GB/T 28276-2012 硅基MEMS制造技术 体硅溶片工艺规范

　　ICS 31. 200 L 55

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 28276—2012

　　硅基 MEMS制造技术

　　体硅溶片工艺规范

　　Silicon-basedMEMS fabrication technology—

　　Specification fordissolved waferprocess

　　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 28276—2012

　　目 次

　　前言 Ⅰ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 工艺流程 2

　　4. 1 体硅溶片工艺流程 2

　　4. 2 硅片加工工艺流程 2

　　4. 3 玻璃片加工工艺流程 3

　　4. 4 硅-玻璃键合片工艺流程 4

　　5 工艺加工能力 4

　　6 工艺保障条件要求 4

　　6. 1 人员要求 4

　　6. 2 环境要求 4

　　6. 3 设备要求 5

　　7 原材料要求 6

　　8 安全操作要求 6

　　8. 1 用电安全 6

　　8. 2 化学试剂 6

　　8. 3 排废 6

　　9 工艺检验 6

　　9. 1 总则 6

　　9. 2 关键工序检验 7

　　9. 3 最终检验 8

　　附录 A (资料性附录) 体硅溶片关键工序检验方法 10

　　GB/T 28276—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 : 中国电子科技集团第十三研究所 、中机生产力促进中心 、北京大学 、中国科学院上海微系统与信息技术研究所 。

　　本标准主要起草人 :崔波 、罗蓉 、刘伟 、张大成 、熊斌 、陈海蓉 。

　　Ⅰ

　　GB/T 28276—2012

　　硅基 MEMS制造技术

　　体硅溶片工艺规范

　　1 范围

　　本标准规定了采用体硅溶片加工工艺进行 MEMS器件加工时应遵循的工艺要求和工艺评价规范 。本标准适用于体硅溶片工艺的加工和质量检验 。

　　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 50073—2001 洁净厂房设计规范

　　GB/T 19022—2003 测量管理体系 测量过程和测量设备的要求

　　GB/T 26111—2010 微机电系统(MEMS)技术 术语

　　3 术语和定义

　　GB/T 26111—2010和 GB/T 19022—2003界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。 3. 1

　　微机电系统 micro-electromechanicalsystem;MEMS

　　关键(部件)特征尺寸在亚微米至亚毫米之间 ,能独立完成机光电等功能的系统 。

　　注 1: 微机电系统一般包括微型机构 、微传感器 、微执行器 、信号处理和控制 、通讯接口电路以及能源等部分 。

　　注 2: 微机电系统通常需要多学科领域技术的综合应用 ,例如机 、电 、光 、生物等多种领域 。

　　注 3: MEMS主要在美国使用 ,微系统主要在欧洲使用 ,微机械主要在日本使用 。

　　[GB/T 26111—2010,定义 3. 1. 1] 3. 2

　　体微加工工艺 bulk micromachining

　　通过选择性去除部分基底材料实现微结构的微机械加工方法 。

　　注 : 体微机械工艺式通过化学方法刻蚀去除基底不 需 要 部 分 的 加 工 方 法 。通 过 使 用 SiO2 或 SiN 掩 膜 可 以 保 护 表面不被刻蚀 。硼参杂层也可以停止表面层以下部分的刻蚀 。

　　[GB/T 26111—2010,定义 3. 5. 16] 3. 3

　　体硅溶片工艺 dissolved waferprocess

　　利用硼重掺杂硅在各向异性腐蚀剂中的自停止腐蚀效应实现 MEMS结构的硅基加工技术 。

　　注 : 体硅溶片工艺采用玻璃做支撑材料 ,利用干法 刻 蚀 技 术 在 经 过 硼 重 掺 杂 的 硅 片 上 形 成 MEMS结 构 , 利 用 阳 极

　　键合技术实现硅片与玻璃之间的封接 ,最后采用各向异性腐蚀技术去除多余的硅实现 MEMS结构的释放 。

　　3. 4

　　自停止腐蚀 etch stop

　　利用腐蚀剂对不同材料的腐蚀速度差异使得腐蚀停止在特定材料层上 。

　　1

　　GB/T 28276—2012

　　3. 5

　　浓硼自停止腐蚀层 boron etch-stop layer

　　单晶硅片中硼的掺杂浓度大于 1×1019 cm-3 时形成浓硼 自停止腐蚀层 ,浓硼 自停止腐蚀层的厚度由掺杂温度 、时间决定 。

　　3. 6

　　工艺容差 machining allowance

　　版图设计过程中给工艺加工留出的固定余量 。

　　3. 7

　　加工误差 machining error

　　加工出的硅结构的纵 、横向尺寸实测值与设计值之间的差值 。

　　3. 8

　　金硅串联电阻 Au-Sicontactresistance

　　硅结构与金布线之间的电阻 。

　　4 工艺流程

　　4. 1 体硅溶片工艺流程

　　体硅溶片工艺包括硅片加工工艺 、玻璃片加工工艺和硅-玻璃键合片工艺 ,工艺流程图如图 1所示 。

　　图 1 体硅溶片工艺流程图

　　4. 2 硅片加工工艺流程

　　硅片加工工艺包括下列工序 ,工艺流程图如图 2所示 。

　　a) 硅片材料准备 ;

　　b) 硅片浓硼扩散形成一定厚度的自停止层(G) ;

　　c) 硅片一次光刻 ;

　　d) 硅片一次干法刻蚀形成锚点 ;

　　e) 硅片二次光刻(G) ;

　　f) 硅片二次干法刻蚀形成 MEMS结构(G) 。

　　2

　　GB/T 28276—2012

　　a) 硅片材料准备 b) 硅片浓硼扩散(G)

　　c) 硅片一次光刻 d) 硅片一次干法刻蚀

　　e) 硅片二次光刻(G) f) 硅片二次干法刻蚀(G)注 1: 锚点也可以做在玻璃片上 。

　　注 2: G表示关键工艺 。

　　图 2 硅片加工工艺流程图

　　4. 3 玻璃片加工工艺流程

　　玻璃片加工工艺包括下列工序 ,工艺流程图如图 3所示 。

　　a) 玻璃片材料准备 ;

　　b) 玻璃片一次光刻 ;

　　c) 玻璃片湿法腐蚀形成锚点 ;

　　d) 玻璃片二次光刻 ;

　　e) 玻璃片金属化(G) ;

　　f) 剥离形成金属布线及焊盘 。

　　a) 玻璃片材料准备 b)玻璃片一次光刻

　　c) 玻璃片湿法腐蚀 d) 玻璃片二次光刻

　　e) 玻璃片金属化(G) f) 剥离注 1: 锚点也可以做在硅片上 。

　　注 2: G表示关键工艺 。

　　图 3 玻璃片加工工艺流程图

　　3

　　GB/T 28276—2012

　　4. 4 硅-玻璃键合片工艺流程

　　硅-玻璃键合片工艺包括下列工序 ,工艺流程图如图 4所示 。

　　a) 采用玻璃片带有金属的一面与硅片带有 MEMS结构的一面实现阳极键合(G) ;

　　b) 划片 ;

　　c) 采用各向异性腐蚀剂腐蚀硅片至自停止实现 MEMS结构的释放 。

　　a) 硅-玻璃阳极键合(G) b) 划片

　　c) 硅片各向异性腐蚀

　　注 : G表示关键工艺 。

　　图 4 硅-玻璃键合片工艺流程图

　　5 工艺加工能力

　　—MEMS结构与玻璃片间隙 :2 μm~ 5 μm。

　　—MEMS结构厚度 :10 μm~ 30 μm。

　　—MEMS结构横向尺寸加工误差 : ±1 μm。

　　—MEMS结构横向尺寸工艺容差 :1 μm。

　　注 : MEMS结构横向尺寸工艺容差 、加工误差的保证需要以各项异性自停止腐蚀 、浓硼扩散等工艺正常为前提 。

　　— 静电键合对准精度 : ±4μm。

　　6 工艺保障条件要求

　　6. 1 人员要求

　　工艺人员应具有半导体工艺基础知识,熟悉设备性能 ,经过培训 ,持有上岗证和工艺操作证 。

　　6. 2 环境要求

　　工序操作的环境直接影响各工序工艺的稳定性与工艺质量 ,各工序推荐的操作环境见表 1。

　　4

　　GB/T 28276—2012

　　表 1 体硅溶片工艺各工序对环境的要求

　　工序名称

　　净化级别

　　(GB 50073—2001)

　　扩散

　　6

　　光刻

　　5

　　金属化

　　6

　　剥离

　　6

　　干法刻蚀

　　6

　　阳极键合

　　5

　　划片

　　7

　　硅片各向异性腐蚀

　　7

　　6. 3 设备要求

　　6. 3. 1 各工序所需设备

　　各工序推荐使用的设备如表 2所示 。

　　表 2 体硅溶片工艺各工序推荐使用的设备

　　工序名称

　　工艺设备

　　测量设备

　　扩散

　　清洗台 、甩干机 、氧化扩散炉 、硅片各向异性腐蚀台

　　显微镜

　　光刻

　　涂胶台 、烘箱 、热板炉 、光刻机 、显影台

　　显微镜 、表面轮廓仪

　　金属化

　　溅射台 、蒸发台

　　显微镜 、表面轮廓仪

　　剥离

　　超声清洗机

　　显微镜

　　干法刻蚀

　　ICP

　　显微镜 、表面轮廓仪 、SEM

　　阳极键合

　　键合对位设备 、圆片键合设备

　　显微镜 、探针台 、数字万用表

　　划片工艺

　　划片机

　　显微镜 、百分表

　　硅片各向异性腐蚀

　　硅片各向异性腐蚀台 、热板炉

　　显微镜

　　6. 3. 2 工艺设备验证

　　6. 3. 2. 1 工艺设备应定期进行状态验证 。验证或鉴定表明设备性能满足工艺技术要求的 , 即确认设备技术状态正常 ,可以进行正常使用 。

　　6. 3. 2. 2 验证或鉴定表明性能不能满足工艺技术要求的设备 ,需进行设备维修 。设备修复后需重新进行技术状态验证 ,验证或鉴定表明设备性能满足工艺技术要求后 ,才可以进行正常使用 。

　　6. 3. 2. 3 所有设备按有关规定进行设备保养 ,设备进行定期保养后 ,需重新进行技术状态验证 。

　　6. 3. 3 测量设备检定/校准

　　测量设备应按 GB/T 19022—2003 的要求进行校准 。对校准过的设备应有效控制 ,按规定使用和贮存 , 以保证校准的有效性 。校准后的设备应按 GB/T 19022—2003 的要求进行标识 。保证所使用的

　　5

　　GB/T 28276—2012

　　测量设备能够满足测量要求 。

　　7 原材料要求

　　在体硅溶片工艺中推荐使用的原材料见表 3。应严格按照相关贮存条件存放 ,应使用经检验合格且在有效期内的材料 。

　　表 3 体硅溶片工艺推荐使用的原材料

　　名 称

　　规 格

　　玻璃片

　　TEMPAX玻璃 、Pyrex玻璃 、SD2玻璃 、AF45玻璃等

　　硅片

　　P 型或 N 型硅单晶片 、(100)晶面 、电阻率(1~ 100) Ω · cm

　　去离子水

　　18 MΩ · cm

　　氮气

　　99. 999%

　　氧气

　　99. 999%

　　无水乙醇

　　分析纯

　　氢氟酸

　　分析纯

　　硫酸(95% ~ 98%)

　　分析纯

　　双氧水

　　分析纯

　　光刻胶

　　电子纯

　　四甲基氢氧化铵

　　分析纯

　　氢氧化铵

　　分析纯

　　8 安全操作要求

　　8. 1 用电安全

　　操作过程中严格按照设备操作规程进行操作 ,注意用电安全 , 防止事故发生 。

　　8. 2 化学试剂

　　规范各种酸 、碱以及有机溶剂的放置 。对于以上试剂的操作 ,必须在通风柜内进行 ,并佩戴专用防护用具 ,对于废液采取专用装置进行回收 。

　　8. 3 排废

　　对于废气 、废液的排放应符合《中华人民共和国环境保护条例》以及地方关于环境保护的条例 。

　　9 工艺检验

　　9. 1 总则

　　9. 1. 1 每步工序完成后根据各工序检验要求对工艺结果进行在线检验 。

　　6

　　GB/T 28276—2012

　　9. 1. 2 对于直接影响体硅溶片工艺加工精度的关键工序建立关键工序检验规范 ,按规范进行关键工序专检 。

　　9. 1. 3 建立最终检验规范 ,按规范对于最终形成的 MEMS结构进行检验 ,剔除不符合检验标准的残次品 。

　　9. 2 关键工序检验

　　9. 2. 1 浓硼扩散

　　9. 2. 1. 1 检验目的

　　判定自停止层厚度是否符合要求 。

　　9. 2. 1. 2 检验项目和要求

　　浓硼扩散工序的检验项目和要求见表 4,检验方法可参见表 A. 1。

　　表 4 浓硼扩散工序的检验项目和要求

　　序号

　　检验项 目

　　抽样

　　检验要求

　　1

　　外观检验

　　每批每片 100%检验

　　扩散后表面无合金点 、无破坏点 、无白雾 、表面光洁

　　2

　　自停止层厚度检验a

　　每批抽验 2 片

　　自停止层厚度满足设计要求

　　a

　　该检验方法为破坏性 。

　　9. 2. 2 硅片二次光刻

　　9. 2. 2. 1 检验目的

　　判定硅片二次光刻线宽精度是否符合要求 。

　　9. 2. 2. 2 检验项目和要求

　　硅片二次光刻工序的检验项目和要求见表 5,检验方法可参见表 A. 2。

　　表 5 硅片二次光刻工序的检验项目和要求

　　序号

　　检验项 目

　　抽样

　　检验要求

　　1

　　外观检验

　　每批每片 100%检验

　　要求胶表面均匀 、清洁 、无沾污

　　2

　　光刻线宽检验

　　每批每片 100%检验

　　光刻线宽满足设计要求

　　9. 2. 3 硅片二次干法刻蚀

　　9. 2. 3. 1 检验目的

　　— 判定干法刻蚀后的线宽精度是否符合要求 。

　　— 判定干法刻蚀深度是否符合要求 。

　　9. 2. 3. 2 检验项目和要求

　　硅片二次干法刻蚀工序的检验项目和要求见表 6,检验方法可参见表 A. 3。

　　7

　　GB/T 28276—2012

　　表 6 硅片二次干法刻蚀工序的检验项目和要求

　　序号

　　检验项 目

　　抽样

　　检验要求

　　1

　　外观检验

　　每批每片 100%检验

　　要求刻蚀后表面光洁 、无黑硅

　　2

　　干法刻蚀后线宽检验

　　每批每片 100%检验

　　干法刻蚀后的线宽精度满足设计要求

　　3

　　干法刻蚀深度检验

　　每批每片 100%检验

　　干法刻蚀深度应大于自停止层厚度

　　9. 2. 4 玻璃片金属化

　　9. 2. 4. 1 检验目的

　　判定金属层厚度是否符合要求 。

　　9. 2. 4. 2 检验项目和要求

　　玻璃片二次金属化工序的检验项目和要求见表 7,检验方法可参见表 A. 4。

　　表 7 玻璃片二次金属化工序的检验项目和要求

　　序号

　　检验项 目

　　抽样

　　检验要求

　　1

　　外观检验

　　每批每片 100%检验

　　要求金属化表面致密光亮 、无沾污和划痕 、无波纹状起伏

　　2

　　金属层厚度检验

　　每批每片 100%检验

　　金属层厚度范围 20 nm~ 100 nm

　　9. 2. 5 阳极键合

　　9. 2. 5. 1 检验目的

　　判定阳极键合质量是否符合要求 。

　　9. 2. 5. 2 检验项目和要求

　　阳极键合工序的检验项目和要求见表 8,检验方法可参见表 A. 5。

　　表 8 阳极键合工序的检验项目和要求

　　序号

　　检验项 目

　　抽样

　　检验要求

　　1

　　外观检验

　　每批每片 100%检验

　　要求键合后圆 片 表 面 无 裂 痕 。 使 用 显 微 镜 观 察 键 合 界 面 颜色 ,键合界面颜色 呈 灰 黑 色 为 正 常 , 键 合 界 面 颜 色 发 白 或 有 彩色条纹为不合格

　　2

　　金硅串联电阻检验

　　每批每片 100%检验

　　金硅串联电阻小于 100 Ω

　　9. 3 最终检验

　　9. 3. 1 表面质量

　　显微镜检验 MEMS结构完整 、表面平滑 ,无严重翘曲 、无变形 。 MEMS结构完全释放 , MEMS结

　　8

　　GB/T 28276—2012

　　构与结构之间 、MEMS结构与玻璃基底之间无粘连 。 MEMS结构表面无光刻胶和腐蚀残余物等多余污染物 。

　　9. 3. 2 加工尺寸

　　MEMS结构纵 、横向尺寸满足设计要求 。

　　9

　　GB/T 28276—2012

　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　体硅溶片关键工序检验方法

　　表 A. 1 浓硼扩散工序的检验项目和检验方法

　　序号

　　检验项 目

　　检验方法