基于Si納米膜的差分結構矢量水聽器工藝研究*

苗晉威，楊沙沙，齊秉楠，曹文萍，史一明，王任鑫，2

（1.中北大學省部共建動態測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.聲納技術重點實驗室，浙江 杭州 310000）

0 引 言

隨著微電子機械系統（MEMS）的不斷進步，將MEMS技術與傳統水聲傳感器技術相結合，矢量水聽器可以實現體積微型化、陣列化、集成化、低功耗、低成本等優點［1］。中北大學基于仿生學原理成功制備了仿生纖毛壓阻式MEMS矢量水聽器，具有體積小、靈敏度高以及良好的指向性的優點［2］。矢量水聽器搭載在水下平臺用于水中目標探測時，靈敏度是影響水聽器性能最重要的一方面；另一方面，水下搭載平臺會受到海洋洋流沖擊給水聽器帶來振動信號的干擾，所以水聽器的抗振動干擾能力也必不可缺。

在纖毛壓阻式MEMS矢量水聽器的基礎上，為了進一步提高靈敏度。Zhang G等人［3］研制了一種利用硅（Si）微加工技術將水聽器壓敏區域懸臂梁局部減窄減薄，從而實現了水聽器應力集中提高了水聽器的靈敏度。但這樣的方法使得工藝難度大大增加并且會影響水聽器的可靠性。史一明等人［4］設計并制備了Si納米線應用于水聽器上，利用Si納米線的巨壓阻效應來提高水聽器的靈敏度，但Si納米線成型的均勻性較差。齊秉楠等人［5］同樣利用了巨壓阻效應，制備了Si納米膜作為壓敏電阻區域用于提高水聽器的靈敏度，但沒有將壓阻區域刻蝕出來，無法精準控制壓敏電阻阻值大小。為了減少海洋洋流導致平臺振動帶來的干擾。之前提出了一種纖毛-Si 柱差分結構水聽器來實現抑制振動干擾，并進行了仿真驗證［6］。

本文使用普通光刻、刻蝕的方法，利用絕緣體上Si（silicon on-insulator，SOI）晶圓頂層Si 制備Si 納米膜，將Si 納米膜作為壓敏電阻集成到水聽器上，更加精準地控制壓敏電阻阻值，利用巨壓阻效應提高了水聽器的靈敏度。與此同時，使用光刻刻蝕等方法將普通差分式水聽器下方纖毛替換成與水聽器一體化集成的Si柱，利用較低的工藝難度減少了下方纖毛對準精度誤差，水聽器依舊具有抑制振動噪聲能力。

1 水聽器結構與版圖設計

基于Si 納米膜的差分結構水聽器剖面示意如圖1 所示。水聽器主要由纖毛、Si柱、邊框、十字梁、Si納米膜壓敏電阻和金屬引線構成的。

圖1 水聽器剖面示意

本文軟件設計了光刻掩模版版圖，如圖2所示。

圖2 掩模版版圖

圖2 （a）為濃硼擴散區域掩模版示意，規定了重摻雜的區域。圖2（b）為壓敏電阻掩模版示意，同時也是Si納米膜尺寸定義版，通過光刻刻蝕的工藝完成Si 納米膜的制備。圖2（c）為金屬引線掩模版，用于8 個壓敏電阻的連接線并組成2個惠斯通電橋。圖2（d）為正面刻蝕掩模版，用于制備出水聽器十字梁結構。圖2（e）為背面刻蝕掩模版，從背面刻蝕釋放了十字梁、Si柱以及邊框結構。圖2（f）為整體套刻后的掩模版。

2 工藝制備

具體工藝流程如圖3所示。

1）為了適應工藝間設備以及匹配所設計的水聽器結構尺寸，有針對性地選取了4 in（1 in ＝2.54 cm）SOI晶圓，頂層Si厚度為340 nm、埋氧層厚度為3 μm、底層Si 厚度為700 μm，晶向為［100］，電阻率為1～20 Ω·cm。

2）為了保持晶圓的潔凈程度需要對其進行清洗，目前使用濕法清洗通常清洗方法有2 種，有機超聲清洗和標準清洗。有機超聲清洗是將晶圓先后放入丙酮（CH3COCH3）和乙醇（C2H5OH）溶液中各5 min 進行超聲清洗，可以去除附著在晶圓上的雜質和污染物。標準清洗使用3＃液和1＃液，3＃液中過氧化氫（H2O2）和濃硫酸（H2SO4）的比例為1∶3，1＃液中水、H2O2和氨水（NH3·H2O）的比例為7∶3∶1。將晶圓先放置于150 ℃的3＃液15 min，可以有效去除有機物和部分金屬。標準清洗后用去離子水進行反復沖洗，再置于60 ℃的1＃液5 min，用于去除表面顆粒。最后取出晶圓用去離子水沖洗，并用N2將其吹干，從而使晶圓的表面潔凈程度達到等離子體增強化學的氣相沉積（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）法和擴散要求。

3）在濃硼擴散前需要制備一層SiO2來做阻擋，用于保護非圖形區域不被擴散。目前一般使用PECVD 和熱氧的方法生成SiO2。熱氧法生長的SiO2致密性好，但會消耗頂層Si且生成的SiO2且均勻性較差。因此采用PECVD的方法制備1 μm厚度的SiO2用于濃硼擴散的阻擋層。

4）光刻濃硼擴散區域，首先將晶圓放入六甲基二硅氮烷（C6H19NSi2）烘箱對晶圓進行預處理，這樣可以使光刻膠能夠更好粘附在晶圓上。預處理后的晶圓放置于均膠機上，涂覆光刻膠，均膠機轉速設置為3 000 r／min。使用光刻機完成曝光。接著把晶圓放熱板上前烘處理后進行曝光，使用顯影液完成顯影，保證圖形區域清晰、完整且沒有殘膠，最后進行后烘完成這一步的光刻工藝。

5）刻蝕濃硼擴散區域，使用反應離子刻蝕（reactive ion etching，RIE）設備干法刻蝕SiO2，刻蝕深度為1 μm，將需要擴散的頂層Si 完全裸露出來。需要提前測試刻蝕速率并精準控制刻蝕時間。接著將晶圓放入40 ℃的緩沖氧化物刻蝕（buffer oxide etching，BOE）溶液中5 ～10 s，用于腐蝕濃硼擴散區域的殘留以及Si 表面自然生成的SiO2。用四探針法對濃硼擴散區域對電阻率進行測量，確保肯定到達Si層。最后將晶圓依次放入丙酮、乙醇溶液中超聲5 min，完成對光刻膠的去除。

6）在濃硼擴散前需要再次進行標準清洗，用N2吹干后需要放在熱板上加熱充分烘干晶圓表面的水汽，防止在濃硼擴散時出現合金點。在氧化擴散爐中完成重摻雜工藝，濃硼擴散參數設置為1 000 ℃，10 min。

7）濃硼擴散后會生成硼硅玻璃，相較于SiO2比較難以去除。再次用濃硼擴散光刻版來做光刻，光刻完成后將晶圓放置在40 ℃的BOE 溶液中，直到四探針測到擴散后Si層的電阻率，說明硼硅玻璃已被去除。去膠后，把晶圓浸泡在40 ℃新的BOE溶液中，觀察晶圓表面變化，晶圓直到完全疏水后，此時SiO2被去除干凈。

8）光刻壓敏電阻圖形也就是Si納米膜圖形，涂覆光刻膠，勻膠機轉速設置為5 000 r／min，顯影液使用AZ400K∶H2O ＝1∶6的比例完成顯影。接著使用RIE 機干法刻蝕頂層Si 340 nm，刻蝕出Si納米膜的圖形。

9）使用磁控濺射鍍膜機（explored）濺射金屬Al 600 nm后，選用光刻膠進行光刻金屬引線圖形，用作金屬引線濕法腐蝕掩模。濕法腐蝕Al使用磷酸溶液來進行腐蝕，在40 ℃水浴加熱條件下，腐蝕時間為210 s，仔細觀察非圖形區域Al的腐蝕變化，精準控制腐蝕時間，過長時間的腐蝕會導致漂膠現象以及Al 的過腐蝕，從而影響金屬引線的質量。

10）金屬引線形成后，金屬Al 和Si 擴散區域只是一個粘附關系，還未真正形成歐姆接觸，因此必須經過退火處理才能使得金屬與半導體形成合金，實現壓敏電阻的導通。本文使用的是管式退火爐，退火溫度是450 ℃，退火保持時間是25 min。

11）光刻圖形化正面十字梁結構，此時因刻蝕3 μm 的SiO2和15 μm的Si需要更多的膠厚用作干法刻蝕阻擋層。選用光刻膠，轉速為3 000 r／min，完成光刻后使用RIE設備刻蝕SiO2，使用深反應離子刻蝕（deep reactive ion etching，DRIE）設備刻蝕Si。

12）光刻圖形化背面Si柱和邊框結構，選用光刻膠，轉速為1000 r／min，此時曝光圖形是要與正面圖形進行雙面對準來保持正反結構位置的一致性。完成光刻后使用DRIE設備刻蝕底層Si，直到與正面貫穿，梁結構被完整的釋放，最終完成水聽器的制備加工。

3 形貌觀測與測試

經過水聽器的設計與MEMS 工藝制備后，成功加工出水聽器，需要進一步的觀測和測試來驗證工藝是否成功。

3.1 水聽器形貌觀測

首先采用激光共聚焦顯微鏡對制備的水聽器進行形貌觀察，Si納米膜制備以及歐姆接觸區如圖4（a）所示。制備完成后單個芯片大小大于顯微鏡的最小放大倍數，因此對部分結構進行觀測，正面觀察金屬線和壓敏電阻如圖4（b）所示。背面觀察邊框和Si柱如圖4（c）所示。

圖4 激光共聚集觀測結果

使用掃描電子顯微鏡（scanning electronic microscope，SEM）對制備出的水聽器芯片進行整體形貌觀測，正面觀測圖片如圖5（a）所示，背面觀測圖片如圖5（b）所示。

圖5 正面和背面SEM圖

由圖5 可知，制備出的芯片形貌良好，Si 柱垂直度較好，十字梁被完整刻蝕出來，金屬線條清晰完整。加工的芯片尺寸與設計尺寸基本一致，符合預期。

3.2 電阻測試

加工出的芯片需要對關鍵的壓敏電阻進行測試也就是檢測是否形成良好的歐姆接觸。通常使用半導體參數分析儀配合常溫探針臺對壓敏電阻進行電流-電壓測試。設置掃描電壓區間為-5～5 V，掃描間隔為0.1 V，將探針臺的探針信號端與半導體分析儀相連，2 個探針分別放在壓敏電阻的兩端，啟動測試程序就可以測得壓敏電阻的I-V曲線，測試結果如圖6所示。

圖6 水聽器壓敏電阻測試結果

由圖6 可知，該曲線過原點，且線性度良好，說明金屬與半導體之間形成了歐姆接觸而非肖特基接觸，電阻值為15.3 ×104Ω。

4 結 論

本文利用MEMS技術制備了基于Si 納米膜的差分結構矢量水聽器芯片，將Si納米膜刻蝕出來作為壓敏電阻集成到水聽器上，提高了靈敏度；同時也將Si 柱與芯片一體化制備，減少了纖毛對準誤差，并且可以抑制海洋洋流導致的振動干擾。設計了該水聽器的光刻掩模版以及具體工藝流程，并介紹了每一步工藝所用的詳細參數，最后完成了水聽器芯片的制備。對制備芯片觀測和測試，芯片在形貌和結構尺寸上符合預期結果；壓敏電阻測得阻值為15.3 ×104Ω，符合矢量水聽器的應用需求。