宮凱勛, 梁 庭, 雷 程, 董志超, 趙珠杰, 白 晨

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原 030051;2.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051)

0 引 言

使用碳化硅(SiC)為襯底的壓阻式壓力傳感器在加工過程中會遇到SiC材料刻蝕難度較大，刻蝕較深以及傳統(tǒng)的采用光刻膠做掩模的刻蝕方式難以有著較為理想的刻蝕選擇比等問題[1],因此選擇合適的掩模材料成為SiC刻蝕的關(guān)鍵。在微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)工藝中,沉積金屬作為掩模是目前較為多用的方法[2]。金屬掩模的制備一般采用濺射與電鍍結(jié)合的方式,在襯底上先濺射用于電鍍工藝所沉積金屬的種子層,然后采用電鍍的方式生長金屬掩模。在以電鍍工藝為主的掩模制作中,常用的工藝主要有兩種,一是先濺射所鍍金屬的種子層,然后旋涂光刻膠,用光刻膠作為電鍍金屬的掩模以控制金屬生長方向。另一種方式是首先進(jìn)行光刻,然后濺射種子層,最后使用剝離液剝離濺射在光刻膠上的金屬,只在需要沉積金屬的表面留下種子層,然后進(jìn)行電鍍。電鍍?nèi)芤和哂兴釅A性,對于酸性或堿性較強的鍍液,光刻膠會與其發(fā)生反應(yīng),起不到阻擋電鍍表面的作用,同時還會造成電鍍液的污染。采用先濺射剝離再電鍍沉積金屬的方式存在金屬在電鍍的過程中的橫向生長,實際電鍍后金屬沉積橫截面面積要大于電鍍前的橫截面面積,導(dǎo)致在進(jìn)行刻蝕的過程中,實際刻蝕區(qū)域要小于所設(shè)計的刻蝕區(qū)域。而壓阻式壓力傳感器的壓敏電阻設(shè)計在背腔的邊緣處,刻蝕面的大小對傳感器的性能有著重要影響。

本文對濺射剝離再電鍍工藝的電鍍銅(Cu)沉積過程進(jìn)行了仿真模型的構(gòu)建,研究了電鍍過程中晶圓表面整體沉積情況以及背腔位置的金屬縱向與橫向生長情況,并探究了溶液電導(dǎo)率對金屬掩模沉積的影響。最后將溶液電導(dǎo)率為15 S/m時,金屬掩模的仿真計算結(jié)果與實際電鍍沉積情況進(jìn)行了對比。

1 電化學(xué)仿真

模擬和仿真是了解、優(yōu)化和控制電鍍過程最節(jié)省成本的方法。典型的仿真可以獲得電極表面的電流分布,鍍層厚度以及生長趨勢[3,4]。本文采用Comsol 電鍍模塊來實現(xiàn)電鍍過程的仿真設(shè)計與計算。

1.1 電鍍仿真模型理論

電解質(zhì)中每一種離子的通量通過Nernst-Planck方程計算得到

(1)

式中Ni為物質(zhì)的通量,Di為擴(kuò)散系數(shù),ci為離子i的濃度,zi為該物質(zhì)的電荷數(shù),um,i為遷移率,F為法拉第常數(shù),φl為電解質(zhì)電位。

材料平衡方程為

(2)

電中性條件通過以下表達(dá)式表示

∑izici=0

(3)

1.2 模型定義

與電解質(zhì)的電導(dǎo)率相比,金屬的陽極和陰極的電導(dǎo)率非常高,因此可以假設(shè)金屬電極上的電位分布為常數(shù)[11,12],所以，活化過電位的變化是由于電極表面上的電解質(zhì)電位引起的。基于以上假設(shè),仿真過程中將金屬電極作為邊界來處理,圖1(a)為電鍍?nèi)S仿真幾何模型,陽極為一個溶解Cu板,陰極為通過濺射剝離方式含有Cu種子層的4 in(1 in=2.54 cm)晶圓,其余部分為電解質(zhì)溶液。相關(guān)參數(shù)設(shè)置：溫度為323.15 K,Cu的摩爾質(zhì)量為0.063 55 kg/mol,密度為8 960 kg/m3,溶液電導(dǎo)率為15 S/m,電鍍時間為17 min。陽極邊界電極相電位條件采用總電流大小,值為4 A；陰極邊界電極相電位條件采用外部電勢,值為0 V。為研究背腔邊界Cu在電鍍過程中向垂直與水平方向的生長情況,圖1(b)為將實際的三維晶圓電鍍模型簡化在二維平面上,上邊界為陽極表面,中間部分為電解質(zhì)域,下表面中間凸起表示濺射金屬為陰極表面的3個部分。求解器配置采用自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化與自動重新刨分網(wǎng)格的方法以解決在計算的過程中由于網(wǎng)格的變形導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量過低的問題。

圖1 電鍍仿真模型

1.3 結(jié)果與討論

1.3.1 三維仿真模型結(jié)果與討論

圖2為溶液電導(dǎo)率為15 S/m時陰極的電鍍情況。

圖2 電導(dǎo)率為15 S/m 晶圓鍍層電解質(zhì)電位與厚度分布

從圖2(a)與圖2(b)中可以看出,晶圓邊界處其電解質(zhì)電位高于中心器件區(qū)位置,17 min時邊界電解質(zhì)電位最大為0.199 3 V,器件區(qū)電解質(zhì)電位最小值0.048 45 V,相差4.11倍。電解質(zhì)電位從晶圓邊界向內(nèi)呈指數(shù)衰減至0.05 V后趨于穩(wěn)定,中間器件區(qū)位置由于靠近背腔的鍍層側(cè)壁存在局部電流集中導(dǎo)致其電解質(zhì)電位升高,在晶圓中部呈現(xiàn)出波浪狀的電解質(zhì)電位分布。圖2(c)與圖2(d)為晶圓Cu鍍層的沉積結(jié)果圖,Cu鍍層最大沉積厚度在晶圓邊界,值為59.313 2 μm,鍍層最小厚度位于晶圓器件區(qū)中心位置,值為14.395 3 μm。沿直徑方向鍍層厚度曲線變化與表面電解質(zhì)電位分布曲線一致,晶圓邊界處鍍層厚度沉積厚度較大，但范圍占比較小,晶圓器件區(qū)整體鍍層厚度偏差在6.56 %。

通過參數(shù)化掃描方式對比電解質(zhì)電導(dǎo)率在5,10,15 S/m時電鍍效果。從圖3的仿真結(jié)果可以看出,隨著溶液電導(dǎo)率的提高,電解質(zhì)電位分布更加均勻,晶圓邊界與中心處鍍層厚度差減少,電導(dǎo)率為5,10,15 S/m時晶圓鍍層最大、最小厚度比值分別為7.30,5.07,4.12,整個晶圓表面鍍層厚度過渡隨著電導(dǎo)率的提高更加平緩,器件區(qū)整體鍍層厚度提高。

圖3 不同電導(dǎo)率下晶圓鍍層電解質(zhì)電位與厚度分布

1.3.2 二維仿真模型結(jié)果與討論

圖4(a)所示,側(cè)壁位置鍍層電解質(zhì)電位最高,并向中心點衰減,到中點處達(dá)到最低。對于鍍層形貌,從圖4(b)中可以看出,在鍍層側(cè)壁夾角位置會產(chǎn)生明顯凸起,電導(dǎo)率為5 S/m時表面各點處鍍層厚變化較大,電導(dǎo)率為15 S/m時各方向生長速度更為均勻,這使得在垂直方向上達(dá)到相同厚度時,電導(dǎo)率為15 S/m時鍍層側(cè)壁生長厚度最小,金屬的沉積效率最高。

圖4 不同電導(dǎo)率下晶圓鍍層電解質(zhì)電位與厚度分布

圖5(c)為電導(dǎo)率范圍為[1,15] S/m,17 min取鍍層最大橫向生長厚度與鍍層最小垂直生長厚度之比。電導(dǎo)率為1，15 S/m時,橫向與垂直生長厚度之比分別為1.83，1.05,鍍液電導(dǎo)率對鍍層形貌有著較大影響,從圖5(c)鍍層最大橫向生長厚度與最小橫向生長厚度比值曲線來看,隨著電解質(zhì)電導(dǎo)率的升高,水平生長厚度與垂直生長厚度比值趨近于1。

2 刻蝕曲線

假設(shè)刻蝕只沿垂直方向進(jìn)行,圖6為沉積金屬掩模,片厚300 μm SiC,假定刻蝕比為1︰20的刻蝕計算效果。

圖6 掩?？涛g效果曲線

從圖6中可看出,模擬背腔刻蝕效果與設(shè)計出現(xiàn)較大偏差。壓阻式壓力傳感器壓敏電阻一般布置在模面受壓后應(yīng)力最大位置,設(shè)計在靠近模邊10 μm處,該處設(shè)計厚度為50 μm,刻蝕完厚度為196 μm,采用濺射剝離再電鍍方法制作刻蝕掩模時若不考慮金屬電鍍過程中的橫向沉積,將會導(dǎo)致傳感器設(shè)計靈敏度與實際測試結(jié)果的嚴(yán)重偏差,若采用該方式進(jìn)行掩?？涛g制作,必須在設(shè)計上對該工藝進(jìn)行補償。

3 實驗與討論

3.1 鍍液配制

鍍液配方為：CuSO4·5H2O,150 g/L；濃硫酸2.5 %；濃鹽酸0.06 %；添加劑M 0.2 %；N 0.15 %；SP 0.2 %；P 1.0 %；C 2.0 %,在40 ℃下使用去離子水作為溶劑溶解,測得溶液電導(dǎo)率測得為15.01 S/m。

3.2 待鍍樣品制備

如圖7,將4 in(1 in=2.54 cm)單拋硅(Si)片使用7133負(fù)性光刻膠進(jìn)行噴涂,使用背腔尺寸為1 000 μm×1 000 μm的5 in掩模版進(jìn)行光刻,顯影去掉背腔位置之外的光刻膠。在MSP—3200磁控鍍模設(shè)備先濺射20 nm 的鉻(Cr)作為黏附層再濺射200 nm的Cu作為種子層,使用無水乙醇超聲 5 min進(jìn)行剝離,只留下濺射在Si片表面的金屬,鍍件準(zhǔn)備完成。

圖7 待鍍件工藝流程

3.3 電 鍍

使用磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 %～0.3 %的磷銅板以避免Cu板在硫酸鹽鍍液中以Cu+形式溶解。輸出電流控制為4 A,電鍍時間為17 min,使用鼓泡機(jī)進(jìn)行空氣攪拌,整個實驗在超凈間完成,避免外部環(huán)境對電鍍液的污染。

3.4 結(jié)果與討論

3.4.1 臺階儀測試

臺階儀的測試方式為由位置較高面向位置較低面使用探針劃動測量,KLA Tencor P—7臺階儀在垂直方向掃描的精度為4×0.1 nm,在測量鍍層厚度的同時可以獲得鍍層截面的高度曲線變化。以背腔位置Si面為基準(zhǔn)平面,測試鍍層表面到Si面位置的相對高度來實現(xiàn)對鍍層厚度的測量,鍍層曲線形貌如圖8所示。

圖8 中心位置鍍層厚度臺階儀測試曲線

中心點位置鍍層厚度為13.92 μm,與仿真計算結(jié)果偏差為3.41 %,鍍層曲線形貌與仿真結(jié)果一致,鍍層厚度向背腔位置逐漸升高,且在側(cè)壁位置有因為局部電流集中有明顯凸起。

3.4.2 共聚焦顯微鏡觀察結(jié)果

OLS4100 3D測量激光顯微鏡的分辨率在200 nm,用激光作掃描光源,逐點、逐行、逐面快速掃描成像,可以實現(xiàn)對高度、寬度、線粗糙度與面粗糙度等的測量。使用共聚焦顯微鏡對背腔與金屬鍍層邊界形貌的觀察與數(shù)據(jù)采集。表1為以中心點為圓點，半徑3.8 cm范圍內(nèi)鍍層整體厚度為13.92～14.68 μm,偏差為5.46 %,中心點背腔寬度為970.565 μm,背腔兩側(cè)Cu鍍層各向內(nèi)生長14.715 7 μm,橫向生長厚度與縱向生長厚度之比為1.057；外側(cè)背腔寬度為966.753 μm,背腔兩側(cè)Cu鍍層各向內(nèi)生長16.125 3 μm,橫向生長厚度與縱向生長厚度之比為1.098,與仿真結(jié)果1.05偏差為4.6 %,仿真結(jié)果可以用于實際參考。在壓阻式壓力傳感器電阻條位置的設(shè)計中,電阻條布置于位于膜面受壓后應(yīng)力最大區(qū)域,考慮到光刻對準(zhǔn)等工藝誤差,電阻條位置一般設(shè)計在靠近模邊10 μm處,不考慮電鍍金屬掩模的橫向生長將會嚴(yán)重影響到傳感器的性能。

表1 器件區(qū)5點鍍層高度與背腔大小測量結(jié)果

4 結(jié) 論

本文基于電化學(xué)理論,構(gòu)建了晶圓電鍍模型,模擬了濺射—剝離方式電鍍金屬掩模的生長過程,并通過實驗驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：采用濺射剝離再電鍍方式時金屬鍍層側(cè)壁向背腔內(nèi)沉積的速度要高于垂直方向的沉積速度,考慮到金屬在電鍍過程中的向背腔內(nèi)部的橫向沉積,為達(dá)到設(shè)計要求,必須對該工藝進(jìn)行補償。仿真分析發(fā)現(xiàn),溶液電導(dǎo)率對鍍層生長有重要影響。通過提高溶液電導(dǎo)率可以降低側(cè)壁生長速度與中心生長速度的比值，并逐漸趨近于1,同時可提高晶圓表面鍍層整體的均勻性。研究結(jié)果為采用濺射—剝離方式電鍍金屬掩模進(jìn)行背腔深刻蝕的SiC壓阻式壓力傳感器芯片加工涉及的工藝補償提供了仿真模型設(shè)計參考。