声明

本文是学习GB-T 32814-2016 硅基MEMS制造技术 基于SOI硅片的MEMS工艺规范. 而整理的学习笔记,分享出来希望更多人受益,如果存在侵权请及时联系我们

1 范围

本标准规定了采用SOI 硅片进行MEMS
器件加工时应遵循的工艺要求和质量检验要求。

本标准适用于硅基 MEMS 制造技术中基于SOI 硅片的 MEMS
器件的加工和质量检验。

2 规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T 26111 微机电系统(MEMS) 技术 术语

GB 50073 洁净厂房设计规范

3 术语和定义

GB/T 26111界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

绝缘体上硅 silicon-on-insulator;SOI

在两层硅中间引入一层氧化层，形成一种"硅-二氧化硅-硅"的三明治结构的技术。其中顶层硅称

为器件层(device layer),底层硅称为衬底层(handle
layer),二氧化硅层称为埋层(buried layer)。

注： 目前制备 SOI 硅片的技术包括注氧隔离(separation by implanted
oxygen,SIMOX)技术、硅片键合和背面减薄

(bonding SOI,BSOI)技术和将键合与注入相结合的智能剥离(smart cut)技术。

3.2

释放 releasing

使 MEMS 结构中的可动部分与其余部分分离，使其可动的过程。

3.3

深反应离子刻蚀 deep reactive lon etching;DRIE

一种具有高深宽比的反应离子刻蚀方法，通常采用感应耦合等离子体(inductively
coupled plasma,

ICP) 刻蚀，有时也称作 ICP 刻蚀。

3.4

footing 效应 footing effect

SOI
硅片在进行深反应离子刻蚀的过程中，当刻蚀到达埋层时，发生的横向刻蚀现象。

4 工艺流程

4.1 概述

基于SOI 硅片的MEMS
工艺流程包括掩膜制备、干法刻蚀、结构释放等部分，如图1所示，其中的

关键工艺用(G) 表示。

GB/T 32814—2016

style="width:9.16042in;height:0.64722in" />

图 1 工艺流程框图

4.2 硅片清洗

采用标准清洗液对如图2所示的SOI 硅片进行清洗。

style="width:7.52667in;height:2.15336in" />

硅 二氧化硅

图 2 硅片示意图

4.3 掩膜制备

4.3.1 掩膜类型

基于SOI 硅片的 MEMS
加工工艺中根据器件层厚度不同，可选用光刻胶、二氧化硅或金属铝作为

掩膜材料。

4.3.2 光刻胶掩膜制备

光刻胶掩膜制备流程如图3所示，包括下列步骤：

a) SOI 硅片器件层表面涂胶及前烘；

b) SOI 硅片曝光、显影及坚膜，形成结构刻蚀掩膜。

style="width:7.48681in;height:4.87361in" />

b) SOI 硅片表面光刻

硅 二氧化硅

图 3 光刻胶掩膜制备

GB/T 32814—2016

4.3.3 二氧化硅掩膜制备

二氧化硅掩膜制备流程如图4所示，包括下列步骤：

a) SOI 硅片氧化，在SOI 硅片的上下表面生成二氧化硅薄膜；

b) 二氧化硅表面制备光刻胶掩膜；

c) SOI 硅片湿法刻蚀二氧化硅；

d) 去胶及清洗。

style="width:7.47333in;height:2.24664in" />

a)SOI 硅片氧化

style="width:7.53988in;height:2.39316in" />

b) 二氧化硅表面制备光刻胶

style="width:7.47333in;height:2.33992in" />

c) SOI 硅片湿法刻蚀二氧化硅

style="width:7.52667in;height:2.17338in" />

d) 去胶及清洗

硅 二氧化硅 光刻胶

图 4 二氧化硅掩膜制备

4.3.4 金属铝掩膜制备

金属铝掩膜制备流程如图5所示，包括下列步骤：

a) SOI 硅片溅射或蒸镀金属铝；

b) 金属铝表面制备光刻胶掩膜；

c) 铝腐蚀；

d) 去胶及清洗。

style="width:7.49992in;height:7.78668in" />class="anchor">GB/T 32814—2016

style="width:7.45996in;height:2.17338in" />

a) SOI 硅片溅射或蒸镀金属铝

b) 金属铝表面制备光刻胶掩膜

c) 铝腐蚀

d) 去胶及清洗

硅 二氧化硅 光刻胶 金属铅

图 5 金属铝掩膜制备

4.4 干法刻蚀

利用深反应离子刻蚀对 SOI
硅片进行刻蚀，刻蚀达到填埋的二氧化硅层时停止，如图6所示，刻蚀
掩膜可为光刻胶、二氧化硅或铝中任意一种。通常情况下，光刻胶掩膜对硅的选择比不超过50:1,二

氧化硅掩膜对于硅的选择比不超过150:1,金属铝掩膜对于硅的选择不超过200:1。

style="width:7.53328in;height:2.64in" />

图 6 干法刻蚀(G)

GB/T 32814—2016

4.5 结构释放

4.5.1 释放方法

结构释放工艺可以采用多种方法，包括湿法释放、气态氢氟酸释放、干法释放、干湿法结合释放、衬

底层深刻蚀释放、衬底层湿法释放。

4.5.2 湿法释放

利用氢氟酸溶液刻蚀填埋的二氧化硅，实现结构可动，如图7所示。

style="width:7.52667in;height:2.73328in" />

图 7 湿法释放(G)

4.5.3 气态氢氟酸释放

利用专用的气态氢氟刻蚀设备刻蚀填埋的二氧化硅，实现结构可动，如图8所示。

style="width:7.5133in;height:2.65342in" />

图 8 气态氢氟酸释放(G)

4.5.4 干法释放

利用 footing效应进行释放，实现结构可动，如图9所示。

style="width:7.5199in;height:2.65342in" />

图 9 footing效应释放(G)

style="width:0.77329in;height:0.53328in" />style="width:1.55335in;height:2.10012in" />class="anchor">GB/T 32814—2016

4.5.5 干湿法结合释放

首先利用footing效应进行结构的干法释放，接下来再利用氢氟酸溶液进行湿法释放，实现结构可

动，如图10所示。

style="width:7.5133in;height:2.69324in" />

图10 干湿法结合释放(G)

4.5.6 衬底层深刻蚀释放

利用深反应离子刻蚀对结构衬底层进行干法刻蚀，直至到达填埋的二氧化硅层。

利用氢氟酸溶液进行湿法释放，实现结构可动，如图11所示。

style="width:7.49992in;height:2.25984in" />

a) SOI 硅片底部干法各向同性刻蚀

style="width:1.57994in;height:2.11992in" />

b) 湿法释放，去除填埋的二氧化硅

硅

二氧化硅

光刻胶

图11 衬底层深刻蚀释放(G)

4.5.7 衬底层湿法释放

利用湿法刻蚀的方法刻蚀 SOI
硅片的衬底层，直至到达填埋的二氧化硅层，在衬底层湿法刻蚀释

放时需对已加工的器件层结构进行保护。

利用氢氟酸溶液进行湿法释放，实现结构可动，如图12所示。

GB/T 32814—2016

style="width:7.54665in;height:2.25324in" />

a) SOI 硅片底部湿法各向异性刻蚀

style="width:7.59338in;height:2.15996in" />

b) 湿法释放，去除填埋的二氧化硅

硅 氧化硅 光刻胶

图12 衬底层湿法释放(G)

4.6 硅片去掩膜

针对不同的光刻胶，选取不同的方法去除。光刻胶掩膜可通过丙酮溶液、氧等离子处理等方法去
除；二氧化硅掩膜可通过氢氟酸溶液去除；金属铝掩膜可通过专用铝刻蚀剂去除，去除掩膜后结构如

图13所示。

style="width:7.49331in;height:2.28008in" />

硅 二氧化硅

图13 硅片去胶后的结构

5 工艺加工能力

5.1 工艺能力要求

各工序应满足必要的工艺能力要求，基本的工艺能力要求见表1。

GB/T 32814—2016

表 1 工艺能力要求

工序名称

关键设备

工艺能力要求

涂胶

涂胶机

涂胶片内不均匀性小于3%

曝光

光刻机

光刻最小线宽2μm,曝光不均匀性偏差小于3%;

光刻线宽误差：±0.3μm;

光刻对准精度：±2μm

硅片刻蚀

深反应离子刻蚀

刻蚀深宽比大于20:1;

刻蚀侧壁垂直度：90°±1°;

横向尺寸加工误差：±1μm

埋层刻蚀

清洗台

氢氟酸刻蚀后无粘附，无残留

5.2 工艺稳定性要求

保证各批次加工结果的一致性，要求各个加工设备的片间均匀性偏差小于5%。

6 工艺保障条件要求

6.1 人员要求

工艺人员应具有 MEMS 工艺基础知识，熟悉设备性能，经过专业培训。

6.2 环境要求

整个工艺操作应在净化间内进行，各个工序操作环境要求见表2。

表 2 环境要求

工序名称

净化级别(GB 50073)

温度

湿度

涂胶

5级

22℃±2℃

30%～70%

曝光

5级

显影

5级

深反应离子刻蚀

6级

氢氟酸刻蚀

7级

氢氧化钾腐蚀

7级

划片

7级

6.3 设备要求

各工序使用的设备应具有相应的工艺能力，推荐使用的设备如表3所示。

GB/T 32814—2016

表 3 推荐使用的设备

工序名称

工艺设备

检测设备

涂胶

涂胶机、烘胶台

显微镜、台阶仪

曝光

光刻机

显微镜

显影

显影台，真空烘箱

显微镜

深反应离子刻蚀

ICP

显微镜、台阶仪

氢氟酸刻蚀

腐蚀台

显微镜

氢氧化钾腐蚀

腐蚀台

显微镜、台阶仪

划片

划片机、腐蚀台

显微镜

7 原材料及辅助材料要求

在基于SOI
硅片的工艺中推荐使用的原材料及辅助材料见表4。表中所列的原材料都应严格按照

相关贮存条件存放，应使用经检验合格且在有效使用期内的材料。

表 4 原材料及辅助材料

材料名称

规格

SOI硅片

P型或N型；厚度误差：器件层2%、埋层2%、衬底层5%

去离子水

实验室用水国家标准一级

高纯氮气

>99.9999%

普通氮气

99.999%

高纯氧气

>99.9999%

SF₆

99.99%

C₁F₈

99.99%

光刻胶

电子纯

氢氟酸

分析纯

硫酸

分析纯

双氧水

分析纯

丙酮

分析纯

四甲基氢氧化铵

分析纯

氢氧化钾

分析纯

8 安全与环境操作要求

8.1 安全

操作过程中严格按照操作规范进行操作，注意用电安全，防止事故发生。

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8.2 化学试剂

规范各种酸、碱以及有机物的放置及使用，对上述试剂操作时必须在通风柜内进行，并佩戴专用防

护用具。

8.3 排放

对于废气、废液的排放应符合相关法规的要求。

9 检 验

9.1 总则

9.1.1 每步工序完成后根据各工序检验要求对其结果进行在线检验。

9.1.2 对于直接影响基于SOI
硅片的工艺加工精度的关键工序建立检验规范，并进行专检。

9.1.3 建立最终检验规范，按照规范对最终加工得到的 MEMS
结构进行检验，剔除不符合检验标准的

残次品。

9.2 关键工艺检验

9.2.1 深反应离子刻蚀

9.2.1.1 检验目的

深反应离子刻蚀直接影响最终结构的尺寸精度。
一方面，深反应离子刻蚀得到结构尺寸的变化直
接影响器件的性能；另一方面，在利用深反应离子进行 SOI
硅片刻蚀时必须保证刻蚀深度等于 SOI 硅

片器件层的厚度，根据后续不同的释放方法确定合适的刻蚀时间。

9.2.1.2 检验项目和要求

硅片深反应离子刻蚀工序的检验项目及要求如表5所示。

表 5 检验项目及要求

序号

检验项目

检验方法

检验要求

1

刻蚀前掩膜检查

在硅片刻蚀之前，需对刻蚀掩膜的厚 度、均匀性进行检查。可通过轮廓仪等

设备测试刻蚀掩膜的厚度

保证掩膜厚度满足选择比要求。测试时对 于100 mm硅片采用5点测试法，150 mm

硅片采用9点测试法

2

外观检查

白光下100倍显微镜目检

表面光洁，无黑硅

3

刻蚀后平面尺寸

使用带有测量功能的显微镜对加工后

得到的结构尺寸进行检验

刻蚀后的尺寸满足设计要求

4

刻蚀深度

使用台阶仪等测量刻蚀深度，由于采用 的是SOI硅片，也可根据刻蚀后底面颜

色及光洁度判断是否刻蚀完成

根据不同的释放方法确定。湿法释放及 衬底层深刻蚀释放时刻蚀深度等于SOI 器件层厚度；干法释放及干湿法结合释放

时要求结构底部过刻蚀量达到设计值；

测试时对于100 mm硅片采用5点测试

法，150 mm硅片采用9点测试法

style="width:3.09333in" />GB/T 32814—2016

9.2.2 释放工艺

9.2.2.1 检验目的

结构可动，无粘附。

9.2.2.2 检验项目和要求

检查释放后的可动结构是否发生粘附。

9.3 最终检验

9.3.1 表面质量

用显微镜检验，应保证 MEMS 结构完整、表面平滑、无严重翘曲、无变形。
MEMS 结构表面无光刻

胶和腐蚀残余物等多余污染物，MEMS 结构之间以及结构与基底之间无粘附。

9.3.2 加工尺寸

MEMS 结构纵、横向尺寸满足设计要求。

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