1 引 言
微纳米技术发展的关键之一在于微细加工技术的发展。研究微细加工技术与方法是保证微器件特性的重要因素,也是衡量微机械器件质量优劣的关键,因此微细加工技术研究受到广泛的重视[1]。90年代中期,随着深反应离子刻蚀(DeepReactive Ion Etching,DRIE)技术的出现,体硅加工技术[2]的发展获得长足的进步,广泛应用于微传感器[3]、微夹持器[4]、微致动器[5-7]以及其他微结构的加工。体硅工艺发展的特点主要表现为键合与深刻蚀技术的组合,追求大质量、大深宽比以及低应力的三维加工。例如Che-Heung Kim等人利用DRIE与键合技术相结合的体硅工艺成功地研制出了一种二维微动平台[8]。
作者采用体硅工艺成功地研制了纳米级定位平台,并在平台内部集成了位移检测传感器,载物台大小为2 000μm×2 000μm,通过四对折叠梁和弯曲柔性梁支撑在硅片中心。本文分析了定位平台制作过程中的关键工艺,包括大腔体DRIE深刻蚀技术、背片技术等,总结了导致定位平台失效的主要原因,探讨了减少器件失效的方法,同时,给出了一种可行的面内侧壁压阻加工方法。实验测试结果表明平台的制作工艺是切实可行的。
2 定位平台加工工艺
整个定位平台的封装几何结构如图1所示,图2为定位平台局部SEM图片。整个定位平台主要由以下5个部分组成:载物台、折叠梁、柔性支撑梁、侧向平动梳齿静电驱动器和检测梁,其具体结构参数如表1所示。静电驱动器采用侧向平动驱动方式,四对静电驱动器分别实现运动平台沿x、-x、y和-y方向运动。
图2(a)表明8组静电梳齿驱动器给运动平台提供足够大的驱动力,(b)为静电驱动梳齿局部放大图,(c)是检测梁局部放大图,在图中可以看出检测压阻位于梁的根部,(d)为折叠梁局部放大图。
开发并形成兼容于同一套光刻版图、既能基于SOI晶片又能基于Si晶片的定位平台的柔性加工工艺技术,通过不同的工艺集成,就能设计出符合工艺研究内容和目标要求的定位平台的柔性加工工艺流程。本文主要以基于Si晶片加工工艺技术展开分析。定位平台的整个工艺流程共需五次光刻,一次阳极键合来完成。基于Si晶片的定位平台主要工艺流程如图3所示。
工艺步骤具体解释如下:
(1)N型(100)硅片清洗后氧化;
(2)光刻出硼离子注入区域,浓硼扩散,再分布时再生成一层SiO2绝缘薄膜;
(3)光刻出引线孔,用BOE溶液在SiO2上腐蚀出引线孔区域后,在SiO2上溅射一层硅铝;
(4)光刻出引线和焊盘,腐蚀硅铝层形成引线和焊盘,然后合金;
(5)在硅的背面用PECVD沉积一定厚度的高质量SiO2,然后涂胶光刻出背面结构释放窗口;
(6)在BOE溶液中腐蚀出背面结构释放窗口,然后用光刻胶和SiO2作掩模,用DIRE刻蚀出高深宽比的结构释放窗口;
(7)硅-玻璃阳极键合,然后在硅片正面光刻出结构图形,用DRIE刻穿、释放出结构。
3 定位平台制作中的关键技术
3.1 大面积腔体的DRIE刻蚀技术
定位平台使用厚度为430μm的N型硅片,其中结构层厚度为45μm,所以需要从硅片背面刻蚀385μm以形成结构释放窗口,释放窗口结构如图4所示,最小线宽400μm,占空比>60%,如果用湿法腐蚀很难实现图形凸角补偿,所以本文用DRIE刻蚀工艺进行背面刻蚀。
DRIE工艺过程分为“刻蚀”和“钝化”两个步骤。SF6作为刻蚀气体,用SF6来刻蚀硅。在射频源作用下,SF6被离子化成SF+x,在偏置电压的作用下,定向地腐蚀硅。图形底部的钝化层瞬时被打掉,接下来就快速地刻蚀硅;因为侧壁上的钝化层与离子团的轰击方向平行,所以在整个刻蚀过程中基本无损,起到保护侧壁的作用。“钝化”使用C4F8气体,离子化后能生成一种由CF2分子链组成的聚合物,厚度大约10 nm。“刻蚀”和“钝化”两个过程交替进行,就能定向地刻蚀硅。
由于垂直方向的刻蚀速度远大于对侧壁的刻蚀速度,因此可以得到很好的各向异性刻蚀结果。影响刻蚀质量的因素较多,在深刻蚀过程中经常出现横向钻蚀和黑硅等现象。造成横向钻蚀的主要原因是前几个循环周期的刻蚀作用,特别是第一个周期的SF6刻蚀4∶1的各向异性比造成线宽的横向损失,因而控制前几个周期的气体流量等参数可以有效抑制横向钻蚀。
在反应过程中如果硅片散热不好,使CXFY自由基不易形成有效的保护层,在下一个刻蚀过程中,腐蚀性离子有可能在射频功率和偏压电场下击穿保护层,在侧壁和底部形成刻蚀微区,随着反应时间延长,这种刻蚀不均匀性将被加强,在侧壁和底部形成毛刺,亦即黑硅现象。此外,由于刻蚀窗口大小使刻蚀离子与硅表面碰撞概率不同,会导致滞后效应(Lag Effect)以及微负载效应(Micro Loading Effect)。
因此,在DRIE过程中,温度、硅片表面清洁程度、掩模、腐蚀气和保护气的流量及功率等因素都会影响最终的刻蚀质量,同时在结构设计中,线宽尽量不要相差太大,便于保证刻蚀速率均匀,为整个器件的加工质量创造条件。定位平台释放窗口刻蚀中最重要的是控制好刻蚀表面质量和平整度,这些直接影响到器件结构厚度方向的加工尺寸及器件的静态与动态特性。通过调整刻蚀和钝化时间、气体流量以及功率,最终成功加工出满足要求的释放窗口,如图5所示。
3.2 深刻蚀背片技术
在定位平台加工过程中,需要用DRIE工艺几乎将硅晶片刻穿,为防止在这种超大深度刻蚀过程中发生碎片,必须采用背片方法,把刻蚀片与背片粘在一起,背片对被刻蚀片起支撑作用。背片的一种常用方法是采用导热胶将被刻蚀片与背片粘在一起,导热胶的优点是被刻蚀片与背片之间的导热性能比较好,可以保证刻蚀速率的均匀性,但刻蚀后清除干净很困难,而器件表面要作为正面结构释放使用,对表面洁净度要求很高,因此需要研究其他粘片的方法。
在刻蚀释放窗口过程中采用光刻胶进行粘片,光刻胶的导热性虽然差一些,但是光刻胶粘背片进行DRIE刻蚀后,可以很容易地把被刻蚀片与背片分开并且能够保证被刻蚀片涂胶面的表面质量。实验表明,粘片光刻胶的厚度影响刻蚀表面的平整度。一般是胶越厚,片子粘的越牢固,刻蚀速率越慢,表面平整度就越好,但是,如果胶的厚度超过一定限度,刻蚀表面很容易出现长草现象,从而影响刻蚀的继续进行。例如1.3μm厚光刻胶粘片时,刻蚀速率比较快,但是刻蚀表面平整度较差,有时会出现碎片。图6(a)和(b)分别为2.3μm厚度光刻胶与5μm厚度光刻胶粘片时DRIE深刻蚀后被刻蚀面的底部状况,图片由精度为0.1μm的精密测量显微镜STM6拍摄,放大倍数取50。由图中可以看出,5μm厚光刻胶粘片时,被刻蚀表面的长草现象比较严重,而2.3μm厚光刻胶的导热性能对DRIE深刻蚀的影响比较小,具有更好的刻蚀效果。
刻蚀完成后,背片与被刻蚀片的分离可以通过泡丙酮溶液或者有机去胶液的方法去除,如果被刻蚀片结构强度足够的话,加超可以声更快。
3.3 硅片质量的影响
硅片质量也会影响加工质量和器件性能,例如厚度不均匀的硅片不仅在硅-玻璃键合过程中容易产生碎片,而且对加工后的器件静态和动态特性都有影响。因此,对硅片的选择应该选取平整度比较好的硅片进行工艺加工,这样有利于提高加工的成品率和定位平台的性能。
3.4 结构释放技术
如图1所示,定位平台结构尺寸比较大,而用DRIE刻蚀技术释放这种结构时表现出的特性是刻蚀速率的不均匀性,局部区域刻蚀很快,这就导致了硅晶片中,同一个器件局部过刻蚀比较严重,很难保证器件的成功率,主要表现为定位平台的载物台坍塌和部分驱动梳齿刻烂掉。实验表明,即使把硅晶片划成四分之一片后进行结构释放,效果也不是很好。为了解决这一问题,定位平台结构释放中采用了分步加工释放的办法进行刻蚀控制。即把整个硅晶片用S1912光刻胶做掩模,采用DIRE刻蚀释放结构到一定程度后划片,然后再对单个器件或4个到5个器件用光刻胶粘在圆晶片上,依靠前几步工艺形成的氧化层作掩模,如图3所示,进行结构的二次释放。实验表明这样做更有利于提高器件结构释放的成功率,图7和图2为用该方法释放后的器件实物图和定位平台局部SEM图。
3.5 检测梁侧面压阻加工技术
定位平台采用侧向平动梳齿静电驱动结构实现平台的x、y运动,同时利用集成在器件上的压阻传感器检测回来的位置信号实现平台的闭环控制,从而进一步提高平台的定位精度和柔性控制能力。图8是制作面内垂直侧壁表面压阻的工艺示意图。面内侧面压阻加工方法具体解释如下:
(1)在硅片上旋涂1.3μm的S1912光刻胶,光刻出压阻图形。
(2)带氧化层注入B离子,制备P型压阻,注入能量为50 keV、剂量为,去胶后在1 000℃,氧气中退火50 min,可获得结深为0.82μm的P-N结,且掺杂浓度超过10-19/cm3,能够与Al引线形成良好的欧姆接触。加工后压阻阻值大小为650Ω。
(3)涂胶光刻出检测梁的宽度,其中部分压阻保留在检测梁上(如图8(c)所示),然后用DRIE刻蚀出检测梁,同时刻蚀掉多余的压阻,从而形成垂直侧壁表面压阻,加工后实测压阻阻值为4.2 kΩ。
4 平台性能测试
利用CASCADE探针台对加工后的压阻进行测试,测得常温下压阻的阻值为4.2 kΩ,击穿电压为75 V。利用精密测量显微镜STM6对定位平台输出位移进行标定,其中STM6分辨率为0.1μm,测得当驱动电压取23.68 V时,平台输出位移达到10μm。平台的定位精度标定采用纳米压痕原理,利用扫描探针显微镜(SPM)结合可加热探针进行标定,标定结果表明,平台定位精度优于20 nm。
5 结 论
本文介绍了一种基于体硅工艺的定位平台制作工艺,并对定位平台制作过程中的一些关键技术进行了分析和研究。在器件结构释放加工过程中采用分步加工的办法成功制作了大尺寸的定位平台,同时提出了一种有效可行的面内垂直侧面加工压阻的方法,实现了平台的闭环控制,从而进一步提高了平台的定位精度和柔性控制能力。整个载物台大小为2 000μm×2 000μm,通过四对折叠梁和弯曲柔性梁支撑在硅片中心。有效驱动电压取23.68 V时,定位平台最大单轴输出位移为10μm,运动平台的定位精度优于20 nm;室温下压阻传感器的阻值为4.2 kΩ,击穿电压为75V,在平台输出位移为10 nm时,检测梁上压阻器件的灵敏度(电阻相对变化)达到了3.6×10-5。
参考文献:
[1] 李勇,李玉和,李庆祥.基于体硅工艺的静电致动微夹持器制作工艺分析[J].光学精密工程,2003,11(2):109-113.
LI Y, LI Y H, LI Q X. Fabrication process analysis for electrostatically actuated microgripper based on silicon bulkmicromachiNIng [J].Opt. Precision Eng., 2003, 11(2):109-113. (in Chinese)
[2] GREGORY T A K, NADIM I M, KURT E P. Bulk micromachining of silicon[J].IEEE,1998,86(8):1536-1551.
[3] YANG Z X, LI X X, WANG Y L,et al.. Mico cantilever probe array with integtation of electro-thermal nano tipand piezoresistive sensor[C].Proceedings of the2003IEEE International Conference:830-833.
[4] 王家畴,荣伟彬,孙立宁,等.基于MEMS技术的集成式微夹持器研制[J].光学精密工程,2007,15(4):550-556.
WANG J CH, RONG W B, SUN L N,et al.. Development on a micro-gripper integrating force sensor based onthe MEMS technology[J].Opt. Precision Eng., 2007, 15(4):550-556. (in Chinese)
[5] GU L, LI X X, BAO H F,et al..Single-wafer-processed nano-positioning XY-stages with trench-sidewall mi-cromachining technonogy[J].J.Micromech. Microeng.,2006,16:1349-1357.
[6] LEE C S B, HAN S, MACDONALD N C. Single crystal silicon(SCS) XY-stage fabricated by DRIE and IR align-ment[C].Proceedings of the2000IEEE Conference on MEMS, No.00CH3608.
[7] SUN L N, WANG J CH, RONG W B,et al.. Analysis and design for the nano-positioning XY-stage based on theMEMS technology[C].Proceedingsof the2007IEEEInternational Conference on Mechatronics and Automation,Harbin, August2007:1489-1494.
[8] CHEN H K, YONG K K. Micro XY-stage using silicon on a glass substrate [J].J.Micromech. Microeng.,2002,12(2):103-107.
[9] 尤政,张高飞,林杨,等.MEMS固体化学推进器设计与建模研究[J].光学精密工程,2005,13(1):112-117.
YOU ZH, ZHANG G F, LIN Y,et al.. Design and modeling of MEMS-based solid propellant propulsion[J].Opt. Precision Eng., 2005, 13(1):112-117. (in Chinese)
作者简介:王家畴(1979-),男,博士研究生,主要从事微纳米定位、驱动技术及微纳操作等方面的研究。E-mail: jiatao_wang@163.com
孙立宁(1964-),男,博士生导师,长江学者,主要从事纳米级微驱动及微操作机器人、高速高精度机构、工业机器人技术、并联机器人、医疗机器人、微小型机器人、仿人手臂及机器人机构与控制方面的研究工作。E-mail:lnsun@hit.edu.cn
