SiC微加工工艺及其在高温电容压力传感器中的应用研究进展

余开庆， 程 萍,， 丁桂甫， Roya MABOUDIAN， 赵小林， 姚景元

(1.上海交通大学 微米/纳米加工技术重点实验室,上海 200240;2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院 微纳电子学系,上海 200240;3.美国加州大学伯克利分校 伯克利传感器与执行器中心,美国 加州 94720)

0 引 言

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料，具有高击穿电压、高热导率、高机械强度、高温稳定性、高耐腐蚀性和抗辐射性能等特点[1～4]，能在高达1 200 ℃的高温恶劣环境中稳定工作，且与集成电路(IC)工艺兼容，在极端环境的微机电系统(MEMS)应用中，成为Si的首选替代材料。常见的碳化硅晶相主要有3种：3C-SiC(又称β-SiC)，4H-SiC和6H-SiC。其中，3C-SiC是唯一一种立方晶型的碳化硅，而4H-SiC和6H-SiC是常见的六方型α-SiC。本文对SiC材料的薄膜沉积、刻蚀、减薄、键合、欧姆接触等微加工工艺进行了综述。

1 SiC微加工工艺研究进展

1.1 SiC薄膜沉积工艺

用于SiC薄膜沉积的工艺主要有化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)和离子束溅射沉积(ion beam sputtering deposition,IBSD)。

1)CVD工艺

CVD工艺包括常压CVD(atmospheric pressure CVD,APCVD)、低压CVD(low pressure CVD,LPCVD)和等离子体增强CVD(plasma enhanced CVD,PECVD)。其基本原理都是利用气态的碳和硅元素在腔室内发生化学反应，生成SiC沉积在衬底上从而形成一层SiC薄膜。通常，碳元素由短链烃提供，如丙烷(C3H6)或甲烷(CH4)等，硅元素一般由硅烷(SiH4)提供，APCVD和LPCVD反应的气氛一般是采用氢气(H2)[5]，而PECVD采用氩气(Ar)[6]。同时，反应温度亦存在差异，APCVD和LPCVD的反应温度较高，一般为1 300～1 400 ℃[7]，而PECVD依靠辉光放电原理激发反应，温度可低于600 ℃[3]。2009年，加州大学伯克利分校[8]用LPCVD方法，利用分子中直接有Si-C键的甲基硅烷(SiH3CH3)作为主要反应物质，在700～850 ℃下，通过控制反应参数(气压、温度和反应物浓度)，获得了残余应力低至196 MPa的高品质SiC薄膜。2012年，Zhang S等人[9]利用六甲基乙硅烷(Si(CH3)3-Si(CH3)3)作为反应物质，利用100 W的激光诱发反应，在1 000 ℃下获得了40 μm/h的沉积速度，快于传统CVD方法的10倍以上。

2)IBSD

IBSD生成SiC薄膜的基本过程一般是将被电离的氩离子从离子源加速轰击SiC靶材，SiC分子被撞击后脱离靶材表面，在真空中沿直线运动到基底表面，从而在基底上形成一层SiC薄膜。2011年，苏州大学的Jin C G等人[10]在此基础上，增加了一束辅助氩离子束轰击衬底，轰击SiC靶材的主离子源能量为800 eV，而辅助离子源的能量在0～150 eV之间变化，同时利用冷却水系统给衬底降温，在室温条件下沉积了无定形的SiC薄膜，结果显示，沉积的SiC薄膜与基底的结合强度增加，因为辅助离子束轰击衬底打乱了其原有的化学结构，更利于SiC分子的沉积附着。

1.2 SiC刻蚀工艺

因为碳化硅中的Si-C结合力非常强，化学性质非常稳定，故半导体工艺中硅常用的湿法刻蚀工艺对碳化硅基本无效，只能采用干法工艺进行刻蚀。常用的SiC干法刻蚀工艺主要有感应耦合等离子体刻蚀(inductively coupled plasma etching，ICPE)和反应离子刻蚀(reactive ion etching，RIE )。

1)ICPE

ICPE的基本原理是气体在电磁场中启辉成为等离子体，然后在偏置电场的作用下加速垂直轰击SiC基片，并与SiC反应生成挥发性的物质，从而带走SiC达到刻蚀的目的[11]。该刻蚀方法具有设备简单易操作、刻蚀速度较快和大面积均匀性好等优点[12]。常用的反应气体是SF6或者CFx等含氟基的物质，一般还会有O2和Ar掺入来改良反应的速率和SiC表面形貌[13]。常用的掩膜材料有光刻胶、铝和金属镍等，当刻蚀较深时，为避免掩膜层被侵蚀，应该采用镍作为掩膜层。影响刻蚀速率的因素主要有气体配比及流速、腔室内压力、气体形成等离子体所需的电磁场功率和偏置电场功率等[14]。2015年，王进泽等人[15]用配比为11︰2︰13的SF6，O2和氢溴酸(HBr)作为反应气体，得到了536 nm/min的较高刻蚀速度，同时实现了较好的SiC孔表面质量。

2)RIE

RIE的基本原理和ICPE刻蚀相类似，使用的反应气体常用SF6或者CFx掺入O2。由于SiC硬度较大且离子浓度较低等原因，RIE的反应速率比ICPE刻蚀慢[16]。徐俊平等人[17]利用60 %的C2F6和40 %的O2在80 mL/min的流速、40 mTorr(1 mTorr=0.133 Pa)的压力和350 W的功率下得到了最大的刻蚀速率为125 nm/min。2011年，严子林等人[18]在刻蚀开始之前先用O2对SiC片进行刻蚀清洗10 min以提高其表面光洁度，然后以110 nm/min的速率刻蚀500 min，得到了61.7 μm的刻蚀深度并得到的刻蚀表面光洁度非常高。

1.3 SiC减薄和抛光工艺

碳化硅的应用厚度一般为几微米至几十微米，除了前述的CVD和IBSD，也可以通过减薄和抛光工艺获得几十微米厚的碳化硅薄膜。商业碳化硅晶圆厚度一般为300 μm左右。要达到快速减薄的目的，一般先采用机械磨削的方法，如利用金刚石砂轮[19]或球磨铸铁磨盘[20]对SiC基片进行磨削，将其快速减薄到100 μm左右的厚度。然后，对磨削面进行抛光处理以提高其表面质量，同时采用化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)工艺将晶片厚度缓慢降低至设计的膜厚。CMP技术是在研磨浆料作用下，同时发生机械研磨和化学腐蚀的抛光工艺，可将平面粗糙度降至亚纳米级别。影响磨削和抛光速率的因素主要有研磨压力、磨盘转速和研磨液的浓度及成分等[21]。其中研磨液的成分被广泛研究，一般采用碱性研磨液，因为在碱性环境中硅元素能被溶解成硅酸盐[22]，易于去除。2014年Shi X等人[23]利用含有双氧水和不同粒径大小SiO2磨料的碱性研磨液对4H-SiC晶圆进行磨削，发现小粒径的SiO2磨料能实现较好的表面质量但磨削速率低，而大粒径的SiO2磨料能实现较高的磨削速度，但表面质量较低，所以如何处理好两者之间的平衡至关重要。

1.4 SiC键合工艺

SiC键合方案主要有间接键合和直接键合两种。间接键合即在碳化硅片中间加填充物，例如SiO2、磷硅酸盐玻璃(phosphosilicate glass,PSG)、高温陶瓷胶等绝缘材料以及镍等金属材料，该方法的优点是易于操作，键合条件易于实现[24～26]。对于电容式压力传感器，两块极板之间要做物理绝缘处理，故PSG和SiO2作为绝缘中间层在器件制作中较为常见。2014年，张德远等人[27]利用20～30 μm的高性能陶瓷胶作为中间层实现了强度达到4 MPa的碳化硅键合；2015年，Mu F等人[28]利用“Fe纳米层-Si-Fe纳米层-Si-Fe纳米层”作为中间层，在常温下完成了SiC的键合，其键合强度高达32 MPa以上。近年来，直接键合方法发展也很迅速，在对SiC晶片表面进行处理后直接在高温下进行压合再退火，可以在更高温度(1 200 ℃以上)下应用[29]，带绝压腔的SiC片直接键合的工艺步骤和机理都有了进展。如2017年，Liang T等人[30]得到了最佳的加载压力和退火条件的参数，在1 300 ℃的退火温度、3 h的退火时间和2 MPa的加载应力条件下，得到了最佳力学性能的键合产物，键合强度超过2 MPa，并且研究了相关键合机理。

1.5 SiC欧姆接触与引线工艺

为了引出SiC传感器的电信号并进行测试，需要在SiC表面形成导电金属层，即欧姆接触。金属材料与SiC芯片接触形成一个纯电阻器，在恶劣环境中其电阻值的大小受到环境的影响容易发生变化而形成噪声，对正常信号的测量产生了很大的干扰，故该电阻值应控制尽可能小。目前在欧姆接触方面的研究工艺参数差异较大，所用材料主要是Ni，Ti，Pt，W，TiN及其化合物以及这些材料组合而成多层堆叠结构，得到的接触电阻值大小也参差不齐[31]。2013年程伟[32]以Ti/TiN/Pt为电极，厚度分别为50,100,150 nm，退火后比接触电阻值小于 。2015年加州大学伯克利分校通过在N型SiC和Pt/Ti之间引入致密的纳米晶石墨碳，发现Pt/Ti/SiC 欧姆接触在高温下的长期稳定性得到很大改善[33]。现在存在的主要问题是接触电阻值随温度的升高而增大，这主要是由于在高温下材料界面处会出现氧化和扩散现象。目前大多数学者报道的SiC基底上的欧姆接触使用温度只有600 ℃，这正是制约SiC高温器件发展和应用的瓶颈之一。

综上所述，近几年SiC材料的微加工工艺和相关技术将日趋成熟，这必将推动碳化硅在高温MEMS器件及高功率微电子工业上的应用。

2 SiC在高温电容压力传感器中的应用研究进展

电容压力传感器基本组成是2块极板构成的电容膜片，分别作为固定端和移动端。当外界压力施加在移动端时，膜片变形导致两极板间的间距变短，电容值增大，可以通过测量电容值的变化来感知外界压力。在移动端极板受压发生足够大形变的过程中，随着压力的增大，电容值的变化通常可以分为非接触区域、过渡区和接触区3个阶段[34]。其中，非接触区(压力0～1.5 bar(1 bar=0.1 MPa))和接触区(压力2～12 bar)的输出线性度均比较好，灵敏度近似为常数，而在过渡区，输出线性度较差[35]。在接触区，传感器能有较大的工作范围和较高的线性度输出并能够起到过载保护的作用。

关于SiC电容式高温压力传感器，美国凯斯西储大学有较系统的研究。2004年，凯斯西储大学制备了接触式的腔室尺寸为800 μm×2 μm的碳化硅电容式高温压力传感器[36]，其制作工艺是在硅衬底上利用APCVD沉积一层500 nm厚SiC薄膜，利用PSG作为中间层与SiC衬底键合，再用四甲基氢氧化铵(tetrame thylammonium hydrecide,TMAH)除去之前的硅衬底而得到传感器，在400 ℃和0.15～0.23 MPa的条件下测得灵敏度为398 fF/psi(1psi=0.006895MPa)。2008年，又制备了腔室尺寸为194 μm×1.4 μm的全SiC材料的高温压力传感器[37]，主要制作步骤为：使用低温氧化物(low temperature oxide,LTO)作为极板间腔室的牺牲层，采用LPCVD沉积2.8 μm厚的SiC薄膜后，在其上用ICP刻蚀SiC孔，用氢氟酸(HF)去掉牺牲层LTO，再在敏感压膜外围沉积LTO完成传感器绝压腔室的密封。该传感器在574 ℃的条件下能够稳定地工作，稳定性较强，同时承压范围也较大(0～5 MPa)，灵敏度为7.2 fF/psi，但该传感器的制作工艺较为复杂。2011年，采用类似的实验方案[38]证明接触式的电容式传感器比压膜片位移较小的非接触式传感器灵敏度高。

2014年，中北大学的李颖[39]研究了基于SiC的无线高温压力传感器，利用LC谐振的原理将信号发出，其中的电容器是基于碳化硅薄膜，其工艺流程是将SiC衬底减薄到150 μm，然后利用ICP技术两面刻蚀出空腔，中间仅留下45 μm的设计压膜厚度，再在两面溅射金属，用玻璃浆料键合两片SiC形成绝压腔，即组成电容器。但只完成了常温测试，其高温性能没有相关测试结果。2015年，航天长征火箭技术有限公司的曹正威等人[40]研制了一种腔室尺寸为1 600 μm×6 μm、压膜厚度为50 μm的碳化硅压力传感器，利用SiO2作为中间绝缘层键合碳化硅电容上下极板，形成绝压腔，在600 ℃下的灵敏度为18.7 fF/kPa，但器件的测量压力范围很窄，只有0～0.1 MPa,没有得到高压下的测试数据。

2015年，Marsi N等人[41]采用厚1 μm的SiC作为高温敏感压膜，与硅衬底键合组成电容式压力传感器，并将其两端用圆形不锈钢环封装在不锈钢腔室内，配合加热装置可直接连上N2进行压力测试，在500 ℃和0～5 MPa的测试条件下测得灵敏度随温度的变化系数为0.037 %。

3 结 论

综上所述，关于碳化硅微加工工艺的研究已经取得了一定进展，目前研制的碳化硅电容压力器件的最高使用温度可达600 ℃。要想继续将碳化硅器件的使用温度提高到1 000 ℃甚至更高，还需要从制备工艺和测试两方面共同努力。制备工艺方面，需要继续研究低热温漂的欧姆接触工艺、高深宽比的刻蚀工艺、低成本高质量的SiC薄膜工艺、高温绝缘层工艺以及稳定的键合工艺等。同时，测试条件也是不可忽视的方面，目前很多碳化硅传感器都限于测试条件而难以完成高温测试，故无法衡量传感器的高温性能，所以高温测试设备也是传感器研制过程中要解决的技术难点之一。

从高温传感器的实际应用来看，测试信号的无线传输和多器件集成将是重要的发展方向。因为传感器工作的环境恶劣，想要实现引线传出信号会面临诸多问题。将现有的电容压力传感器和电感组成谐振电路传输信号，并与热电偶、能量采集器(提供电源)、惯性器件等集成，同时测量压力、温度、加速度等信号从而实现高效、多功能、无线传感将会是研究趋势，适应了集成化、智能化的发展理念，同时SiC高温MEMS器件也将与大功率IC集成化发展。