GB/T 28274-2012 硅基MEMS制造技术 版图设计基本规则

　　ICS 31. 200 L 55

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 28274—2012

　　硅基 MEMS制造技术

　　版图设计基本规则

　　Silicon-basedMEMS fabrication technology—

　　Thebasicregulation oflayoutdesign

　　2012-05-11发布 2012-12-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 28274—2012

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由全国微机电技术标准化技术委员会(SAC/TC336)提出并归 口 。

　　本标准起草单位 :北京大学 、中机生产力促进中心 、中国电子科技集团第十三研究所 、中国科学院上海微系统与信息技术研究所 、西北工业大学 。

　　本标准主要起草人 :张大成 、王玮 、刘伟 、杨芳 、姜森林 、崔波 、熊斌 、乔大勇 。

　　Ⅰ

　　GB/T 28274—2012

　　硅基 MEMS制造技术

　　版图设计基本规则

　　1 范围

　　本标准规定了微结构加工时 ,光刻版图设计中图形设计应遵循的基本规则 。

　　本标准适用于采用接触式单/双面光刻 、氧化扩散 、化学气相淀积(CVD) 、物理气相淀积(PVD) 、离子注入 、反应离子刻蚀(RIE) 、氢氧化钾(KOH)腐蚀 、硅-玻璃对准静电结合 、砂轮划片等基本工艺方法 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 26111—2010 微机电系统(MEMS)技术 术语

　　3 术语和定义

　　GB/T 26111—2010界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　双面光刻 doublesidemask align

　　在基片的一面(A面) ,制备与该基片另一面(B面) 已有光刻图形或痕迹的有一定对准关系的图形的过程 。

　　3. 2

　　亮版 lightmask

　　大面积透光的光刻版 。

　　3. 3

　　暗版 dark mask

　　大面积不透光的光刻版 。

　　3. 4

　　对准标记 align mark

　　用于对准不同工序形成的图形的标记 。

　　4 光刻对准和键合对准方法

　　4. 1 单面光刻对准方法

　　通过使用光刻机等工具使光刻版上图形与基片上对应的图形对准 ,其工作过程如图 1所示 。

　　单面光刻对准是在有图形基片表面涂敷光刻胶 ,使用光刻设备将光刻版图形与基片上已有图形对准后 ,再通过曝光和显影将基片上光刻胶处理成与光刻版图形一致 ,且与基片上已有图形有对准关系的图形 。

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　　GB/T 28274—2012

　　图 1 单面光刻对准示意图

　　4. 2 双面光刻对准方法

　　通过使用双面光刻机等设备在基片的一面制备光刻胶图形 ,且与另一面图形有对准关系 。操作时 ,先将需要制备图形的基片表面涂敷光刻胶 ,并将光刻版放置在双面光刻设备 ,此时承片台上无基片 ,如图 2 a)所示 。 片台下的 CCD摄像机记录光刻版上的对准标记并在显示器上显示 。再将基片对准标记朝下放置在承片台上 ,如图 2 b)所示 ,片台下的 CCD摄像机拾取基片下面的对准标记 ,并与显示器上光刻版的标记对准 ,对准后通过曝光和显影将基片上的光刻胶处理成与光刻版图形一致 ,且与涂胶面背面已有图形有对准关系的图形 。

　　a) 对准拾取光刻版对准标记示意图

　　b) 基片的对准标记与光刻版的对准标记对准示意图

　　图 2 双面光刻对准示意图

　　4. 3 键合对准

　　键合对准是在键合前 ,将带有对应关系图形的硅片 、玻璃片等使用一定的方法 、工具或专用设备 ,将基片的图形面相对并将图形对准的过程 。

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　　4. 3. 1 硅-玻璃键合对准步骤

　　硅-玻璃键合对准是将带有对应关系图形的硅片和玻璃片使用一定的方法 、工具或专用设备 ,将基片的图形面相对并将图形对准的过程 。硅-玻璃键合对准的过程与单面光刻类似 ,其中玻璃片相当于光刻时的光刻版 。采用常用键合对准设备的具体键合对准方法是 :

　　a) 将两个待键合基片的相互键合面相对固定在对准夹具上 ,并将夹具放置在键合对准设备上 ;

　　b) 通过键合对准设备的观察系统透过玻璃寻找到硅片上的对准标记 ;

　　c) 通过操作键合对准设备的 X、Y 方向和角度 θ 的运动 ,使玻璃片和硅片上对准标记相互对准 ,并达到规定的精度范围 ,用夹具将玻璃片和硅片相互固定 ;

　　d) 从键合对准设备上取下夹具送入键合机 ,完成键合工艺过程 。

　　4. 3. 2 硅-硅键合对准步骤

　　硅-硅键合对准是将带有对应关系图形的两片硅片使用一定的方法 、工具或专用设备 ,将基片的图形面相对并将图形对准的过程 。采用常用键合对准设备的具体键合对准方法是 :

　　a) 先将一个待键合硅片固定在对准夹具上 ,并将夹具放在键合对准设备上 ;

　　b) 通过键合对准设备的观察系统记录硅片表面的对准标记 ;

　　c) 将另一个硅片装入键合对准设备 ,通过操作键合对准设备的 X、Y 方向和角度 θ 的运动 ,使硅片背面的对准标记与设备记录的第一个硅片上对准标记相互对准 ,并达到规定的精度范围 ,用夹具将两个硅片相互固定 ;

　　d) 从键合对准设备上取下夹具送入键合机 ,完成键合工艺过程 。

　　在进行硅-硅键合时应先在其中一个硅片键合面的背面制备对准标记 。硅-硅键合对准的过程与双面光刻类似 ,其中第一个硅片相当于光刻时的光刻版 。

　　4. 4 光刻和键合对准精度

　　作为基于硅工艺的 MEMS加工方法 ,对准精度应与基本工艺能力相匹配 。

　　4. 4. 1 单面光刻对准精度为 ±2μm。

　　4. 4. 2 双面光刻对准精度为 ±4μm。

　　4. 4. 3 键合对准精度 :硅-玻璃键合对准精度为 ±4μm;硅-硅键合对准精度为 ±10 μm。

　　5 对准标记设计要求

　　5. 1 对准标记和光刻质量检查标记的尺寸和形状

　　对准标记的作用是指示平面图形在 X、Y 和θ三个自由度的对准情况 。 以原点对称图形最为合理 ,能够在一个图形中同时显示三个自由度的对准情况 。光刻质量检查标记的作用是检查光刻工艺实现图形与光刻版图形的尺寸符合情况 , 以图形尺寸接近光刻设备分辨率的相邻反转等间隔线条组合为宜 。

　　5. 1. 1 在工艺流程涉及的每张版中都应设有对准标记 , 通常情况下为十字型图形 , 简称为 “十字 ”, 如图 3所示 。

　　5. 1. 2 在工艺流程涉及的每张版中都应设有线宽检查标记 ,用于监控光刻工艺实现的光刻胶图形与光刻版图形的差异 。

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　　注 : 图示中出现的两个线宽检查标记分别属于不同版次 ,并非一张版上有两个线宽检查标记 。

　　图 3 对准标记的基本形式

　　5. 1. 3 考虑到光刻设备对准光学系统的倍率 、景深和对准操作的难易程度等因素 , “十字 ”的建议长度为 150 μm(约为 10×物镜视场直径的 40% ~ 50%) ,如图 3所示 ,两个相互对准十字标记的线条宽分别为 30 μm 和 40 μm , 即两相关十字的外边缘间距为 5 μm。此宽度适于在光刻机上进行单面 、双面光刻和键合对准 。 十字图形两端的 2 μm 间距区只用于显微镜检查 。

　　5. 1. 4 线宽检查标记的线宽和间距均为 5 μm ,如图 3所示 。

　　5. 1. 5 对准标记的标号高为 35 μm ,宽为 20 μm ,如图 3所示 。

　　5. 1. 6 给对准标记进行标号的目的是保证套刻时选择正确的对准标记 , 同时便于操作人员完成对准 。示例 :在进行第二次光刻时 ,操作人员只需 将 二 号 版 上 带 有 2 字 的 对 准 标 记 与 基 片 上 带 有 2 字 的 对 准 标 记 相 套 即

　　可 ,如图 3所示 。严禁在一张版图上出现两个或两个以上标号相同的对准标记 。

　　5. 1. 7 用于对准键合的两个对准标记应以“JH”(即 :键合)图形作为标记 , 以确保对准工艺正确快速的完成 。

　　5. 1. 8 在单面光刻版图设计中 ,需要考虑两次相关对准标记 “十字 ”的大小覆盖问题 ;在双面光刻中只需考虑对准标记的大小 ,不必考虑覆盖问题 ;在阳极对准键合中 ,应保证玻璃片上的金属对准标记不要覆盖硅片上的对准标记 , 以便于键合后透过玻璃进行键合偏差检查 。

　　5. 1. 9 对后一次对准的光刻版分别为亮版和暗版时 ,建议对准标记采用图 4所示图形 。

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　　图 4 亮版和暗版上的对准标记形式

　　5. 1. 10 在工艺流程中设计了 KOH 深腐蚀(腐蚀深度不小于 20 μm)后的图形用于后续光刻的对准标记时 ,应将对准标记设计为如图 5所示的四个方块图形 , 以避免 KOH 将 “十字 ”对准标记图形的凸角腐蚀掉 ,无法继续作为对准标记使用 。其他与光刻质量检验相关的图形也应设计为由矩形或方形开口构成的组合图形 ,避免带凸角图形的出现 。

　　图 5 用于 KOH 腐蚀的对准标记形式

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　　5. 2 不同类型光刻版的对准标记设计要求

　　5. 2. 1 精缩版对准标记设计要求

　　精缩版是将版图文件经图形发生器制备成初缩版后经 1/10缩小并按芯片单元重复曝光制备的光刻版 。精缩版的单元尺寸一般都不超过 9 mm×9 mm。

　　5. 2. 1. 1 精缩版对准标记位置建议设计在单元的左上角(即距横竖划片槽交叉点约 50 μm 处) , 以便于操作人员快速定位 “十字 ”,如图 6所示 。

　　图 6 光刻板上的对准标记的所在位置示意图

　　5. 2. 1. 2 若每个重复单元中含有两个或两个以上子单元图形时 ,建议对各子图形也依次编号 。

　　5. 2. 2 初缩版对准标记设计要求

　　初缩版可以是由图形发生器直接制备或由电子束直写系统制备的光刻版 。初缩版图形通常大于9 mm×9 mm。有些初缩版不包含重复图形单元 ,完全由各自独立的单元构成 , 因此不适合按重复单元设置对准标记的方式 。采用图形发生器制备的初缩版最小线宽建议为 10 μm;电子束曝光机制备的初缩版最小线宽由设备的指标决定 。

　　5. 2. 2. 1 在初缩版上只须在版的水平中心线的左右各设一组对准标记 ,位置范围如图 7 所示 ,此位置可以同时满足单面 、双面光刻和键合对准情况 。 当同一侧的标记超过两个时 ,“十字 ”的标号需要设计得有所区别 , 以免套错 。

　　5. 2. 2. 2 若采用初缩板工艺流程的第一张版为大面积不透光时 ,需在如图 8 所示位置添加四个透光条 , 以保证光刻时硅片能够定位在光刻版的居中位置 。

　　5. 2. 2. 3 使用初缩版时 ,应对每个图形单元依次编号 , 以保证裂片后的单元识别 。

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　　图 7 初缩版上对准标记位置示意图

　　图 8 光刻版上板号位置和透光定位图形位置示意图

　　5. 3 对准标记的快速定位的标识方法

　　对准标记快速定位标识的作用是在进行套刻操作时迅速发现对准标记的位置 , 以提高套刻效率 ,减少操作失误 。

　　5. 3. 1 对准标记快速定位线要求 :

　　— 精缩版 :对准标记快速定位线是一条位于对准标记与芯片单元的边缘或划片槽之间 ,形状明显不同于版图中图形形状的水平线条 ,通常为虚线 。建议线条贯穿整个单元 ,如图 9所示 。

　　— 初缩版 :对准标记快速定位线是一条距对准标记上端或下端 50 μm 的虚线 ,建议长度应大于15 mm ,在面积允许的前提下应尽可能长 。

　　5. 3. 2 若光刻版透光区面积小或透光图形稀疏 ,建议在版图中靠近对准标记处特设面积大于 500 μm× 500 μm 的透光窗口区 , 以便快速定位“十字 ”。

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　　5. 3. 3 在工艺允许的前提下 ,划片槽应尽量设计为透光区 ,便于快速定位 “十字 ”。

　　5. 3. 4 对准标记快速定位线的具体尺寸建议为由宽 10 μm、长 50 μm~ 80 μm 的矩形 , 间隔 10 μm~ 20 μm 构成的虚线 。

　　图 9 对准标记快速定位用贯穿虚线位置示意图

　　6 与工艺方法和图形特征相关的版图设计要求

　　6. 1 与工艺方法相配套的版图设计要求

　　6. 1. 1 采用接近接触式光刻设备时 ,对直径为 100 mm(或 4 in) 基片进行光刻时应选用边长 127 mm (5in)光刻版 ;对直径为 76 mm(或 3 in)基片进行光刻操作时建议使用 102 mm(4 in) 光刻版 。对不规则形状的基片应遵守光刻版应大于基片尺寸的原则 。

　　6. 1. 2 采用步进投影光刻设备时 ,光刻版尺寸应按设备要求制备 ,通常尺寸为 127 mm×127 mm。

　　6. 1. 3 若初缩板的第一块板为大面积不透光图形 ,建议在如图 8 所示位置添加四个透光条 , 以便保证基片在光刻时位置居中 。

　　6. 1. 4 建议制版单位在光刻版右下角不会与基片重合的位置标注可直观识别的版号 , 以减少光刻差错 。如图 8所示 。

　　6. 1. 5 涉及硅深刻蚀(深度大于 100 μm)工艺的版图设计 ,不能出现硅片沿晶向的贯通槽 , 以免刻蚀过程中发生硅片沿晶向断裂的情况 ; 同时在版图设计中应尽量减少被刻蚀区面积 , 以提高刻蚀速率 ,减少负载效应 。

　　6. 1. 6 工艺流程中涉及 KOH 腐蚀工艺时 ,应在第一块光刻版上设计用于基片晶向定位的平行条 ,如图 10所示 。

　　6. 1. 7 在版图设计中 ,建议有效图形设计在距基片边缘 5 mm 的中心区域内 。对工艺方法中因采用特殊夹持或固定方法可能占用更多基片边缘面积时 ,应在版图设计时根据实际工艺情况留出足够的边缘区域 , 以获得完整的有效图形 。

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　　图 10 晶向定位平行条位置示意图

　　6. 2 与图形特征相配套的版图设计要求

　　6. 2. 1 在用于金属剥离工艺用的版图中 ,金属图形不宜使用封闭的 、长距离平行细线条设计 。

　　6. 2. 2 对 于 光 刻 后 需 要 继 续 刻 蚀 或 腐 蚀 工 艺 的 所 涉 及 的 光 刻 版 , 建 议 设 计 窗 口 尺 寸 大 于 50 μm × 50 μm 的工艺结果检测窗 口 ,便于用膜厚仪 、台阶仪检测窗口区的腐蚀结果 。 当版图中有多个检测窗口时 ,应对窗口依次编号 。

　　6. 2. 3 在 版 图 设 计 中 , 建 议 将 芯 片 单 元 的 步 距 设 计 为 10 μm 的 整 数 倍 , 以 便 划 片 设 备 的 最 小 步 距调整 。

　　6. 2. 4 对标准硅基片建议设计宽度不超过 100 μm ,对键合基片建议设计宽度不超过 300 μm。对因为工艺需要不能在 衬 底 的 划 片 表 面 留 下 划 片 槽 图 形 的 情 况 , 应 专 门 设 计 划 片 标 记 。 建 议 设 计 宽 度 为10 μm 的细线条或虚线图形 。

　　6. 2. 5 建议压焊点尺寸不小于 100μm×100μm ,相邻压焊点间距不小于 100μm。 同时建议对各压焊点进行顺序编号 , 以便于管芯测试 。

　　6. 2. 6 版图设计时应考虑工艺中各种造成线宽变化的因素 ,并在版图中予以补偿考虑 。

　　示例 : 腐蚀工艺中的横向钻蚀造成图形缩小 、高温长时间扩散造成的图形扩张 、硅片本身晶向定位偏差或光刻平行度控制偏差造成 KOH 深腐蚀掩膜横向钻蚀 、厚度较大的淀积工艺造成的图形边缘位置变化等 。

　　6. 2. 7 以基片上图形的台阶为对准印记时 ,建议台阶高度大于或等于 80 nm。

　　6. 2. 8 建议在版图设计中尽量采用直线 ,避免曲线 、斜线等图形的出现 , 以提高制版精度和效率 , 降低制版成本 。

　　6. 2. 9 在将版图送制版单位加工时应特别说明 ,例如是否需在版图上添加平行条 ,是否需对某张版图进行镜像翻转(涉及双面光刻或对准键合的版图通常需要在制版时做镜像翻转) ,是否有特别关注的细线条 ,版图的数据区透光还是不透光等 。

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　　2012年 11月第一版

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　　书号 : 155066 · 1-45571

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