MEMS晶圓PCM應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)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(yīng)力是制約MEMS(Micro Electro Mechani-cal System)器件性能提升的一個(gè)重要因素。高性能的MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺儀、MEMS壓力傳感器在設(shè)計(jì)和制造時(shí)均需要采用特殊方法降低應(yīng)力對(duì)器件性能的影響。MEMS器件的應(yīng)力來(lái)源大致可以分為兩個(gè)方面。一方面是MEMS晶圓在工藝制造過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，這包括絕緣襯底上的硅(Silicon-on-Insulator，SOI)晶圓等材料自身的應(yīng)力，以及刻蝕、鍵合、氧化等加工工藝產(chǎn)生的應(yīng)力。另一方面是MEMS器件封裝產(chǎn)生的應(yīng)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(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，異質(zhì)材料間將產(chǎn)生熱應(yīng)力。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-5]和改進(jìn)工藝[6-10]等方法可以降低熱應(yīng)力的產(chǎn)生或降低傳遞到MEMS結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力。

MEMS工藝制造過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)MEMS芯片的成品率有著直接影響，MEMS微加工過(guò)程中較大的應(yīng)力甚至?xí)斐删A發(fā)生破裂。因此降低加工應(yīng)力是MEMS工藝制造的一項(xiàng)核心技術(shù)。為了客觀評(píng)價(jià)MEMS晶圓在制造過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力大小和應(yīng)力分布，需要設(shè)計(jì)MEMS晶圓PCM應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)用于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)MEMS晶圓的應(yīng)力，為優(yōu)化MEMS工藝實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力制造提供可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)。20世紀(jì)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(yīng)力較大。為了測(cè)量MEMS表面工藝加工出的微結(jié)構(gòu)應(yīng)力，研究人員提出了多種MEMS晶圓應(yīng)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(jì)了微諧振器結(jié)構(gòu)，利用諧振器模態(tài)頻率隨應(yīng)力變化可以實(shí)現(xiàn)晶圓應(yīng)力的評(píng)價(jià)，但刻蝕導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)尺寸誤差，即使零應(yīng)力情況下，晶圓上不同位置的諧振器固有頻率也會(huì)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(yīng)力分離，且諧振器結(jié)構(gòu)測(cè)試需要通過(guò)探針臺(tái)上的探針進(jìn)行電信號(hào)連接，會(huì)額外引入應(yīng)力。因此需要設(shè)計(jì)一種非電學(xué)的MEMS晶圓原位應(yīng)力測(cè)量方案。本文針對(duì)MEMS慣性器件性能受應(yīng)力影響顯著的問(wèn)題，開展微加工應(yīng)力測(cè)試研究，提出采用一種推拉差分式MEMS晶圓應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式的晶圓應(yīng)力測(cè)量。

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

1.1 推拉差分式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了推拉式MEMS應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)，如圖1所示。應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)的兩組支撐梁設(shè)計(jì)成不共線的反對(duì)稱結(jié)構(gòu)。這使得當(dāng)MEMS晶圓存在應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力將通過(guò)MEMS結(jié)構(gòu)的錨點(diǎn)傳遞到表征結(jié)構(gòu)上。若晶圓上該位置存在拉應(yīng)力，則圖1中左指針桿結(jié)構(gòu)將向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)右指針桿結(jié)構(gòu)將向下運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)該位置存在壓應(yīng)力時(shí)，左指針桿結(jié)構(gòu)將向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)右指針桿結(jié)構(gòu)將向上運(yùn)動(dòng)。左指針桿和右指針桿的端部均設(shè)計(jì)有用于表征位移量的梳齒結(jié)構(gòu)。梳齒結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下形成差分運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量梳齒結(jié)構(gòu)的差分運(yùn)動(dòng)位移可以表征出結(jié)構(gòu)錨點(diǎn)應(yīng)力大小和方向。

圖1 推拉差分式MEMS應(yīng)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(yīng)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(yīng)力σ與結(jié)構(gòu)尺寸以及結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(yīng)力表征結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型Fig.2 The simplified model of push-pull differential MEMS stress characterization structure

(1)

其中，σ為通過(guò)結(jié)構(gòu)錨點(diǎn)施加在表征結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，δ為表征結(jié)構(gòu)水平桿頂端的運(yùn)動(dòng)位移，E為材料楊氏模量，ν為泊松比，LA和LB分別為兩個(gè)推拉桿的長(zhǎng)度，O為兩個(gè)推拉桿的垂直方向間距，LC為水平桿的長(zhǎng)度。借助式(1)可以近似估算出應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)實(shí)際位移對(duì)應(yīng)的近似應(yīng)力值，采用有限元仿真可以準(zhǔn)確仿真出結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移對(duì)應(yīng)的應(yīng)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(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力主要來(lái)源于高溫的硅硅晶圓鍵合。建立的推拉差分式MEMS應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)仿真模型，如圖3所示。對(duì)高溫硅硅晶圓鍵合后的應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。

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

MEMS應(yīng)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(jiàn)表1。當(dāng)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(shí)，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(yīng)力。

表1 MEMS應(yīng)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(jì)算得出的推拉差分式應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)在晶圓鍵合冷卻后，熱應(yīng)力產(chǎn)生的位移如圖4所示。數(shù)值仿真計(jì)算顯示應(yīng)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(yīng)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(yīng)力表征結(jié)構(gòu)版圖設(shè)計(jì)及制作工藝

為驗(yàn)證推拉差分式MEMS應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)，開展MEMS應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)的流片。首先設(shè)計(jì)應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)版圖，將應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)沿(100)晶向和(110)晶向布置，形成雙軸應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)。圖5為應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)的單芯片版圖，芯片中央為應(yīng)力指針結(jié)構(gòu)固定不動(dòng)，中央梳齒指針上下和左右兩側(cè)分別設(shè)計(jì)有1對(duì)推拉差分式應(yīng)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(jì)的推拉差分式MEMS應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)版圖Fig.5 The layout of the designed push-pull differential MEMS stress characterization structure

測(cè)試結(jié)構(gòu)僅需兩層硅片，設(shè)計(jì)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(yīng)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(xué)機(jī)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(yīng)離子刻蝕(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)刻蝕50μm結(jié)構(gòu)層，形成所需測(cè)試圖形結(jié)構(gòu)。

3 應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

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

圖7 應(yīng)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(shí)際加工出的應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)在應(yīng)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(yīng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移記為正值，壓應(yīng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移記為負(fù)值，上下和左右兩側(cè)2組推拉差分結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位移之和記為該位置沿(100)晶向和(110)晶向的應(yīng)力表征值。經(jīng)光學(xué)顯微鏡測(cè)量梳齒結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移，圖8所示應(yīng)力測(cè)量結(jié)構(gòu)所在位置存在(100)晶向4.3μm和(110)晶向5.1μm的應(yīng)力表征位移。

依次測(cè)量晶圓每個(gè)芯片位置的應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)的梳齒結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移，可以繪制出整個(gè)晶圓的應(yīng)力分布圖。(100)晶向應(yīng)力分布的Map圖如圖9所示，(110)晶向應(yīng)力分布的Map圖如圖10所示。可見(jiàn)加工出的MEMS晶圓整體上以拉應(yīng)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(jì)的MEMS晶圓PCM應(yīng)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?yīng)力大小、方向以及應(yīng)力分布情況。沿(100)晶向的最大拉應(yīng)力在表征結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了18.9μm位移，最大壓應(yīng)力產(chǎn)生了-34.2μm位移；沿(110)晶向的最大拉應(yīng)力在表征結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了15.0μm位移，最大壓應(yīng)力產(chǎn)生了-57.8μm位移。

圖9 沿(100)晶向應(yīng)力在應(yīng)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(gè)芯片位置的應(yīng)力存在方向不一致的問(wèn)題，即晶圓上少數(shù)位置存在相鄰芯片相同軸向的應(yīng)力一個(gè)為拉應(yīng)力，另一個(gè)為壓應(yīng)力的現(xiàn)象。這可能是由于在MEMS晶圓實(shí)際鍵合過(guò)程中局部芯片的錨點(diǎn)鍵合錨定時(shí)間存在差異造成的，后續(xù)需要開展進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

為表征MEMS晶圓的應(yīng)力，給MEMS加工工藝優(yōu)化提供有效的晶圓級(jí)應(yīng)力評(píng)價(jià)測(cè)量手段，設(shè)計(jì)了推拉差分式MEMS晶圓應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)。仿真計(jì)算了所設(shè)計(jì)的應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)在晶圓鍵合工藝后產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及熱應(yīng)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(yīng)力表征結(jié)構(gòu)，推拉差分式MEMS晶圓應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)表征出了MEMS晶圓的應(yīng)力，借助光學(xué)顯微鏡實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移的非接觸式精確測(cè)量，測(cè)試結(jié)果揭示了MEMS晶圓整體應(yīng)力水平和應(yīng)力分布情況，為后續(xù)優(yōu)化MEMS低應(yīng)力加工工藝提供了準(zhǔn)確的應(yīng)力評(píng)價(jià)依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，晶圓少部分位置相鄰兩個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)的應(yīng)力存在方向性差異，這可能是在MEMS晶圓實(shí)際鍵合過(guò)程中局部芯片的錨點(diǎn)鍵合錨定時(shí)間存在差異造成的，后續(xù)需要開展進(jìn)一步的研究。