硅MEMS器件加工技术及展望(1)

1、2010年7月 微纳电子技术第47卷第7期硅MEMS 器件加工技术及展望徐永青,杨拥军(中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄 050051摘要:介绍了几种典型的硅基M EM S 加工技术以及应用,并简单展望了MEM S 加工技术发展趋势。硅基M EM S 加工技术主要包括体硅M EM S 加工技术和表面M EM S 加工技术。体硅MEM S 加工技术的主要特点是对硅衬底材料的深刻蚀,可得到较大纵向尺寸可动微结构,体硅工艺包括湿法SOG (玻璃上硅工艺、干法SOG 工艺、正面体硅工艺、SOI (绝缘体上硅工艺。表面MEM S 加工技术主要通过在硅片上生长氧化硅、氮化硅、多晶硅等多层薄膜来完成

2、MEM S 器件的制作,利用表面工艺得到的可动微结构的纵向尺寸较小,但与IC 工艺的兼容性更好,易与电路实现单片集成。阐述了这些M EM S 加工技术的工艺原理、优缺点、加工精度、应用等。提出了MEM S 加工技术的发展趋势,包括MEM S 器件圆片级封装(WLP技术、M EMS 工艺标准化、MEM S 与CM OS 单片平面集成、M EMS 器件与其他芯片的3D 封装集成技术等。关键词:微电子机械系统;体硅工艺;表面工艺;穿硅通孔;3D 封装中图分类号:TH 703 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(201007-0425-07Processing Technology and

3、Development of Silicon MEMSXu Yongqing,Yang Yongjun(T he 13th Resear ch I nstitute,CET C,Shij iaz huang 050051,ChinaAbstract:Sev eral typical silicon based M EM S pr ocessing technolog ies and applications ar e intro duced,and the developm ent tendencies of M EM S processing technolog y are pro spec

4、ted.The silico n based MEM S processing technolo gy includes bulk silicon MEM S and surface pr ocessing technolog ies.The main characteristic o f bulk silico n MEM S pr ocessing techno logy is deep etching of silicon substrates to obtain larger size and mov ing micr ostructure.Bulk silicon MEM S tec

5、hnolog ies include the w et SOG (silicon on g lass process,dry SOG pr ocess techno logy,positiv e bulk silicon technolog y and SOI (silicon on insulatortechno logy.M EM S surface pro cessing technolo gy is m ainly through silicon o xide g row th,silico n nitr ide g row th and poly cry stal line sili

6、con such multilay er films on the silicon to fabricate MEM S devices.T he v ertical size of the m oving micr ostructure by the M EM S sur face pr ocessing is sm all,but the M EMS surface pro cessing com patibility w ith IC technolog y is better and easy to be a sing le integ rated circuit.The princi

7、ple,advantag es and disadv antag es,machining precision,and applications o f M EM S pro cessing technolo gy are descr ibed.The development tendencies of MEM S processing techno logy ar e presented,including M EM S devices w afer package (WLPtechnolog y,MEM S pr ocessing standar dization,MEM S and CM

8、 OS mo no lithic integrated,M EMS devices w ith other425MEM S 器件与技术M EM S Device &T echnolo gy J uly 2010chip 3D encapsulatio n integratio n technolo gy,etc.Key words:MEM S;bulk silico n pr ocessing ;surface processing;T SV;3D packag ing DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2010.07.007 EEACC :25750 引 言M

9、EM S 品种繁多,如MEM S 传感器、M EMS 执行器、光M EMS (MOEM S 、射频M EMS (RF MEM S、流体MEM S 和生物MEM S (Bio MEM S等,M EM S 的多样性也决定了MEM S 加工技术的多样性。以加工的材料分类,M EM S 加工技术主要包括硅基和非硅基两种加工技术。硅基MEM S 加工技术是在硅片上制作M EMS 器件,此技术主要来源于传统的微电子加工技术,因此具有批量化、成本低、集成度高等优点。非硅基MEM S 加工技术主要包括LIGA 、准LIGA 、精密机械加工等加工技术,非硅基M EMS 加工技术可得到更大纵向尺寸的可动微结构,缺

10、点是批量加工能力、重复性差,而且具有较高加工成本。从目前实用化的DMD (数字微镜、硅麦克风、压力传感器、流量计、振动传感器、微加速度计与微陀螺等MEM S 器件可以看出,这些器件的加工技术都是基于硅基M EMS 加工技术,相比其他技术,硅MEM S 加工技术是一个主流技术,占有主导地位。本文主要介绍硅基M EMS 加工技术的几种典型工艺以及应用,并简单展望MEM S 加工技术发展趋势。1 硅M EM S 加工技术硅基MEM S 加工技术主要包括体硅M EMS 加工技术和表面MEM S 加工技术。体硅MEM S 加工技术的主要特点是对硅衬底材料的深刻蚀,可得到较大纵向尺寸可动微结构。表面M E

11、MS 加工技术主要通过在硅片上生长氧化硅、氮化硅、多晶硅等多层薄膜来完成M EM S 器件的制作。利用表面工艺得到的可动微结构的纵向尺寸较小,但与IC 工艺的兼容性更好,易与电路实现单片集成。目前国外表面工艺与体硅工艺并行,其中表面工艺已发展成标准化的工艺流程,有多条工艺线面向多用户提供加工服务。国外也有多条面向多用户提供标准体硅加工的工艺线,如美国的IM T 、法国的T ronics 等,国内主要采用了体硅MEM S 加工技术,目前主要的体硅工艺包括湿法SOG (玻璃上硅工艺、干法SOG 工艺、正面体硅工艺、SOI (绝缘体上硅工艺,在国内这些工艺基本形成了标准化工艺,国内的中国电子科技集团

12、公司第13研究所、北京大学、上海微系统与信息技术研究所等都对外提供标准化M EM S 加工服务,另外基于以上工艺的多层晶片键合工艺、多层晶片键合是圆片级封装(WLP以及三维(3D垂直集成封装的基础,结合穿硅通孔(T SV技术,实现与IC 的集成,也是一个重要发展趋势。1 1 湿法SOG 加工技术SOG 工艺是通过阳极键合技术形成牢固的硅 氧键将硅圆片与玻璃圆片粘在一起,硅作为MEM S 器件的结构层,玻璃作为M EMS 器件的衬底层,如图1所示。结构层由浓硼层形成,对于各向异性的腐蚀液EDP,KOH 或者T M AH ,当硼掺杂原子浓度不小于1019cm -3时,KOH 腐蚀速率下降5100倍

13、(相对同样的单晶硅,对于EDP 腐蚀液,腐蚀速率下降250倍,利用各向异性腐蚀液对高掺杂层的低腐蚀速率特性达到腐蚀停止的目的1。采用深反应离子刻蚀(DRIE工艺在浓硼图1 湿法S OG 工艺Fig 1 Sch ematic of the w et SOG process426 徐永青等:硅M EM S 器件加工技术及展望 2010年7月 微纳电子技术第47卷第7期层上形成各种设计的M EMS 结构,再与玻璃键合,采用自停止腐蚀去除上层多余的单晶硅,完成加工。图2是实物SEM 照片。图2 湿法SOG 工艺制作的M EM S 陀螺仪的局部SEM 照片Fig 2 SEM ph otograph of

14、 the M EM S gyr o by w et SOG process受扩散深度与浓度的限制,M EMS 器件结构层的厚度一般小于30 m,而且由于高浓度掺杂会造成硅结构损伤带来结构应力,另外硅与玻璃的材料不匹配性也会带来较大结构应力,自停止硅湿法腐蚀具有较低的加工精度,这些也是湿法SOG 加工技术的缺点,另外由于存在高温工艺也不适用于与IC 的单片集成,但此工艺比较成熟,工艺简单,也适合一些性能要求不高的M EMS 器件的加工以及批量加工。湿法SOG 加工技术适合多种M EMS 芯片的加工,如M EMS 陀螺仪、加速度计、MEM S 执行器等。1 2 干法SOG 加工技术基本工艺结构类似

15、湿法SOG 工艺,同湿法SOG 工艺相比,干法SOG 工艺主要变化在于去掉了浓硼掺杂与湿法腐蚀步骤,而是采用磨抛减薄的工艺形成M EMS 芯片的结构层,省去高温长时间硼掺杂会降低对结构层的损伤,也避免了有毒或者容易带来工艺沾污的湿法腐蚀步骤,这些也是干法SOG 加工技术的优点,与湿法SOG 一样干法SOG 同样具有不利于与IC 集成的缺点。干法SOG 加工技术适合多种MEM S 芯片的加工,如MEM S 陀螺仪、MEM S 加速度计、MEM S 光开关、MEM S 衰减器等。干法SOG 加工技术采用了先键合后刻蚀(DRIE结构的过程,如图3所示。图4是采用干法SOG 工艺加工的MEM S 器件

16、照片。图3 干法S OG 工艺Fig 3 S chematic of the d ry SOG proces s图4 干法S OG 工艺制作的M EM S 光开关的S EM 照片Fig 4 SEM photographs of the M EM S optical sw itchby d ry SOG proces s1 3 正面体硅加工技术及应用正面体硅工艺结合了深刻蚀、浓硼掺杂与湿法腐蚀工艺步骤,如图5所示,首先对n 型硅片进行浓硼掺杂,浓度满足硅湿法自停止腐蚀要求,然后DRIE 硅结构,刻蚀深度大于浓硼层的厚度,最后在自停止腐蚀液里进行腐蚀,释放结构。一次掺杂正面体硅工艺的结构厚度一般小

17、于30 m,采用两次掺杂的正面体硅工艺的结构厚度可达60 m 。图5 正面体硅工艺Fig 5 Sch ematic of the frontside bulk silicon process 427徐永青等:硅M EM S 器件加工技术及展望 J uly 2010正面体硅工艺是在单层硅片上完成MEM S 芯片的加工,省去了与玻璃片的键合,因此不存在由于材料不匹配带来的应力影响,这是正面体硅工艺的一个优点,但是正面体硅工艺也存在高温掺杂工艺,缺点是不利于与IC 的单片集成,另外由于是在单层硅片上完成M EM S 结构的加工,因此存在不同电极间的绝缘问题,前两种加工技术采用绝缘材料玻璃达到电极绝缘

18、目的,正面体硅采用pn 结达到电极隔离目的,存在击穿电压与漏电的限制。正面体硅加工技术主要用于MEM S 光开关、光衰减器以及反射镜阵列的加工。图6是采用正面体硅工艺制作的MEM S 器件实物照片。图6 正面体硅工艺制作的M EM S 可变光衰减器的照片Fig 6 S EM photograph of the M EM S optical attenu atorb y frontside bu lk silicon pr oces s1 4 体硅SOI 加工技术及应用与其他工艺相比,SOI 工艺采用全硅结构,通过硅-硅键合技术将硅与硅片粘接在一起,由于是全硅结构,因此不存在由于热膨胀系数带来的

19、应力影响,结构层厚度可达80 m ,并具有较高的加工精度,易于电路单片集成。SOI 工艺具有与IC 工艺更好兼容性的特点,适用于更多的MEM S 器件的制造,可用于制作M EMS 惯性器件(包括陀螺、加速度计、振动传感器等、MEM S 光学器件(包括光开关、衰减器等、生物M EM S 、流体MEM S 等多种M EMS 器件,具有更广的适用性,可实现批量加工需求,是目前的一个主流加工工艺和发展趋势。工艺流程与实物照片如图7和图8所示。图7 体硅SOI 工艺Fig 7 Sch ematic of the SOI pr ocess图8 体硅SOI 工艺制作的M EM S 加速度计的局部SEM 照片

20、Fig 8 SEM ph otograph of the M EM S accelerometer by S OI process1 5 表面加工技术以及与体硅组合的加工技术表面硅M EM S 加工技术是在集成电路平面工艺基础上发展起来的一种M EM S 工艺技术。它利用硅平面上不同材料的顺序淀积和选择腐蚀来形成各种微结构2。它的基本思路是:先在基片上淀积一层称为牺牲层的材料,然后在牺牲层上面淀积一层结构层并加工成所需图形。在结构加工成形后,428 徐永青等:硅M EM S 器件加工技术及展望 2010年7月 微纳电子技术第47卷第7期通过选择腐蚀的方法将牺牲层腐蚀掉,使结构材料悬空于基片之上

21、,形成各种形状的二维或三维结构。表面硅M EM S 加工技术工艺成熟,与IC 工艺兼容性好,可以在单个直径为几十毫米的单晶硅基片上批量生成数百个M EMS 装置。美国加州大学Berkeley 分校3的传感器与执行器研究中心(BSAC首先完成了三层多晶硅表面MEM S 工艺,是面向多用户的M EMS 标准工艺(MU M Ps,确立了硅表面MEM S 加工工艺体系。图9是一套表面牺牲层加工工艺流程。首先在衬底上淀积牺牲层材料(氧化硅并形成可动微结构与衬底之间的连接窗口,然后淀积作为微结构的材料并光刻出所需的图形,最后利用湿法腐蚀去掉牺牲层,这样就形成了既能够活动又与衬底相连的微结构。图10是采用表

22、面工艺制作的MEM S 开关实物照片。图9 表面硅M EM S 加工工艺Fig 9 S urface silicon M EM S proces s图10 表面工艺制作的M EM S 开关的SEM 照片Fig 10 SEM photograph of the M EM S s witch b ysurface silicon proces s由于机械结构的复杂性,仅采用单层结构往往不能制备出所需构件,多层化是表面硅M EMS 工艺必然的发展趋势。美国的M UM P 是典型的民用标准表面工艺线,该工艺可以实现多层的牺牲层和多晶硅层,制造出复杂的M EM S 器件,并定期发布更新的标准工艺文件,接

23、受来自世界各地的按照标准工艺文件形成的MEM S 设计。目前美国San dia 国家实验室开发的五层多晶硅表面硅MEM S 集成工艺代表了这一方向的最高水平。相对体硅工艺,表面工艺由于保持了衬底的完整性,更容易与CM OS 工艺兼容,但是表面工艺的缺点是不易加工高深宽比的器件结构,一般厚度小于2 m ,M EMS 芯片的灵敏度将受限制,因此目前也出现了表面与体硅组合的加工技术,适应一些器件的特殊需求。例如采用表面与体硅组合技术制作的M EMS 热对流传感器、压阻传感器等4,图11是采用表面与体硅组合加工技术完成的热对流M EMS 传感器实物照片。另外国际上一些电容式MEM S 传感器的加工已经

24、有标准化的工艺流程,但对于一些特殊的M EM S 器件还没有统一的标准化工艺。图11 表面与体硅组合加工的多层M EM S 热对流传感器照片Fig 11 Photograph of th e M EM S hot film m icro flow sensorus ing surface and bulk silicon M EM S proces ses2 M EM S 加工技术展望2 1 MEMS 器件圆片级封装(WLP技术圆片级封装也成为零级封装技术,是在制作器件的圆片上完成的封装,因此具有低成本、批量化的优点,也是目前微系统封装的一个发展趋势,零级封装又包括圆片到圆片、芯片到圆片和芯片

25、到芯片封装。429徐永青等:硅M EM S 器件加工技术及展望徐永青等: 硅 M EM S 器件加工技术及展望 由于 MEMS 器件普遍具有悬浮、可动结构, 使 得它也具有容易损坏、粘附潮气和灰尘等缺点, 并且 最终造成失效, 工程化的应用背景使得近年来国外主 要 的 研 究 单 位, 包 括 Bosch, U C BERKELEY, DRAP ER, H oneyw ell 等都提出了圆片级封装的概 念, 目的是可以提高 MEM S 组件工作的可靠性和 长期稳定性, 同时有利于降低后道封装成本, 比如 可以使用塑性封装。圆片级封装采取的手段就是在 功能圆片加工完成后, 再在上面对准后扣上一个

26、圆 片, 相当于通过一次工艺就给功能圆片上的每个芯 片戴上了一顶帽子, 当然作为帽子的圆片要具备一 定的腔体, 不能够破坏 M EMS 可动结构。两个圆 片主要通过前面提到的静电键合、直接键合、共晶 焊接和粘接等手段实现。根据不同需求可实现气密 或真空封装。图 12 是一种在 SOI 工艺的基础上通 过硅- 硅键合或者金属共晶键合实现的圆片级封装 示意图。图 13 是圆片级封装实物照片。 2 2 MEMS 工艺标准化 降低成本是 MEM S 产业化的前提, 消费市场 的需 求 是 M EM S 发 展 的 巨 大 驱 动 力, 它 要 求 M EMS 制造商 不断减小 芯片的 尺寸 以提高 产

27、能、 降低成本。硅基 M EMS 工艺技术是在 CMOS 基础 上发展而来的, 但与 CM OS 器件不同, M EMS 器 件的多样性为工艺制造带来了极大困难, 为提高产 能降低成本, MEM S 借鉴 CM OS 经验, 向标准化 制造靠拢是总的发展趋势。 2 3 MEMS 与 CMOS 单片平面集成 M EMS 器件的研 究发展和应用领域的拓宽推 动着集成制造工艺的进步, 就小型化和提高性能来 说, M EMS 器件与集成电路的集成已变得愈来愈 重要, 可以改善 M EM S 的性能、减小封装体积并 降低封装 成本, 从技术 和成本来考虑, CM OS 之 后 完 成 M EM S 是

28、首 选 方 案 与 趋 势, 即 后 CM OS 5 。另 外 还 有 CM OS 之 前 或者 交 叉 进 行 M EMS 集成的方案, 考虑工艺兼容性, 后 CM OS 是首选也是被采用较多的一种技术。但也不是所有 M EMS 工艺都可以与 CMOS 工艺兼容, 因此单片 平面兼容也具有一定的局限性, 解决方法是目前发 展起来的采用 T SV 技术的多层 垂直集成方 法 。 图 14 是 M EMS 器件与 CM OS 单片平面集成示意 图。 6 图 12 Fig 12 基于 SO I 工艺的圆片级封装结构剖面图 Cross sect ion sch emat ic of t he WLP

29、 based on SO I 图 14 M EM S 与 CM O S 单片平面集成 Fig 14 S chemat ic of t he single w afer int egrat ed w it h M EM S and CM O S 图 15 是采用后 CM OS 工艺完成的 M EM S 非 制冷红外探 测器芯 片 SEM 照片, MEM S 工 艺在 CM OS 后完成, 也属于 CM OS 工艺后的表面工艺, 图 13 带有通孔结构的 M EM S 陀螺圆片级封装 SEM 照片 S EM phot og raph of t he M EM S gyro u sing W LP

30、process w it h via CM OS 工艺完成对出电路制作, MEM S 工艺完成 红外敏 感 微 桥 阵 列 的 加 工 7 , 红 外敏 感 元 采 用 P ECVD 工艺生长的 Si ( 非晶硅 。 J uly 2010 Fig 13 430 M icr onanoelectronic T echno logy V o l. 47 N o. 7 徐永青等: 硅 M EM S 器件加工 技术及展望 的深宽比较 小, 但 易与 IC 兼 容, 国 内 外有 多个 M EMS 标准工艺加工服务的工 艺线, 目前国内主 要采用体 硅 M EMS 加工 技术, 湿法 SOG、干法 SO

31、G、正面体硅与体硅 SOI 等几种体硅 M EMS 工 艺具有各自的优缺点, 适合于多种 M EM S 芯片的 加工, 表面与体硅工艺结合、工艺标准化、圆片级 封装、与 IC 单片集成、3D 垂直堆叠封装、8 英寸 ( 200 mm 生产线是 M EMS 加工技术的发展趋势。 图 15 基于 Si 技术的 160 120 阵列非制冷 本文中图 2, 4, 6, 7, 8, 10, 11, 13, 15 均 来自中国电子科技集团公司第十三研究所。 参考文献: 1 黄庆安. 硅微机械加工技术 M . 北京: 科学出版社, 1996. H SU T R. M E M S and micros yst

32、 em s design and m anuf act ure M . Bos t on : M cgraw H ill, 2002. 3 BA RR O N C C, CO M T OIS J H, M ICH A LICEK M A . El ec t roth ermal act uat ors f ab ricat ed in fou r level plan ariz ed su rface microm achined polycryst all ine sili con J . S ens ors and A ct ua t ors: A , 1998, 70 ( 1/ 2 :

33、23- 31. 4 吕树海, 杨拥军, 徐淑静, 等. 新型三轴 M EMS 热对流加速度 传感器的研究 J . 微纳电子技术, 2008, 45 ( 4 : 219- 221. 5 BA LTES H, BRA N D O. CM OS based microsensors and packa ging J . Sens A ct uat or: A , 2001, 92 ( 1/ 2/ 3 : 1- 9. 6 PREM A CHA N D RA N C S, M OH A N R A J R N S , CH O N G SER CHO O N G IY ER M K . A vert ical w af er l evel packagin g usin g t hrough hole fil led via by lif t of f polymer