基于mems微加工技术的深电隔离槽的研究

基于mems微加工技术的深电隔离槽的研究

1体硅微机械封装安全性近年来，微型计算机系统（ss）是一项高科技集成技术。采用先进的半发射技术，将整个机器结构和电路整合到芯片中，能够收集、处理信息并执行指令。在体积、重量、价格和功耗方面，与传统的机械结构相比具有明显的优势。因此，该系统在航空航天、军事、医学、汽车等行业得到了广泛应用。但是,由于微机械加工工艺与传统的IC工艺之间的工艺兼容性问题,目前大多数MEMS器件还只有微机械结构部分,并没有把电路和MEMS结构集成在同一个芯片上。90年代中期,UC-Berkeley用表面微加工工艺制造出了第一个表面集成微机械陀螺仪,将读出电路和微机械结构集成在同一个芯片中,大大提高了微陀螺仪的工作性能。但是表面微机械器件有许多缺点,如质量块小、薄膜应力问题和牺牲层释放问题等,因此,开发可以获得大质量块的体硅集成工艺技术十分重要。传统的体硅工艺与IC工艺不兼容,主要问题是很难实现体硅微机械部分与电路部分的电隔离,即如何形成理想的隔离槽。本文设计了一种深槽绝缘新技术,用DRIE技术在硅片上进行大于80μm的深槽刻蚀,再进行绝缘介质的填充,得到了具有很高深宽比的隔离槽结构。这项工艺对体硅MEMS集成技术的开发研究有重要的应用价值。2深槽和热氧化硅过分刻蚀为了能够满足体硅集成MEMS器件的应用,隔离槽必须满足以下要求:1.槽需要足够深(20~100μm),以便获得较大的质量块。2.隔离槽要有很高的深宽比(大于25∶1),即隔离槽不能太宽,以保证介质对隔离槽的填充。3.隔离槽要填满,不要出现空洞,以保证隔离槽有足够高的绝缘特性和机械强度。基于以上考虑,我们设计了一套工艺,主要分为三部分,首先利用DRIE的方法对硅片进行深槽刻蚀,形成高深宽比的硅槽,再进行热氧化或LPCVDSiO2,在沟槽侧壁形成氧化硅绝缘层,最后用LPCVD的方法回填多晶硅介质,形成最终的隔离结构。实验用4英寸p型<100>硅片;DRIE刻蚀设备是用英国STS公司的multiplexICP高密度反应离子刻蚀机,该设备采用先进硅刻蚀ASETM(AdvancedSiliconEtch)工艺;基于侧墙保护原理,把刻蚀和钝化分成两步,用SF6作为刻蚀气体,C4F8作为聚合物产生气体,刻蚀与聚合交替进行,直到所要求的刻蚀深度为止。通过这种周期性方式,可以很好平衡刻蚀和钝化,更好控制各向异性,可以获得很高深宽比的深槽。具体工艺过程如下:首先采用厚光刻胶做掩膜(约3μm),光刻定义出2μm宽的隔离槽图形。用ICP设备进行深槽刻蚀,注意调整刻蚀条件以达到最佳的槽的形状,要求侧壁光滑、形状为口大底小的U形槽,以便于下一步绝缘介质的填充。硅槽刻蚀完成后,进行高温热氧化或LPCVD淀积,形成500nm的SiO2做为绝缘层。最后用LPCVD淀积2μm左右的多晶硅进行填充。3rie工艺进一步改进图1(a)是隔离槽的剖面显微镜照片,从照片可以看出填充效果不是很理想,由于槽的形状控制得不好,开口比槽中间部分小,所以在填充多晶硅的时候,多晶硅在开口处首先填满,并且封闭了隔离槽,使再淀积的多晶硅不能填充到隔离槽内部,在槽的中部产生空洞,如图1(b)所示。槽内部的空洞将影响隔离特性,并且使MEMS结构区与电路区的机械连接不牢。所以,没法避免空洞的产生,至少应尽量减小空洞的大小。为解决隔离槽内的空洞问题,我们在DRIE后增加了一步工艺,即用RIE方法对开口处进行调整,以达到使开口增大的目的。选择RIE进行开口形状调整的原因是因为RIE不采用ICP刻蚀的交替刻蚀方法,所以RIE的各向异性没有ICP刻蚀方法的好,刻蚀作用距离也没有ICP的深,一般不超过10μm。因此,选用RIE进行刻蚀可以保证刻蚀作用仅在开口处进行,对开口处槽的侧壁进行适当的横向刻蚀,从而达到仅仅使开口处变大而保证槽的底部形状不变的目的。图2是我们为此做的一个单项实验的结果。图2(a)是未用RIE进行开口实验的深槽剖面图,从图中可以看出开口比较小。通过对ICP刻蚀条件的调整可以改善开口处的形状,但是效果不是很理想。图2(b)是进行RIE处理后的情况,采用的是各向异性刻蚀多晶硅的条件,功率为100W,压力是10.66Pa,刻蚀时间为3min。可以看出进行RIE处理后,开口处增大了许多,同时槽的中部和底部仍然保持原有的形状不变,因此达到了控制开口形状的目的。图3(a)是经过RIE处理和改变ICP刻蚀条件后的显微镜照片。从图中可以看出经过RIE处理后的填充结构有了明显的改善,已经填满到深槽的一半以上的位置,如图3(b)所示。仍没有填满的原因是开口处还不够大,因此需要进一步增加RIE刻蚀的时间,直到完全填满为止。通过改进ICP的刻蚀条件和RIE的后处理,我们制造出了能满足体硅MEMS集成的隔离槽,槽宽3.6μm,槽深85μm,深宽比接近25∶1,基本符合应用的要求。4用icp刻蚀调整形状的方法来制造隔离槽结构本文应用DRIE刻蚀技术、热氧化技术和多晶硅填充技术实现了大于80μm深的高深宽比隔离结构。在多晶硅填充的过程中,经常会在槽的中部出现空洞,为了避免空洞的出现,本文提出了在ICP刻槽后再用RIE刻蚀调整形状的方法使隔离槽的开口适当变大,从而避免了空洞的产生。实验结果表