化學機械拋光在MEMS中的應用

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化學機械拋光在MEMS 中的應用

MEMS 即微機電系統(Micro electro mechani- cal system),是采用微機械加工制造技術制作包括微傳感器、微制動器、微能源等微機械基本單元以及高性能集成電路組成的微機電器件單元。它是在融合多種微細加工技術,并應用現代信息技術的最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科。微機電一體化產品體積小 、耗能少、運動靈活,在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢。

展的黃金定律為“一類生產線,一種制造工藝”,由于 MEMS 等微小單元的加工要達到亞微米甚至納米級的精度要求,超精密磨削受刀具尺寸、材料的制約,難度越來越大。MEMS 的發展在某種程度上受到了超精密加工水平的制約。為了滿足 MEMS 加工制造技術的發展以及新工藝、新材料在 MEMS 制作工藝中的應用,超精密加工技術的發展同樣經歷了理論研究、技術實驗和工藝推廣應用三個階段,隨著對超精密加工技術的不斷深入研究,對加工的質量和精度的要求也在不 斷提高,主要體現在以下幾方面:


(1) 對產品質量要求越來越高。以計算機磁盤為例,為使磁片存儲密度更高或鏡片光學性能更好,計算機硬盤的磁頭要求表面粗糙度Ra0.2nm,磁盤要求表面劃痕深度1nm, 表面粗糙度 Ra0.1nm。

(2) 對產品小型化的追求。零部件的小型化意味著表面積與體積的比值不斷增加,工件的表面質量及其完整性越來越重要。以汽車產業為例, ABS系統在不到 10年的時間,質量從 6.2kg低到 1.8kg。

CMP 加工的基本方法是將 MEMS 基板固定在夾持機構上,與拋光盤上粘接的拋光墊接觸并相對旋轉,且施加一定的壓力,借助機械摩擦及化學腐蝕作用使被拋光基板表面實現全局光滑平面化。

加壓機構


(3) 對產品高可靠性的追求。對軸承等既承受載荷又做相對運動的零件降低表面粗糙度可改
 零件的耐磨損性,降到功率耗損耗,提高其工作穩定性、延長使用壽命。以高速高精密軸承中使用的Si 陶瓷為例,其球形表面粗糙度要求達到數納米, 盡量減小變質層,提高抗腐蝕能力。

(4) 對產品高性能的追求。機構運動精度的提高有利于減緩力學性能的波動,減小摩擦和發熱, 降低振動和噪聲。以內燃機等高密封性機械單元為例,必須提高表面精度減少泄露,降低能量損失。

1 化學機械拋光在 MEMS中的應用

 化學機械拋光,是一種應用拋光液的化學腐蝕作用和磨料的機械去除作用相結合的拋光方法,即采用化學和機械方法使材料的加工表面達到納米級的超光滑表面和平整度要求。CMP IBM 公司于 20 世紀 80 年代中期開發的一項技術, 最先用于 64 RAM 的生產。CMP 技術的推廣應用起源于 20 世紀 40 年代,美國最早將 CMP 工藝技術引入其半導體芯片工藝生產線,隨后,日本于 1995 年也開始將 CMP 工藝引入到 150~200 mm 晶圓、0.5 μm 工藝線的氧化膜平坦化工藝中,F在 CMP 技術的研究應用己擴展到全球范圍,加工領域也從集成電路材料的研究、制造拓展到 MEMS 等多種超精密加工領域。

MEMS 拋光設備與 IC 設備結構上大致相同, 如圖 1 所示,主要由拋光盤、基板夾持機構、加壓機構、拋光液進給系統、拋光墊及修整器組成1 MEMS 拋光設備結構示意圖

 MEMS 的微加工制造技術源于 IC 制造技術, 大量利用 IC 的制造方法,力求與 IC 制造技術兼容。這是因為硅以其優良的機械性能成為 MEMS 的首選材料:硅近似于理想彈性,其屈服強度是鋼 3 倍,彈性模量與鋼相當,而密度僅為鋼的 1/3, 強度質量比超過了幾乎所有常用的工程材料,能夠滿足微傳感器和微結構對測量和材料力學特性的要求。1994 CMP 首次被應用于 MEMS 制備過程中,圖 2 為當時在 0.8 μm CMOS 制作過程中, 利用 CMP TMAH 濕法刻蝕中的 Si 去除拋光。

2 首次 CMP MEMS 制作過程中的應用 


但由于 MEMS 的多樣性,其制造過程引入了多種方法。這些新方法的不斷引入,使 MEMS 造與 IC 制造差別越來越大。首先是材料的多樣性,在 IC CMP 中需要處理的材料比較少,一般是多晶硅、二氧化硅、氮化硅以及金屬鋁和銅,而 MEMS 中除了要處理這些材料外,還包括多種IC 中不使用的材料,如石英、陶瓷等。其次是工藝的復雜性,目前 CMP MEMS 加工與 IC 加工的差異見表 1。

1 CMP MEMS 加工與 IC 加工中的差異

 主要技術指 IC MEMS

去除/μm 0.50.8 24

犧牲層的應 防止尖角的產 鍵合工藝前拋 增大鍵合 拋光范

集成拋 IC工藝拋

 CMP 的作用是在 MEMS 加工制造過程中使表面平坦化,圖 3 CMP MEMS 的關節機構中的表面平坦化示意圖。1993年美國北卡羅來納州開始采用 UCB面微加工技術制造出 3層多晶硅結構。美國 San- 3 CMP MEMS 加工中的應用示意dia 國家實驗室開發出了 SUMMIT-V Sandia Ul- tra-planar multi- level MEMS technology V表面微加工工藝可制造出 5 層多晶硅微機械結構。其主

要工藝流程如圖 4 所示。 


Si 基底

SiO2

CVD

刻蝕

SiO2

CVD

刻蝕

CVD

制作

生長

Si3N4

Si3N4

刻蝕

Poly0

Poly0

犧牲層 1

 

 

CMP

CVD

刻蝕

關節

CVD

刻蝕

微槽

CMP

犧牲層2

犧牲層2

Poly1

加工

Poly1

犧牲層1

加工

犧牲層 1

 

 

刻蝕

CVD

刻蝕

CVD

CMP

微槽

微槽

犧牲層3

犧牲層2

Poly2

Poly2

犧牲層 3

犧牲層3

加工

回填

刻蝕

 

 

 

犧牲層4

微槽

微槽

CMP

CVD

刻蝕

CMP

CVD

刻蝕

回填

加工

犧牲層4

犧牲層4

Poly3

Poly3

Poly3

  4  SUMMIT-V 工藝流程示意圖


 由以上工藝流程可以看出在所有結構層

Poly0-Poly4經過沉積、刻蝕完成后都要沉積二氧化硅作為犧牲層進行 CMP 加工處理如圖 5 ,從而達到平坦化的目的。CMP MEMS 的應用主要體現在:0.3 μm


犧牲

程中,為了提高器件的縱寬比,減小質量,采用CMP 工藝對填充層進行多余材料去除。圖 8 為加速度計在制作過程中的填充層材料去除示意圖。



(1) 犧牲層的平坦化應用。在利用表面微機械加工技術制作多層結構的過程中如圖 6所示), 在犧牲層的基礎上每增加一層結構層,都需要對犧牲層進行 CMP加工處理,使其平坦化,以減少MEMS制作過程中由于表面形貌引起的諸如曝光、層與層干涉、懸臂梁等問題的發生。

(2) 結構層的平坦化應用。在多層結構制作過程中,會產生必要的工藝圖形,為了去除工藝圖形對下一步加工的影響,必須通過 CMP將多余的工藝圖形去掉,使結構層表面平坦化。以制作光學器件為例如圖 7所示,為了減少大的臺階高度對曝光的影響,必須對其進行 CMP處理。

(3) 填充層的平坦化應用。在 MEMS制作過

(4) 鍵合工藝的平坦化應用。在 MEMS鍵合工藝中,對基板的表面光潔度要求很高,這是因為基片表面有較小的粗糙度,會提高基片的彈性變形以及高溫下的黏滯回流特性,使兩鍵合片

  8 填充層的材料去除示全結合在一起,界面不存在孔洞和變形,避免了鍵合后殘余應力的產生。以玻璃與硅片的的焊接為例,光潔度越高,接觸面的接隙度就越大,產生的靜電吸引力就越大,越容易焊接。

2 國內外 CMP MEMS中的應用情況MEMS的發展,使制造技術由宏觀進入微觀, 表面加工精度已經達到納米級、亞納米級。世界發達國家在納米級加工領域均予以高度重視,美國2001年開始的 NNI計劃 、英國的多學科納米研究合作計劃IRC,日本2002年的納米技術支撐計劃,都投入了大量的人力、物力進行專項技術和工藝研究。雖然 CMP技術被認為是 MEMS制備過程中獲得超光滑無損傷表面的有效方法,但是,要獲得 0.1nm級表面粗糙度和極小的表面損傷層, 就目前的 MEMS化學機械拋光工藝還不成熟,主要集中在:對不同材料的拋光去除機理研究不夠, 不同拋光工藝參數對拋光效果的影響分析,MEMS拋光過程中的蝶形凹陷和過渡拋光等問題。


“十一五”期間,我國以高校、研究院所為重點進行納米級超精密加工工藝技術的研究,雖然也取得了一定的成績,但與日美等發達國家相比,尤其在工藝應用方面還存在很大差距。為了滿足微電子、國防裝備和航空、航天技術的發展需要,在20 世紀 90 年代初由清華大學微電子所、復旦大學、東南大學率先開始了 MEMS 研究。CMP 技術 MEMS 的工藝研究方面,清華大學探索出硬盤基片超精表面新型 CMP 技術及先進的拋光工藝, 使拋光后表面波紋度和粗糙度均低于0.1nm;在計算機磁頭表面亞納米級拋光方面,首次將納米金剛石顆粒引入磁頭表面拋光,解決了拋光液中納米顆粒分散、改性等技術難點,開發出納米金剛石拋光液及拋光工藝,使磁頭表面粗糙度由原工藝的 0.48 nm 降到 0.2 nm 以下,并去除了劃痕、黑點等缺陷。另有一些專家學者針對單晶硅片的加工,提出了大氣低溫等離子體超精密超光滑拋光加工方法,獲得了 1.46 mm3/min 的材料去除量 Ra=0.6 nm 的表面粗糙度,實現了重要零件的亞納米級加工。

  

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