MEMS器件刻蚀工艺优化

孙德玉，马洪江（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳　110032）



MEMS器件刻蚀工艺优化

孙德玉，马洪江
（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

摘 要：基于MEMS器件的特殊结构，介绍了硅基电容式传感器MEMS器件刻蚀工艺的实现，工艺包含厚膜光刻、双面对准套刻和深沟槽刻蚀等难点。通过调整掩蔽层光刻胶的厚度，保持较高线宽分辨率的同时实现了硅片深沟槽的刻蚀加工；采用俄罗斯5026A型双面光刻机实现了硅片的对准套刻，成功实现了电容式传感器器件结构的刻蚀工艺，为用户提供了满意的产品，证明了该刻蚀工艺的可行性和实用性。

关键词：MEMS器件；光刻胶；厚膜光刻；双面光刻；对准套刻；深沟槽刻蚀

1 引 言

MEMS将电子系统和外部世界有机地联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界信号，并将这些信号转换成电子系统可以识别的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，进而发出指令，控制执行部件完成所需要的操作。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。很多基本结构都是在厚多晶基础上制作的，文章所列举的硅基电容式传感器就是其中的一种。

2 光刻工艺流程

2.1材料及使用设备

工艺采用厚度为400μm 4英寸N〈100〉双抛光硅片。光刻采用AIO700涂胶机、PE340型光刻机和俄罗斯双面5026A光刻机，腐蚀采用AME8310刻蚀机。

2.2工艺流程

产品需要经过六次光刻及腐蚀，分别是正面声孔区、背面腔孔区、正面二氧化硅、正面多晶硅、正面孔、正面铝。该MEMS的难点在于正面声孔区的光刻与腐蚀，声孔区的大小关系到以后声音品质因数的高低。

每次涂胶前硅片都要先进行表面处理剂（HMDS）处理，硅片放入一个充满N2的真空腔内，去除硅片表面水汽，采用六甲基二硅胺烷（HMDS）进行表面处理。HMDS影响硅片表面使之疏离水分子，同时形成对光刻胶材料的结合力。一般是在热板中150℃到200℃之间加热1-2分钟。烘烤的温度与时间对光刻图形的质量非常重要：如果烘烤温度太低或时间太短表面脱水不足就会产生光刻胶的附着问题。如果烘烤时间太长或温度太高则可能引起底漆层分解，形成污染且影响光刻胶的附着。HMDS原理如图1所示。

图1 HMDS处理后化学反应原理图

显影采用进口MF320显影液对硅片进行显影，显影液的主要成分为一种弱碱性的四甲基氢氧化铵，与曝光区域的光刻胶进行化学反应，溶解于显影液中，依据试验确定最佳显影时间为1分钟。

3 刻蚀工艺详细说明

3.1正面声孔区

（1）声孔区光刻：产品衬底采用的是厚度较薄的双抛光硅片，并且需要采用背面对准光刻，所以在第一次光刻的时候基本要求有以下几点：

·本次光刻目的为刻出5μm的多晶硅圆孔，所以要采用耐腐蚀性强且分辨率较高的光刻胶。

·本次光刻采用PE340光刻机，光刻时确保图形与弦平行，从而保证背面腐蚀腔孔角度精确。

·此次光刻版图上孔的尺寸为5μm，要求硅片显影后光刻胶上沿孔的大小为4-6μm。

光刻胶选择方面，由于声孔区的多晶硅厚度在1.5μm左右，普通的光刻胶虽然分辨率足够，但在抗蚀性方面不达标。因为腐蚀多晶硅所采用的SF6气体对光刻胶的选择比只有2∶1左右，而细线条对光刻胶的腐蚀速率更大，而我们的测试图形最细线条只有2μm宽。综合考虑以上因素，我们采用耐腐蚀性强且分辨率较高的进口SPR6818型光刻胶，该光刻胶在我们工艺线上用于钝化等厚膜刻蚀，常规涂胶厚度为1.8μm。实际应用中该常规涂胶方法不能满足对此次声孔区的掩膜要求，细线条处的光刻胶极易出现扒胶现象，如图2所示。为了既要满足抗腐蚀要求（增加光刻胶厚度）又要达到细线条显影精度要求，我们通过实验，调整匀胶机匀胶时的转数，优化涂胶程序，得到了满足要求的结果，如图3所示。

（2）正面声孔区腐蚀：正面声孔区的腐蚀也是该MEMS制作过程中的一个难点。因为我们使用的腐蚀气体SF6对多晶硅具有很高的腐蚀速率，但硅片内部的均匀性不是很高，而太长时间的过腐又会出现扒胶及侧腐太大的问题，未调整腐蚀工艺前，腐蚀的图片如图4所示。

图2 细线条处腐蚀后

图3 2.5μm厚光刻胶细线条处腐蚀后

图4 声孔区圆孔未腐蚀干净

为了提高腐蚀的均匀性，我们对腐蚀程序进行了优化，采用在原有腐蚀气体中添加氦气的方法，氦气既能提高F离子的活性，又能提高腐蚀后的均匀性，腐蚀效果如图5所示，由图中可以看出正面声孔区图形一致性较好。

3.2背面腔孔区

此次光刻背面涂SPR6818光刻胶，厚度为1.8μm。检查调整光强在400±20范围内开始进行光刻操作。注意：对准标记要放在视场的中间位置进行对准曝光，越在中间对准精度越高，否则出现偏差，曝光量调至180。本次刻蚀的目的是留出背面腔孔释放区域图形，为以后的腔体释放做准备。

3.3金属铝前的产品结构

通过光刻腐蚀正面二氧化硅、正面多晶硅、正面孔形成产品结构，如图6所示。

3.4正面铝光刻

刻蚀的目的是在做出电容极板的电极。硅片正面采用手动滴6818光刻胶，滴胶量要大，同时确保无胶楞、胶花，该引线孔为1.5μm深的沟槽，常规涂胶量难以满足涂胶要求。

光刻时加大曝光量，通过实验曝光量控制在220左右，且采用二次曝光。显影1分钟，在显微镜下观察须将引线孔内深槽里的光刻胶全部显掉。如图7所示。

图7 铝光刻显影后的图形

4 结束语

详细阐述了MEMS器件加工过程中的刻蚀工艺，通过实验证明了电容式MEMS传感器刻蚀工艺的可实现性，重点解决了MEMS器件在深沟槽刻蚀过程中光刻胶的耐腐蚀性及深沟显影等难点。此工艺流程简单，可以大批量进行MEMS器件的生产加工，具有良好的应用前景。

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Technology of Etching Process on Silicon Based Capacitive Sensor MEMS Device

Sun Deyu，Ma Hongjiang
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Abstract：The technology of etching process on silicon-based capacitive sensor MEMS device，applying the special structure based on MEMS device and including thick film lithography，double alignment sleeve and deep trench etching，etc.，is introduced in this paper.The thickness of masking layer photo-resist is adjusted to make the deep trench etching of silicon wafer and maintain high line width resolution.Type 5026A double side lithography machine，made in Russia，is used to conduct dual surface lithography.The experimental result shows that the process of the etching is feasible and practical.

Key words：MEMS device；Photo-resist；Thick film lithography；Dual surface lithography；Alignment；Deep trench etching

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.003

中图分类号：TP305

文献标识码：A

文章编号：1002-2279（2016）02-0008-03

作者简介：孙德玉（1983-），男，辽宁省庄河人，学士，工程师，主研方向：微电子工艺制造。

收稿日期：2015-09-16