一種MEMS 用硅單晶的缺陷檢驗方法

高 丹

( 中國電子科技集團公司第四十六研究所， 天津300220)

MEMS（微機電系統）是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發展而發展起來的。其特點并非單純的微小化，而是指可以批量制作，集微型構件、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路等于一體的微系統。而在集成電路技術（IC）基礎上發展起來的硅MEMS加工技術因為具有批量生產、成本低、易與電路集成制作等優點，目前已成為MEMS 加工技術的主流。硅基MEMS 加工技術主要有體硅加工技術和表面犧牲層技術兩條發展主線。體硅工藝主要表現為鍵合與深刻蝕技術的組合，追求大質量塊和低應力以及三維加工，硅體的缺陷對其影響較大；表面犧牲層技術向多層、集成化方向發展，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，會導致MEMS器件在制作工藝后發生失效。為了避免在MEMS器件制作工藝后出現失效，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展方向就是集成化。由于機械結構的復雜性，僅采用單層結構往往不能制備所需構件，因此表面犧牲層工藝多層化發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

體硅加工技術是指對硅單晶圓片進行加工，表現為鍵合與深刻蝕技術的組合，追求大質量塊和低應力以及三維加工，其所獲得的有用部件是由硅單晶構成的，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，其參數為，

導電類型：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，表面質量及其它參數均合格。

2.2 實驗過程

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

(2) 深度化學腐蝕，將氫氧化鉀倒入石英杯中加熱，當加熱到97～100 ℃時放入硅片進行腐蝕，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 實驗結果

用金相顯微鏡觀察腐蝕后的硅片表面狀況。觀察結果如圖3 所示，發現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

經過熱處理過程與深度化學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射空穴給硅，形成氧化態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，缺陷處腐蝕速率非常快，最終形成圖中所示的凹坑甚至穿孔現象，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，若發現大于100 μm 的坑，即判定為不合格，以確保硅片進行MEMS 工藝后可用，降低器件失效可能性。

4 結論

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。