埋层腔体型SOI(C-SOI)晶圆是一种尖端的SOI技术,其支撑衬底晶圆包含预刻蚀腔体。这些腔体,有时也被称为图形,面朝内粘合,从而在晶圆内形成埋层式腔体。这些在微机电系统(MEMS)技术中有许多应用,与体硅微加工工艺以及传统SOI技术相比具有诸多优势。该技术的一个主要优点是降低了SOI晶圆器件和处理层之间的寄生电容。这将使器件更加有效地运行。只要控制其他变量,采用更深的空腔和更小面积的键合区可以进一步减少寄生电容。

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C-SOI制造工艺:

埋层腔体型SOI制造与更传统的SOI制造略有不同,因为腔体的形成会带来不同的优点和潜在缺点。该工艺主要针对MEMS行业的使用进行了优化,尽管它存在改善一系列应用中设备功能的潜力。

在某些情况下,腔体中会刻蚀出凸块以改善总厚度变化(TTV)和器件功能。包括凸块会产生更高质量的顶层硅(腔体上的硅层),并改善腔体的均匀性,而更大的长宽比可改善器件性能以及光刻过程中的工艺控制。由于腔体的尺寸会改变器件层的减薄能力,包括凸块会影响晶圆的TTV和完整性。如果这些未明确界定,可能会影响共振特性,导致基板的不同区域以不同的振幅振动,从而可能导致极高的TTV、器件故障和破损。

分步工艺流程:

  1. 制备裸硅基板
  • 制备始于清洁,以去除制备过程中可能产生问题的任何表面颗粒。

2. 在支撑基板上涂覆光掩模,以界定将刻蚀到晶圆中的腔体

  • 为了创建图形,将等离子体聚合物薄膜涂覆于基板上。在此步骤中,如果要使用凸块,也要对其进行界定。对于许多项目,使用凸块将允许更深的腔体和更大的长宽比,同时限制刻蚀或二次加工期间可能出现的缺口和其他问题的风险。

3. 深反应离子刻蚀(DRIE)去除材料以形成腔体,然后进行光刻胶剥离

  • DRIE刻蚀去除非常精确数量的硅,以创建由光掩模界定的腔体。光掩模未覆盖的区域通过离子轰击进行刻蚀,以形成所需的腔体。在此步骤中,将支撑柱切割到空腔中。DRIE是最常见的工艺技术,因为它具有高刻蚀速率均匀性和整体简易性。由于需要液体刻蚀剂,随着技术的发展,该工艺将继续优化。
  • 刻蚀速率从0.8μm/min到1.25μm/min不等,具体取决于腔体的宽度和长宽比。刻蚀腔体后,剥离光掩模,留下有图形的晶圆。

4. 清洁基底

  • 刻蚀晶圆后,清除任何可能残留的多余硅和光刻胶至关重要。这可以防止粘合过程中出现问题。

5. 绝缘层沉积

  • 热氧化层(或替代性绝缘体)可在刻蚀之前或之后沉积,在某些情况下,根据项目的要求,前后均可以。如果在刻蚀前进行氧化层沉积,那么刻蚀会穿过氧化层,直至基底;刻蚀可能也会去除一些底层基板。这可能会导致腔壁没有任何绝缘体保护,具体情况取决于深度。
  • 当氧化层在刻蚀后增长时,腔角处会形成小凸起。凸起的高度范围为5-20μm,随绝缘膜的厚度而变化。由于二氧化硅形成特性,这也会使所有腔角略微变圆。

6. 与密封帽片(SOI晶圆的器件层)键合

  • 为了达到最佳效果,CSOI晶圆在真空中直接键合。这些晶圆是用水或类似的中性材料键合的,然后在1100°C下退火2小时以固化键合。退火后,没有键合剂促进晶圆之间的键合。在真空中进行此操作有助于防止腔体内多余的空气和其他污染物。这也有助于在减薄盖晶圆时保持一致性,因为腔体内的压力均匀作用在整个基板上。

7. 使用CMP/KOH(氢氧化钾)刻蚀法减薄顶部(器件)晶圆

  • 盖晶圆必须减薄至所需的器件层厚度。这是CSOI制造中最不稳定的步骤,因为减薄速率和质量在很大程度上取决于粘结质量以及腔体的物理特性。通常在这一阶段,硅膜片会发生振动,在这些区域产生可变的TTV。在真空中进行先前的制造步骤有助于防止可能出现的许多问题。

8. 二次加工,取决于应用场合和器件规格

  • 与更传统的SOI相比,CSOI晶圆可在制造后进行二次背面加工。这意味着极薄的薄膜、精细的表面结构、金属膜堆叠件,以及比传统SOI晶圆更多的设计自由度。

C-SOI晶圆的优点:

  • 在不影响精度或质量的情况下降低器件成本。
  • 缩小器件尺寸。腔体的加入使得极薄的衬底/埋层/器件层成为可能。
  • 键合图形化晶圆可实现SOI层的双面加工,并在微观力学领域开辟许多可能性。

应用:

预刻蚀SOI晶圆是一个可用于各种垂直和水平移动结构的合适平台,例如电容式惯性传感器、压力传感器、麦克风和微流路器件。

虽然目前大多数应用都在MEMS和传感器领域中,但这些晶圆可以改善任何SOI晶圆的应用。

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