MEMS器件刻蝕工藝優化

孫德玉，馬洪江（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽　110032）

?

MEMS器件刻蝕工藝優化

孫德玉，馬洪江
（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

摘 要：基于MEMS器件的特殊結構，介紹了硅基電容式傳感器MEMS器件刻蝕工藝的實現，工藝包含厚膜光刻、雙面對準套刻和深溝槽刻蝕等難點。通過調整掩蔽層光刻膠的厚度，保持較高線寬分辨率的同時實現了硅片深溝槽的刻蝕加工；采用俄羅斯5026A型雙面光刻機實現了硅片的對準套刻，成功實現了電容式傳感器器件結構的刻蝕工藝，為用戶提供了滿意的產品，證明了該刻蝕工藝的可行性和實用性。

關鍵詞：MEMS器件；光刻膠；厚膜光刻；雙面光刻；對準套刻；深溝槽刻蝕

1 引 言

MEMS將電子系統和外部世界有機地聯系起來，它不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁等自然界信號，并將這些信號轉換成電子系統可以識別的電信號，而且還可以通過電子系統控制這些信號，進而發出指令，控制執行部件完成所需要的操作。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統。很多基本結構都是在厚多晶基礎上制作的，文章所列舉的硅基電容式傳感器就是其中的一種。

2 光刻工藝流程

2.1材料及使用設備

工藝采用厚度為400μm 4英寸N〈100〉雙拋光硅片。光刻采用AIO700涂膠機、PE340型光刻機和俄羅斯雙面5026A光刻機，腐蝕采用AME8310刻蝕機。

2.2工藝流程

產品需要經過六次光刻及腐蝕，分別是正面聲孔區、背面腔孔區、正面二氧化硅、正面多晶硅、正面孔、正面鋁。該MEMS的難點在于正面聲孔區的光刻與腐蝕，聲孔區的大小關系到以后聲音品質因數的高低。

每次涂膠前硅片都要先進行表面處理劑（HMDS）處理，硅片放入一個充滿N2的真空腔內，去除硅片表面水汽，采用六甲基二硅胺烷（HMDS）進行表面處理。HMDS影響硅片表面使之疏離水分子，同時形成對光刻膠材料的結合力。一般是在熱板中150℃到200℃之間加熱1-2分鐘。烘烤的溫度與時間對光刻圖形的質量非常重要：如果烘烤溫度太低或時間太短表面脫水不足就會產生光刻膠的附著問題。如果烘烤時間太長或溫度太高則可能引起底漆層分解，形成污染且影響光刻膠的附著。HMDS原理如圖1所示。

圖1 HMDS處理后化學反應原理圖

顯影采用進口MF320顯影液對硅片進行顯影，顯影液的主要成分為一種弱堿性的四甲基氫氧化銨，與曝光區域的光刻膠進行化學反應，溶解于顯影液中，依據試驗確定最佳顯影時間為1分鐘。

3 刻蝕工藝詳細說明

3.1正面聲孔區

（1）聲孔區光刻：產品襯底采用的是厚度較薄的雙拋光硅片，并且需要采用背面對準光刻，所以在第一次光刻的時候基本要求有以下幾點：

·本次光刻目的為刻出5μm的多晶硅圓孔，所以要采用耐腐蝕性強且分辨率較高的光刻膠。

·本次光刻采用PE340光刻機，光刻時確保圖形與弦平行，從而保證背面腐蝕腔孔角度精確。

·此次光刻版圖上孔的尺寸為5μm，要求硅片顯影后光刻膠上沿孔的大小為4-6μm。

光刻膠選擇方面，由于聲孔區的多晶硅厚度在1.5μm左右，普通的光刻膠雖然分辨率足夠，但在抗蝕性方面不達標。因為腐蝕多晶硅所采用的SF6氣體對光刻膠的選擇比只有2∶1左右，而細線條對光刻膠的腐蝕速率更大，而我們的測試圖形最細線條只有2μm寬。綜合考慮以上因素，我們采用耐腐蝕性強且分辨率較高的進口SPR6818型光刻膠，該光刻膠在我們工藝線上用于鈍化等厚膜刻蝕，常規涂膠厚度為1.8μm。實際應用中該常規涂膠方法不能滿足對此次聲孔區的掩膜要求，細線條處的光刻膠極易出現扒膠現象，如圖2所示。為了既要滿足抗腐蝕要求（增加光刻膠厚度）又要達到細線條顯影精度要求，我們通過實驗，調整勻膠機勻膠時的轉數，優化涂膠程序，得到了滿足要求的結果，如圖3所示。

（2）正面聲孔區腐蝕：正面聲孔區的腐蝕也是該MEMS制作過程中的一個難點。因為我們使用的腐蝕氣體SF6對多晶硅具有很高的腐蝕速率，但硅片內部的均勻性不是很高，而太長時間的過腐又會出現扒膠及側腐太大的問題，未調整腐蝕工藝前，腐蝕的圖片如圖4所示。

圖2 細線條處腐蝕后

圖3 2.5μm厚光刻膠細線條處腐蝕后

圖4 聲孔區圓孔未腐蝕干凈

為了提高腐蝕的均勻性，我們對腐蝕程序進行了優化，采用在原有腐蝕氣體中添加氦氣的方法，氦氣既能提高F離子的活性，又能提高腐蝕后的均勻性，腐蝕效果如圖5所示，由圖中可以看出正面聲孔區圖形一致性較好。

3.2背面腔孔區

此次光刻背面涂SPR6818光刻膠，厚度為1.8μm。檢查調整光強在400±20范圍內開始進行光刻操作。注意：對準標記要放在視場的中間位置進行對準曝光，越在中間對準精度越高，否則出現偏差，曝光量調至180。本次刻蝕的目的是留出背面腔孔釋放區域圖形，為以后的腔體釋放做準備。

3.3金屬鋁前的產品結構

通過光刻腐蝕正面二氧化硅、正面多晶硅、正面孔形成產品結構，如圖6所示。

3.4正面鋁光刻

刻蝕的目的是在做出電容極板的電極。硅片正面采用手動滴6818光刻膠，滴膠量要大，同時確保無膠楞、膠花，該引線孔為1.5μm深的溝槽，常規涂膠量難以滿足涂膠要求。

光刻時加大曝光量，通過實驗曝光量控制在220左右，且采用二次曝光。顯影1分鐘，在顯微鏡下觀察須將引線孔內深槽里的光刻膠全部顯掉。如圖7所示。

圖7 鋁光刻顯影后的圖形

4 結束語

詳細闡述了MEMS器件加工過程中的刻蝕工藝，通過實驗證明了電容式MEMS傳感器刻蝕工藝的可實現性，重點解決了MEMS器件在深溝槽刻蝕過程中光刻膠的耐腐蝕性及深溝顯影等難點。此工藝流程簡單，可以大批量進行MEMS器件的生產加工，具有良好的應用前景。

參考文獻：

［1］張凱，顧豪爽，胡光，等.MEMS中硅的深度濕法刻蝕研究［J］.湖北大學學報，2009，29（3）：255-257.Zhang kai，Gu haoshuang，hu guang，et al.Study on the deep wet etching of the silicon for MEMS［J］.Journal of Hubei University（Natural Science），2009，29（3）：255-257.

［2］王權岱，段玉崗，盧秉恒，等.基于濕法刻蝕的MEMS壓印模版制作［J］.微細加工技術，2006（1）：36-40.Wang quandai，Duan yugang，Lu bingheng，et al.Imprint Template Fabrication Method for MEMS Based on Wet Etching［J］.Microfabrication Technology，2006（1）：36-40.

［3］馬萬里.厚鋁芯片制造工藝的光刻對準效果改善［J］.微納電子技術，2011，48（10）：679-682.Ma wanle.Improvement in Lithography Alignment with Thick Aluminum［J］.MicronanoelectronicTechnology，2011，48（10）：679-682.

［4］王陽元，康晉峰.硅集成電路光刻技術的發展與挑戰［J］.半導體學報，2002，23（3）：225-237.Wang yuanyang，kang jinfeng.Development and Challenges of Lithography for ULSI［J］.Journal of Semiconductors，2002，23（3）：225-237.

［5］劉曉麗，李宵燕，邵敏權.光刻技術及其新進展［J］.光機電信息，2005（9）：12-17.Liu xiaoli，li xiaoyan，shao minquan.Recent Progress in Photolithography Technology［J］.OME Information，2005 （9）：12-17.

［6］何洋，霍鵬飛，馬炳和，苑偉政，姜澄宇.平板式可變電容器宏建模及其在MEMS設計中的應用實例［J］.機械科學與技術，2005，24（6）：754-756.He yang，hu pengfei，ma binghe，yuan weizheng，jiang chengyu.Macromodeling of Electrostatic Gap and its Application to MEMS Design［J］.mechanical science and technology，2005，24（6）：

Technology of Etching Process on Silicon Based Capacitive Sensor MEMS Device

Sun Deyu，Ma Hongjiang
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Abstract：The technology of etching process on silicon-based capacitive sensor MEMS device，applying the special structure based on MEMS device and including thick film lithography，double alignment sleeve and deep trench etching，etc.，is introduced in this paper.The thickness of masking layer photo-resist is adjusted to make the deep trench etching of silicon wafer and maintain high line width resolution.Type 5026A double side lithography machine，made in Russia，is used to conduct dual surface lithography.The experimental result shows that the process of the etching is feasible and practical.

Key words：MEMS device；Photo-resist；Thick film lithography；Dual surface lithography；Alignment；Deep trench etching

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.003

中圖分類號：TP305

文獻標識碼：A

文章編號：1002-2279（2016）02-0008-03

作者簡介：孫德玉（1983-），男，遼寧省莊河人，學士，工程師，主研方向：微電子工藝制造。

收稿日期：2015-09-16