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
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。
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
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。
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
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图 1 工艺流程框图
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
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。
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
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
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
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
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。
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)
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)
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
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)
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)
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)
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
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
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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%。
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。
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
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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
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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
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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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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。
对于废气、废液的排放应符合相关法规的要求。
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。
9.2.1.1 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
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style="width:3.09333in" />GB/T 32814—2016
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。
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。
MEMS 结构纵、横向尺寸满足设计要求。
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