楊增濤，王 華，曾德平，陳 俊，趙純亮

（1．重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院省部共建超聲醫(yī)學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超聲醫(yī)學(xué)工程重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400016;2．模擬集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 400060）

0 引言

拱形結(jié)構(gòu)是MEMS器件里的一種常用結(jié)構(gòu)，廣泛用于制作傳感器［1，2］、微型壓電驅(qū)動(dòng)器［3］、薄膜體聲波諧振器及濾波器等［4，5］。拱形結(jié)構(gòu)與平面結(jié)構(gòu)相比，具有自釋放殘余應(yīng)力、面內(nèi)應(yīng)變向徑向應(yīng)變轉(zhuǎn)化、跨度大及剛度大等優(yōu)勢(shì)［2，6］?，F(xiàn)有關(guān)于制作拱形結(jié)構(gòu)方法主要有以下幾類:1）球模具法［6，7］:優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確控制所制作出拱形結(jié)構(gòu)的曲率和直徑;缺點(diǎn)是毫米級(jí)的平面尺寸無(wú)法適應(yīng)MEMS器件的要求，不適合批量生產(chǎn)。2）平面犧牲層法［4］:優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、可量產(chǎn)，且拱形尺寸可精確控制;缺點(diǎn)是在釋放微米級(jí)犧牲層時(shí)容易粘附，在刻蝕犧牲層時(shí)會(huì)形成較陡直臺(tái)階狀的邊緣，易導(dǎo)致其上拱形結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂或能量泄漏而造成器件失效［8］。3）應(yīng)力控制成拱［5］:優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)結(jié)構(gòu)為平滑的曲面，避免了在拱形結(jié)構(gòu)邊緣處形成應(yīng)力集中;缺點(diǎn)是成拱的壓縮應(yīng)力薄膜鍍膜工藝復(fù)雜，成拱曲率難以控制，且薄膜內(nèi)應(yīng)力過(guò)大會(huì)引起器件失效［8］。4）各向同性腐蝕法［2］:優(yōu)點(diǎn)是制作的拱形結(jié)構(gòu)無(wú)殘余應(yīng)力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好;缺點(diǎn)是腐蝕出的凹球形溝槽尺寸為毫米級(jí)，同批次之間尺寸差異性達(dá)到4%［9］。

針對(duì)以上不足，本文提出一種選擇性化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)制作微拱形結(jié)構(gòu)的制作方法，此方法在化學(xué)機(jī)械拋光硅片過(guò)程中，通過(guò)選擇能較快拋去硅材料但對(duì)SiO2材料的拋光速度卻極慢的拋光液，拋光后在硅片上形成一系列SiO2材料的微拱形凸起，最后在拱形凸起的基片上制作出MEMS微拱形結(jié)構(gòu)。此微拱形結(jié)構(gòu)尺寸為微米級(jí)，表面光滑且為連續(xù)的曲面，改進(jìn)了平面犧牲層工藝制作出的微拱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非連續(xù)的臺(tái)階狀邊緣和無(wú)法制作出一定曲率微拱的缺點(diǎn)，增強(qiáng)器件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，可為制作MEMS傳感器、微型壓電驅(qū)動(dòng)器、薄膜體聲波諧振器及濾波器等的微拱形結(jié)構(gòu)提供參考。

1 工藝步驟

微拱形結(jié)構(gòu)采用工藝流程見(jiàn)圖1，所對(duì)應(yīng)的工藝步驟如下:

1）選用P型〈100〉晶向襯底硅片，在硅片表面熱氧化形成一層SiO2薄膜（幾個(gè)到幾十納米），以此SiO2薄膜為掩模層，用四甲基氫氧化銨（TMAH）對(duì)襯底硅片進(jìn)行腐蝕［10］，在襯底硅片上形成圖1（a）所示的溝槽，其中，溝槽深度為幾個(gè)微米，長(zhǎng)度和寬度各為幾十到幾百個(gè)微米。

2）采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）法在圖1（a）上表面鍍SiO2犧牲層，犧牲層厚度超過(guò)溝槽深度，填充后的溝槽結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1（b）所示。

3）選用氧化鈰（CeO2）拋光液，用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）設(shè)備對(duì)步驟（2）制備的SiO2犧牲層進(jìn)行拋光，形成圖1（c）所示的結(jié)構(gòu)，此時(shí)硅片上表面SiO2犧牲層全部被去除，溝槽內(nèi)填充的SiO2犧牲層與硅片表面為同一水平面。

4）用CMP設(shè)備對(duì)圖1（c）上表面進(jìn)行拋光，拋光過(guò)程中選用對(duì)硅材料拋光速度較快，但對(duì)于SiO2材料拋光速度極慢的硅拋光液，拋光后在SiO2處形成凸起，在硅和SiO2交接處尖銳部分由于局部壓應(yīng)力的劇增，劇烈的機(jī)械摩擦和化學(xué)反應(yīng)引起尖銳部分消除，因此，在硅和SiO2的交界處形成了連續(xù)且平滑的過(guò)渡，而在遠(yuǎn)離硅和SiO2交界面處，硅拋光速度比SiO2快，形成了如圖1（d）所示的凸起曲面，凸起處為SiO2犧牲層，硅與SiO2交界處連續(xù)且平滑。

5）在圖1（d）有凸起面上根據(jù)設(shè)計(jì)鍍各種功能薄膜，由于整個(gè)表面平滑連續(xù)，因此，其上形成的薄膜也平滑連續(xù)、無(wú)臺(tái)階。

6）在圖1（d）上光刻出腐蝕窗口，采用SiO2腐蝕劑（根據(jù)實(shí)際情況，并考慮交叉腐蝕情況）釋放SiO2犧牲層，由于下方硅基片上有溝槽，增加了腐蝕斷面面積，加快了犧牲層釋放速度［11］，犧牲層釋放完畢后，形成如圖1（f）所示的微拱形結(jié)構(gòu)，其支撐邊緣平滑無(wú)臺(tái)階，下面為一空腔。

圖1 工藝步驟示意圖Fig 1 Schematic diagram of fabrication process

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在圖1（e）上表面用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）設(shè)備沉積一層厚度為3 μm的Si3N4薄膜用于制作拱形梁結(jié)構(gòu)，所制作微拱梁用掃描電鏡（SEM）（LEO公司，德國(guó)）觀察，掃描結(jié)果見(jiàn)圖2，從圖2中可以看出:整個(gè)梁體上表面光滑平整，硅片與犧牲層過(guò)渡處未見(jiàn)臺(tái)階。

采用緩沖氫氟酸（BHF）腐蝕液釋放圖1（e）中的SiO2犧牲層，用表面粗糙度三維形貌輪廓儀（FRT公司，德國(guó)）對(duì)微拱梁三維形貌進(jìn)行掃描，所測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3所示，微拱梁上表面為光滑的曲面，梁體中間拱起，拱起高度約為3．5 μm，跨度大于100 μm，兩支撐端與硅平面實(shí)現(xiàn)了平滑過(guò)渡，此種支撐結(jié)構(gòu)無(wú)臺(tái)階、穩(wěn)定性好、且不宜發(fā)生斷裂，同時(shí)，采用MEMS工藝制作，其尺寸適應(yīng)MEMS器件的要求。

3 結(jié)論

圖2 微拱梁SEM圖Fig 2 SEM diagram of miro-dome-shaped beam

圖3 微拱梁三維輪廓圖Fig 3 3D contour profile of miro-dome-shaped beam

本文提出一種基于選擇性化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)制作微拱形結(jié)構(gòu)的制作方法，此方法在CMP過(guò)程中加入選擇性拋光液，利用硅片上犧牲層部分拋光速度與硅部分拋光速度的差異，在犧牲層和硅材料的邊界處利用滑動(dòng)摩擦過(guò)程中的物理和化學(xué)作用，在硅片SiO2犧牲層處形成一系列SiO2材料的微拱形凸起，這些凸起表面光滑，SiO2犧牲層與硅片接觸面平滑無(wú)臺(tái)階，最后在拱形結(jié)構(gòu)的基片上鍍膜并釋放犧牲層制作出MEMS微拱形結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所制微拱形結(jié)構(gòu)有一定的曲率，拱起高度約為3．5 μm，跨度大于100 μm，微拱形表面光滑且為連續(xù)的曲面，改進(jìn)了現(xiàn)有制拱方式在尺寸、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性等方面的不足。用這種方法制作出的拱形結(jié)構(gòu)無(wú)殘余應(yīng)力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，此方法可應(yīng)用于制作MEMS傳感器、微型壓電驅(qū)動(dòng)器、薄膜體聲波諧振器及濾波器的可動(dòng)結(jié)構(gòu)或懸浮結(jié)構(gòu)等，但此方法制作出的拱形結(jié)構(gòu)拱起高度很小，如何增大拱形結(jié)構(gòu)的曲率還需進(jìn)一步研究。

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