【《小尺寸MEMS压阻式压力传感器的工艺流程分析概述》5100字】

小尺寸MEMS压阻式压力传感器的工艺流程分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u15552小尺寸MEMS压阻式压力传感器的工艺流程分析概述 166311.1临时热压键合 340981.2Bosch深硅刻蚀工艺 4129781.3阳极键合 6293261.4Sensordie,解键合 7图1.2所示为小尺寸MEMS压阻式压力传感器的制备工艺流程，主要分为三部分：在SOI衬底上制备压敏电阻和金属引线等电学结构；制备带有图案化临时键合料的玻璃盖板；以及通过晶圆级热压键合工艺实现玻璃盖板与SOI片的装配，构成“三明治”结构以便为后续微加工提供刚度保护。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s12小尺寸MEMS压阻式压力传感器的制备工艺流程Figure1.2FabricationprocessflowofthesmallsizeMEMSpiezoresistivepressuresensor在SOI片上制备悬空结构，具有工艺简单，一致性好和重复性好的优点。本传感器制作开始于n型<100>405+/-5μm厚的SOI晶片，具有2μm厚/电阻率为1-10Ω/cm的顶硅器件层和0.4μm厚的埋置氧化层。其具体的工艺流程如图3.1所示。（a）定义金属键合区:首先要对SOI表面进行标准清洗，用无机液丙酮、乙醇水浴条件下去除表面的沾污颗粒，并利用缓冲氢氟酸（BOE）和浓硫酸双氧水混合溶液去除自然氧化层和可能存在的金属离子，这样有助于促进硅表面活化。之后采用光刻工艺M1在SOI片的顶硅层上制备一层图形化光刻胶，并进行120℃下两个小时的坚膜，定义压敏电阻区域。采用注入能量为30keV，剂量为1.7E14cm-2的注入条件进行离子注入；通过丙酮水浴加热清洗，去除光刻胶，再次光刻M2与坚膜，定义欧姆接触区之后采用注入能量为30keV，剂量为5E14cm-2的注入条件对开口区域进行离子注入；去除光刻胶后，对晶圆进行标准清洗，放入石英炉中进行退火激活，退火条件是1050℃下保温1min，退火激活后两次注入的区域分别形成压敏电阻和欧姆接触区。（b）在SOI顶硅层表面通过PECVD沉积200nm的氧化硅作为绝缘层，进行图形化光刻M3在欧姆接触区定义接触孔，坚膜后进行ICP刻蚀二氧化硅以打开接触窗口，然后通过磁控溅射沉积和光刻M4图案化300nm厚的铝作为引线和电极。铝的图案化是通过负胶剥离实现的，具体来说，负胶是L300，厚度为2.5um，将晶圆光刻后去做铝的磁控溅射，紧接着将溅射好的晶圆置于丙酮溶液中，并使其没入。静置2-3小时，光刻胶上的金属会随光刻胶一起在溶液的腐蚀下从晶圆中剥离下来，经去离子水DIwater清洗后，得到金属引线。在氮气与氢气氛围内，450℃下保温30min进行退火激活，在硅铝接触区形成硅铝合金，进而形成欧姆接触。（c）在标准清洗后，利用光刻M5实现光刻胶的图形化，去除光刻胶的区域定义为键合区域，通过磁控溅射沉积铬/铜（50nm/500nm）作为临时键合料，并置于丙酮中进行剥离，以暴露出有效器件区域，只保留临时键合区域内的金属料。（e）在BF33晶片上重复上述步骤（d），不过与（d）不同的是在玻璃上溅射的是钛/铜（50nm/500nm）作为临时键合料，这是由于钛与氧化硅有较好的黏附性。（f）将SOI器件层的键合区域和BF33玻璃上的键合区域通过对准光刻吸附在一起，之后通过热压键合技术将两者在高温高压的环境里键合在一起，形成“三明治结构”，整体结构的厚度是SOI厚度350um+玻璃厚度450um=800um。（g）用化学机械研磨抛光（CMP）将背硅层减薄至50-60μm厚，并进行背面抛光，颗粒度下降到10nm以下，然后在背面旋涂光刻胶，正胶AZ6130，厚度为3um，背面对准光刻M6，图形化定义空腔窗口；显影坚膜后，利用ICP刻蚀中的Bosch工艺刻蚀窗口内底硅层，并将埋氧作为蚀刻停止层，制作空腔，空腔深度即为磨抛后底硅层的剩余厚度。（h）去胶清洗后，通过阳极键合将上述“三明治”结构键合到另一个BF33晶片上，从而密封空腔，并将该BF33研磨抛光到40μm的厚度，这样设计总厚度在100μm左右。（i）利用砂轮划片机将整体晶圆切割成1600μm（L）×600μm（W）的尺寸，并将分离后的小器件泡置在配制的专用蚀刻剂（H2SO4:H2O2:H2O=1:1:40）中，蚀刻液将结构中的铜临时键合料进行腐蚀，从而将上层盖板玻璃与下层器件结构进行分离。在制备悬空敏感结构的过程中，实现高深宽比、高陡直度的刻蚀形貌的深硅刻蚀Bosch工艺，以及使结构悬空的氟化氢气体释放工艺，这两步工艺是其中的关键工艺，接下来对着两步工艺的设计和实验结果进行具体的阐述。1.1临时热压键合热压键合是指金属层在一定温度和压力下的原子级接触。在原子的扩散运动下，两个晶圆片之间的金属薄膜结合在一起。对于固体来说，由于材料中原子的热运动，原子在接触时会相互扩散，外界的压力和温度会加剧扩散。压力使材料塑性变形，增加接触面积。高温退火处理可以使原子获得更多的能量，增强扩散，促进晶粒的生长。在界面附近形成了大直径的金属晶粒，这些晶粒相互扩散并增强，经历过表面扩散、晶界扩散和体扩散之后，从而实现了高质量的键合。金属铜、金和铝由于具有高的扩散速率，常用于热压键合材料。在这三种金属中，金-金热压键合虽然所需键合温度低，但是其成本较高；铝虽然具有优异的延展性，但其耐电迁移性能和导电导热性能相对较差。相对于金和铝，铜-铜热压键合具有优良的导电导热性能和耐电迁移性能、牢固的机械连接与键合强度，并且成本较低，因此本文中采用Cu-Cu热压键合。同时，铜的表面极易氧化，在键合前需要对氧化层进行处理以保证键合效果。使用金属铜作为临时键合料，利用Cu膜作为中间层，基于界面Cu原子的相互扩散作用实现基片间键合，因此又被称为Cu-Cu扩散键合。具体而言，在高温高压环境中，Cu层界面在键合压力作用下发生塑性变形，使得界面原子相互接触，而键合温度的升高使得界面原子扩散加速，实现跨界面扩散。当达到一定的键合时间后，键合界面晶格发生重组，最终实现无缺陷键合。热压键合工艺如图7所示，键合过程为：在一定温度(380℃-400℃)和压力（2000-3000mbar）环境下保持1h，使制备好的上层玻璃盖板与下层SOI圆片之间的图形化Cu膜之间彼此扩散结合，避开SOI顶层有效图形区的金属引线部分，最终形成了上层保护玻璃、中间器件有效图形区和底硅支撑的“三明治结构”。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s13盖板玻璃与SOI晶圆热压键合形成“三明治结构”Figure1.3HotpressingbondingofcoverglassandSOIwafertoform"sandwichstructure"在实际热压键合过程中，键合的温度、压力、时间、材料性能、工艺过程等因素都对键合结果有影响。一般来说，高的压力和长时间的粘接可以增大铜层之间的接触面积，增加原子间的互相扩散的几率，有利于加快键合进程；温度在这些里面起了决定性作用，越高的温度会使界面原子获得更多的能量，热运动越发剧烈，扩散现象增强。较高的温度也促进了晶粒的生长，实现跨界面生长，以有效消除界面，使两Cu层进行融合。同时在400℃温度下，可以有助于SOI顶硅层接触孔处硅铝合金的形成，节省了单独的退火激活工艺步骤。不过，Cu-Cu热压键合仍然存在一些问题，比如铜具有还原性，容易在空气中生成氧化铜等表面氧化物，该氧化薄膜在键合过程中会阻碍铜原子之间的相互扩散作用，因此需要在键合前进行离子束轰击，清除表面氧化物和沾污，并使键合表面生成不完整的化学键。这种化学键活性强，一旦接触键合面，会自发反应形成牢固的化学键，大大增加了键合强度。1.2Bosch深硅刻蚀工艺由于本论文设计的MEMS压力传感器使用顶硅层作为悬空薄膜，减薄之后的底硅层用作空腔，因此空腔深度较大，同时为了获得陡直侧壁，确保实际制备的薄膜与理论设计的一致性，空腔的刻蚀工艺需要实现高陡直的侧壁形貌。高侧壁陡直度还能够避免刻蚀带来的薄膜四周底面厚度尺寸不一致而导致的受力不均匀，同时避免因薄膜翘曲引入带来的性能偏差。本论文采用Bosch刻蚀工艺制备大深度且侧壁陡直的空腔，这种工艺最早由RobertBosch于1993年提出，是指刻蚀底部硅和钝化保护侧壁硅快速交替进行。图1.4展示了其工艺过程，SF6和C图1.4（a）所示首先在开口处，SF6气体通过电感耦合电离产生活性离子F−各向同性刻蚀：SFSi+图1.4（b）所示在钝化反应中，C4F8气体被电离产生C钝化反应：C4FCFx(a)各向同性刻蚀(b)侧壁钝化(c)方向性离子轰击图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s14Bosch刻蚀机理Figure1.4TheprincipleforBoschetchingtechnology图1.4（c）所示利用RF电场使高能离子团定向轰击底部，物理刻蚀去除底部钝化层，而侧壁的钝化层被保留。之后重复上述过程，在侧壁钝化层的掩护下，刻蚀深度只沿着底部硅进行，实现各向异性的刻蚀效果，最终制备出具有高深宽比且高侧壁陡直度的空腔。1.3阳极键合阳极键合的机理是通过在玻璃和硅片上添加贯穿电场，使两者中的阴阳离子在电场作用下向界面发生扩散，是一种利用电和热联合作用实现异质材料固态连接的方法。阳极键合过程实质是固体电化学反应过程。阳极键合的工艺流程图如下所示：首先将玻璃片置于硅晶片或氧化硅晶片表面，将腔室加热到约400℃，在硅和玻璃之间加高压电源，其中玻璃片接阴极，硅片通过夹头保持正极。高压电源一般为300-1000V。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s15阳极键合的工艺图Figure1.5processdiagramofanodicbonding具体键合过程分为三个部分：离子移动过程，吸附过程，化学反应过程；图1.6（a）显示了离子移动过程，高温高压下玻璃中的碱金属氧化物电离，产生大量的碱金属离子（主要是Na+）,通电后，在电场的作用下使其迅速向阴极移动，一部分Na+被中和并在阴极表面析出，留下的O2−图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s16阳极键合的具体过程Figure1.6Thespecificprocessofanodicbonding阳极键合具有工艺简单，键合温度低(远远小于固体的熔点)，工件变形小，机械强度高，密封性好，键合可在真空中进行，也可在保护气氛下进行，有时也可以在空气中进行。阳极键合技术低温的特点缓解了传统焊接方法中的材料物理性能不匹配问题，也保证了材料的某些性质(如玻璃的光学性质或器件的电学特性)不受破坏。1.4Sensordie,解键合减薄之后，采用砂轮划片在临时键合区域内将晶圆划成预设的尺寸，结构侧面暴露出铜铜键合界面，如图1.7（a）所示，上面为减薄后的SOI与玻璃阳极键合结构，下面为提供临时键合的玻璃盖板；之后将得到的键合器件泡置在FeCl3、稀HCl等常见铜腐蚀液中，间隔30-40分钟，可以发现器件上下键和结构实现了分离。图1.7（b）展示了分离后得到的SOI压力传感器的侧视图与背面图，可以看到背面有空腔存在，不过由于背面减薄之后，没有进行抛光，所以背面显示是磨砂平面。（a）（b）图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s17光学显微镜图片。（a）砂轮划片之后的器件；（b）分离后的器件Figure1.7Lightmicroscopepictures.(a)Thedeviceaftergrindingwheelscribing;(b)Thedeviceafteroveretching但是，两种腐蚀液同样对金属铝表面进行了比较严重的腐蚀破坏，如图1.8（a）所示，将器件放置在上述两种溶液中，继续等待5-10分钟，发现铝电极与引线几乎被腐蚀干净（图1.8（b））。（a）（b）图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s18泡在腐蚀液后的器件。（a）金属铝被腐蚀；（b）过腐蚀后的器件Figure1.8Devicessoakedinetchingsolution.(a)Aluminumiscorroded;(b)Thedeviceafteroveretching因此，查阅资料后，我们配置了体积比为1:1:40=浓H2SO4:H2O2:H2O的混合溶液（图1.9（a）），浸泡40min-50min后，键合结构成功分离，从图1.9（b）可以看出铝表面虽然也有腐蚀现象，但是腐蚀程度不明显，对器件电学连接没有产生影响。图