利用标准CMOS工艺批量制造光微机电系统

2003年09月27日

在芯片制造中广泛采用的生产技术如CMOS??S工艺可以用来批量生产MEMS器件,这样不用更新设备,材料也是标准的。但MEMS也有其特殊性,只有在设计过程中考虑CMOS制造特性才能充分实现CMOS工艺带来的好处。本文从MEMS结构出发介绍制造中可能出现的问题,并提出解决方案。

光通信行业近来的持续低迷,给光纤系统供应商和子系统制造商带来了越来越大的压力,他们需要尽快确定技术与服务今后的发展方向,以最低的成本向电信运营商提供新一代网络。这些方向必须要考虑到复杂的动态光网络发展趋势,它要求更高数据传输速率、更大频谱密度,并广泛引入动态重配置能力。

从发展趋势来看,光微机电系统(MEMS)已成为推动系统从固定配置转变为动态配置最有希望的技术。由于其具有尺寸小、伸缩性、鲁棒性和可靠性好等优点,系统集成商现在已开始采用光微机电系统在光纤网络中执行高级光交换。

事实上,MEMS技术由于本身的优点促使其在过去10年里走出研究实验室,在许多消费类产品中得到了大量的应用。早期应用集中于汽车和传感系统,主要的MEMS产品有加速度计和压力传感器。而现在,基于MEMS的器件有望得到与半导体器件一样广泛的应用。

随着MEMS开始进入市场,半导体制造商也开始从MEMS制造中获得额外一份收入。制造商们认识到,广泛用于芯片制造的生产技术特别是CMOS工艺可以用来大批量生产低成本MEMS器件,不过从事光微机电系统开发的公司发现,只有在设计过程中考虑到CMOS制造特性才能充分实现CMOS工艺带来的好处。

大批量带来低成本

CMOS工艺最大的优点在于它采用的是标准材料和工艺,这使半导体制造商能够确保低成本和高产出率,这两点对光微机电系统产品获得成功是很关键的。因此,许多MEMS厂商都对他们的设计和加工工艺进行了优化,确保能与CMOS制造方法相兼容。

与CMOS工艺相结合使光微机电系统制造商能够充分利用标准化生产带来的规模效益。首先,制造设备和材料肯定比定制生产要便宜得多,在某些场合,可以用现有制造设备来加工MEMS。其次,采用CMOS设计和材料会使MEMS产品具有更优异的性能和可靠性。

不过,用标准CMOS生产环境制造MEMS也会带来一些特殊的制造挑战。第一,与大部分半导体芯片相比,许多MEMS器件要用到更为复杂的材料与分层；第二,构建MEMS结构常常需要专门的工艺,而这些工艺不容易集成到半导体工厂里。

由于这些原因,许多元器件厂商将自己的MEMS产品交给小批量代工厂或大学的样机实验室进行加工。但是这些小批量MEMS加工设备与大批量生产的CMOS制造工厂并不完全兼容,而且由于批量小和缺乏工艺控制,会导致产品在工作特性、关键尺寸、材料性质和器件成品率等方面产生差异。

MEMS内部结构

要认识MEMS技术带来的制造挑战,首先必须了解MEMS器件的结构和工作原理。图1是一个折射空间调节器,它可以改变激光折射或反射的数量。Silicon Light Machines公司开发的这种可调光栅叫做光栅阀(Grating Light Valve),由悬在气缝上的静电驱动器阵列(又称为“丝带”)组成。这些丝带由表面镀铝的氮化硅制成,相互之间间隔只有几分之一微米,这样可以使插入损耗最小。

加工这种微小的机械器件需要多层多晶硅作为释放层,另外还要氮化硅作为活动部件及反射层和金属连接部分(见表1)。所选择的能满足器件多种物理特性的材料决定了MEMS元件的可靠性、产量和成本。

有些器件需要普通标准CMOS制造所不用的生产材料,同时还要可能会影响器件产量和废品率的专门处理和加工工艺。这些特殊工艺包括用金作为反射层,这与CMOS制造不能兼容,因为它在硅中掺入了金,另外还有用于“湿式释放”工艺的高产量生产设备。

除了特殊材料之外,有些MEMS器件还需要定制加工工艺,而它不太容易集成到半导体工厂里(见表2)。这些特殊工艺可用来提高器件的性能,但由于生产周期长、缺少工艺自动化或者由于工艺控制和材料特性差异而会影响产量,使得这些工艺成本很高。

大多数MEMS器件在加工时采用多晶硅作为活动部件,使用一个或多个氧化物释放层,用氮化硅作为隔离层,并用金属作为反射器和内部连接。MEMS加工中一个特殊的难题是“释放”,在这个处理过程中,氧化硅牺牲层被溶解,由产生的空隙将器件中不同部件分开。

许多MEMS器件,包括静电悬臂、偏转镜和扭转调节器在内,都采用湿式化学工艺溶解牺牲层进行释放。该工艺通常在单块MEMS晶片而不是在整个晶圆上进行,此时由于静摩擦的原因很容易引起成品率下降。静摩擦是指两个相邻表面粘合在一起,是因两个微小结构之间液体干化产生毛细作用力所引起,这种力使可变形微结构产生接触。研究表明,当表面偏离到接触点时,范德华力会使憎水面产生静摩擦。大部分MEMS器件都是采用氧化物牺牲层加工而成,通常用含水氢氟酸溶解氧化物牺牲层作为释放方法。

另一种方法是采用无水氢氟酸释放具有氧化物牺牲层的MEMS器件,但它仍需要水蒸气来启动释放过程,而且无水氢氟酸工艺也会产生腐蚀性残留物,有可能破坏金属层。

超级临界CO₂可用来干化经过湿化学处理的已释放MEMS器件,从而降低静摩擦可能性。CO₂工艺的缺点是需要专门的设备,有一个额外的设备成本。更好的选择是采用干蚀刻工艺,它在加工时无需进行湿化学处理,消除了释放过程中产生静摩擦的可能。Silicon Light Machines公司开发出一种用于释放光栅阀器件的专用晶片级蚀刻工艺,与牺牲层材料蚀刻率相比,这种工艺对氮化硅、氧化硅和铝表现出特别优异的蚀刻选择性。