圓上該位置存在拉應力，則圖1中左指針桿結(jié)構(gòu)將向上運動，同時右指針桿結(jié)構(gòu)將向下運動。而當該位置存在壓應力時，左指針桿結(jié)構(gòu)將向下運動，同時右指針桿結(jié)構(gòu)將向上運動。左指針桿和右指針桿的端部均設(shè)計有用于表征位移量的梳齒結(jié)構(gòu)。梳齒結(jié)構(gòu)在應力作用下形成差分運動，通過測量梳齒結(jié)構(gòu)的差分運動位移可以表征出結(jié)構(gòu)錨點應力大小和方向。

圖1 推拉差分式MEMS應力表征圖形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of push-pull differential MEMS stress characterization structure

推拉差分式MEMS晶圓應力表征結(jié)構(gòu)的單側(cè)結(jié)構(gòu)可以抽象成如圖2所示的模型。應力σ與結(jié)構(gòu)尺寸以及結(jié)構(gòu)運動位移δ的關(guān)系可近似表示為[12]

圖2 推拉差分式MEMS晶圓應力表征結(jié)構(gòu)簡化模型Fig.2 The simplified model of push-pull differential MEMS stress characterization structure

(1)

其中，σ為通過結(jié)構(gòu)錨點施加在表征結(jié)構(gòu)上的應力，δ為表征結(jié)構(gòu)水平桿頂端的運動位移，E為材料楊氏模量，ν為泊松比，LA和LB分別為兩個推拉桿的長度，O為兩個推拉桿的垂直方向間距，LC為水平桿的長度。借助式(1)可以近似估算出應力表征結(jié)構(gòu)實際位移對應的近似應力值，采用有限元仿真可以準確仿真出結(jié)構(gòu)運動位移對應的應力值。

1.2 推拉差分式結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真

MEMS體硅工藝制造過程中產(chǎn)生的應力主要來源于高溫的硅硅晶圓鍵合。建立的推拉差分式MEMS應力表征結(jié)構(gòu)仿真模型，如圖3所示。對高溫硅硅晶圓鍵合后的應力表征結(jié)構(gòu)進行了仿真。

圖3 MEMS應力表征結(jié)構(gòu)仿真模型Fig.3 The simulation model of MEMS stress characterization structure

MEMS應力表征結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層厚度為50μm，二氧化硅絕緣層厚度為1μm。單晶硅和二氧化硅材料參數(shù)見表1。當結(jié)構(gòu)層晶圓在鍵合溫度為1000℃條件下與襯底層晶圓鍵合后，冷卻到室溫時，鍵合形成的硅-二氧化硅-硅結(jié)構(gòu)由于材料的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生熱應力。

表1 MEMS應力表征結(jié)構(gòu)材料物理特性表Tab.1 The material physical properties table of MEMS stress characterization structural

仿真計算得出的推拉差分式應力表征結(jié)構(gòu)在晶圓鍵合冷卻后，熱應力產(chǎn)生的位移如圖4所示。數(shù)值仿真計算顯示應力表征結(jié)構(gòu)單邊產(chǎn)生了約6μm的位移變化。

圖4 推拉差分式MEMS應力表征結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果Fig.4 The simulation results of push-pull differential MEMS stress characterization structure

2 應力表征結(jié)構(gòu)版圖設(shè)計及制作工藝

為驗證推拉差分式MEMS應力表征結(jié)構(gòu)，開展MEMS應力表征結(jié)構(gòu)的流片。首先設(shè)計應力表征結(jié)構(gòu)版圖，將應力表征結(jié)構(gòu)沿(100)晶向和(110)晶向布置，形成雙軸應力表征結(jié)構(gòu)。圖5為應力表征結(jié)構(gòu)的單芯片版圖，芯片中央為應力指針結(jié)構(gòu)固定不動，中央梳齒指針上下和左右兩側(cè)分別設(shè)計有1對推拉差分式應力表征結(jié)構(gòu)。芯片結(jié)構(gòu)的總體尺寸為5000μm×5000μm。

圖5 設(shè)計的推拉差分式MEMS應力表征結(jié)構(gòu)版圖Fig.5 The layout of the designed push-pull differential MEMS stress characterization structure

測試結(jié)構(gòu)僅需兩層硅片，設(shè)計的加工工藝流程如圖6所示。采用的加工流程為：

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)圖6 推拉差分式MEMS應力表征結(jié)構(gòu)加工工藝流程圖Fig.6 The fabrication process of the push-pull differential MEMS stress characterization structure

(a) 選用6寸(100)晶圓片；

(b) 高溫氧化，形成1μm厚二氧化硅絕緣層；

(c) 在二氧化硅絕緣層上刻蝕出圖形；

(d) 繼續(xù)在二氧化硅圖形基礎(chǔ)上，刻蝕一定深度的底層硅；

(e) 選取另一片50μm結(jié)構(gòu)層厚的SOI晶圓片，鍵合到上述(100)晶圓片上；

(f) 化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)去除SOI晶圓片的底層硅以及二氧化硅絕緣層；

(g) 采用深反應離子刻蝕(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)刻蝕50μm結(jié)構(gòu)層，形成所需測試圖形結(jié)構(gòu)。

3 應力表征結(jié)構(gòu)試驗測試結(jié)果

推拉差分式應力表征結(jié)構(gòu)加工流片完成后，在光學顯微鏡下觀察和測量應力表征結(jié)構(gòu)中梳齒位移情況。圖7為實際流片加工出的應力表征結(jié)構(gòu)晶圓照片。圖8為該晶圓上一個應力表征結(jié)構(gòu)在應力作用下發(fā)生位移的顯微鏡照片，可見沿晶圓(100)晶向和(110)晶向均存在拉應力，仿真優(yōu)化后的推拉差分式應力表征結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)晶圓應力的非接觸式測量。

圖7 應力表征結(jié)構(gòu)晶圓局部照片F(xiàn)ig.7 The photo of the stress characterization structure wafer

圖8 實際加工出的應力表征結(jié)構(gòu)在應力作用下變形情況照片F(xiàn)ig.8 The photo of the deformation of the actual processed stress characterization structure

將拉應力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)運動位移記為正值，壓應力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)運動位移記為負值，上下和左右兩側(cè)2組推拉差分結(jié)構(gòu)的運動位移之和記為該位置沿(100)晶向和(110)晶向的應力表征值。經(jīng)光學顯微鏡測量梳齒結(jié)構(gòu)運動位移，圖8所示應力測量結(jié)構(gòu)所在位置存在(100)晶向4.3μm和(110)晶向5.1μm的應力表征位移。

依次測量晶圓每個芯片位置的應力表征結(jié)構(gòu)的梳齒結(jié)構(gòu)運動位移，可以繪制出整個晶圓的應力分布圖。(100)晶向應力分布的Map圖如圖9所示，(110)晶向應力分布的Map圖如圖10所示。可見加工出的MEMS晶圓整體上以拉應力為主，呈現(xiàn)一種中心擠壓變形，而外圍拉伸變形的狀態(tài)。設(shè)計的MEMS晶圓PCM應力表征結(jié)構(gòu)很好地表征了MEMS晶圓不同位置、不同軸向?qū)Φ膽Υ笮?、方向以及應力分布情況。沿(100)晶向的最大拉應力在表征結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了18.9μm位移，最大壓應力產(chǎn)生了-34.2μm位移；沿(110)晶向的最大拉應力在表征結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了15.0μm位移，最大壓應力產(chǎn)生了-57.8μm位移。

圖9 沿(100)晶向應力在應力表征結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的位移Map圖Fig.9 Displacement map generated by stress along the (100) crystal direction

圖9和圖10也反映出晶圓局部相鄰兩個芯片位置的應力存在方向不一致的問題，即晶圓上少數(shù)位置存在相鄰芯片相同軸向的應力一個為拉應力，另一個為壓應力的現(xiàn)象。這可能是由于在MEMS晶圓實際鍵合過程中局部芯片的錨點鍵合錨定時間存在差異造成的，后續(xù)需要開展進一步的研究。

4 結(jié) 論

為表征MEMS晶圓的應力，給MEMS加工工藝優(yōu)化提供有效的晶圓級應力評價測量手段，設(shè)計了推拉差分式MEMS晶圓應力表征結(jié)構(gòu)。仿真計算了所設(shè)計的應力表征結(jié)構(gòu)在晶圓鍵合工藝后產(chǎn)生的熱應力以及熱應力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形量。采用6英寸晶圓，加工了推拉差分式MEMS晶圓應力表征結(jié)構(gòu)，推拉差分式MEMS晶圓應力表征結(jié)構(gòu)表征出了MEMS晶圓的應力，借助光學顯微鏡實現(xiàn)了對應力導致的結(jié)構(gòu)運動位移的非接觸式精確測量，測試結(jié)果揭示了MEMS晶圓整體應力水平和應力分布情況，為后續(xù)優(yōu)化MEMS低應力加工工藝提供了準確的應力評價依據(jù)。試驗結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，晶圓少部分位置相鄰兩個測試結(jié)構(gòu)的應力存在方向性差異，這可能是在MEMS晶圓實際鍵合過程中局部芯片的錨點鍵合錨定時間存在差異造成的，后續(xù)需要開展進一步的研究。