一种MEMS 用硅单晶的缺陷检验方法

高 丹

( 中国电子科技集团公司第四十六研究所， 天津300220)

MEMS（微机电系统）是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。其特点并非单纯的微小化，而是指可以批量制作，集微型构件、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路等于一体的微系统。而在集成电路技术（IC）基础上发展起来的硅MEMS加工技术因为具有批量生产、成本低、易与电路集成制作等优点，目前已成为MEMS 加工技术的主流。硅基MEMS 加工技术主要有体硅加工技术和表面牺牲层技术两条发展主线。体硅工艺主要表现为键合与深刻蚀技术的组合，追求大质量块和低应力以及三维加工，硅体的缺陷对其影响较大；表面牺牲层技术向多层、集成化方向发展，硅材料的表面缺陷对其有一定的影响，但硅体缺陷对其影响不大[1，2]。目前，对于硅表面缺陷的检验方法已经成熟，但硅体缺陷的检验尚无方法可寻。如果前期未能排除有体缺陷的硅材料，会导致MEMS器件在制作工艺后发生失效。为了避免在MEMS器件制作工艺后出现失效，需要建立一种提前判定硅片是否可用的检测方法。

1 MEMS 工艺

1.1 表面牺牲层工艺

表面牺牲层工艺是典型的薄膜工艺，其技术特点与集成电路工艺兼容，因此表面牺牲层工艺从其诞生起发展方向就是集成化。由于机械结构的复杂性，仅采用单层结构往往不能制备所需构件，因此表面牺牲层工艺多层化发展的另一特点也是必然趋势。表面牺牲层工艺流程如图1 所示。

图 表面牺牲层工艺流程

1.2 体硅工艺

体硅加工技术是指对硅单晶圆片进行加工，表现为键合与深刻蚀技术的组合，追求大质量块和低应力以及三维加工，其所获得的有用部件是由硅单晶构成的，加工深度通常为几十微米、几百微米，甚至穿透整个硅片，体硅工艺与集成电路工艺兼容性较差[3]。体硅工艺流程如图2 所示。

图2 体硅工艺流程

2 实验及结果

2.1 实验条件

2.1.1 实验装置

硅抛光片热处理采用高温扩散炉。

深度化学腐蚀采用电炉、石英杯、量杯、搅拌棒等。

2.1.2 实验样品

实验采用抛光片样品为单晶棒头尾所切取的晶片，其参数为，

导电类型：N 型；

晶向：＜100＞；

直径：100 mm（4 英寸）；

厚度：450 μm±5 μm；

电阻率：2～4 Ω·cm；

无旋涡，表面质量及其它参数均合格。

2.2 实验过程

(1) 模拟键和热过程，对样品进行热处理，在500～600 ℃条件下热处理3～5 h；

(2) 深度化学腐蚀，将氢氧化钾倒入石英杯中加热，当加热到97～100 ℃时放入硅片进行腐蚀，腐蚀40～45 min, 去除量为120～140 μm 时取出硅片，冷却后用去离子水冲洗，甩干，甩干速度：800～1200 r/min ，甩干时间2～5 min。

2.3 实验结果

用金相显微镜观察腐蚀后的硅片表面状况。观察结果如图3 所示，发现部分硅片表面有如图3 所示的凹坑。

图3 腐蚀后的硅片表面

3 分析

经过热处理过程与深度化学腐蚀的硅片表面存在100～200 μm 的凹坑，在键合过程中，抛光片表面残存粒径1 μm 以上的颗粒键合后也将产生毫米级孔洞，影响器件性能。各向异性腐蚀的机理是腐蚀液发射空穴给硅，形成氧化态Si+，而羟基OH-与Si+形成可溶解的硅氢氧化物的过程，这个过程硅硅键被打破，而当硅片存在缺陷时，缺陷处可能含有C、O 金属离子空位等，其存在的键能小于硅硅键能，更容易被打破，缺陷处腐蚀速率非常快，最终形成图中所示的凹坑甚至穿孔现象，这会造成MEMS 器件的失效。

因此，对于MEMS 体硅工艺用单晶，在供货前采取这种检测方法，若发现大于100 μm 的坑，即判定为不合格，以确保硅片进行MEMS 工艺后可用，降低器件失效可能性。

4 结论

对于MEMS 体硅工艺用硅单晶，模拟MEMS工艺研究了一种检测硅单晶缺陷的方法，可以提前判断单晶是否可用。