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与CMOS工艺兼容的CMOS-MEMS技术将MEMS结构部分和CMOS电路做在同一块衬底上,可以实现高信噪比、制备大阵列的敏感单元,成本低,适合大批量生产,已成为智能传感器的发展主流。
CMOS MEMS后处理工艺中常采用湿法腐蚀工艺实现芯片结构的释放,从硅片正面释放结构时无需双面光刻、腐蚀时间短;无需夹具,可批量生产,因此应用广泛。但在腐蚀过程中需要对铝焊盘及CMOS电路和MEMS传感器结构部分加以保护。
本文致力于MEMS后处理过程中的正面结构释放时正面保护方法的研究,设计了利用铝层作为保护膜、改进的TMAH溶液作为腐蚀液,采用PN结自停止的电化学腐蚀技术从正面释放微结构的方案,最终目的在于验证此工艺在本实验室长期研究的硅基热式风速计中的可行性。
首先,对掺入适量硅粉的改进的TMAH溶液腐蚀金属铝和硅的特性(包括腐蚀硅的速率和腐蚀后硅表面的形貌等方面)进行了研究,获得了既能很快腐蚀硅又能实现铝保护的优化腐蚀液的配比。其次,针对正面腐蚀释放结构时的芯片保护问题,对比分析了四种保护膜的优缺点,并结合本实验室的实际环境,确定选用2μm厚的铝膜(溅射之后400℃热退火)作为保护层对下面已制作完成的多晶硅结构进行保护。再次,本文选用PN结自停止的电化学腐蚀作为主要技术,重点解决了N型层加电的问题,通过制作铟凸点以隔绝铝接触电极与腐蚀液,保证反应过程中加电的可靠性。最后,在MEMS常用的悬臂梁、双端固支梁、U型梁等微梁结构的基础上设计了风速传感器版图,利用热传导性好的重掺杂多晶硅作为热电阻,并采用三电极电化学腐蚀系统成功地从正面释放了结构。
电化学腐蚀后并去铝的SEM照片表明:腐蚀4.5小时后,中小结构基本释放完毕,且腐蚀停止在N+层表面;铝保护层表面针孔少、质量较好;在探针台上测出的多晶硅的电阻值,反映了电化学腐蚀后多晶硅电阻条性能良好;给多晶硅的Pad压焊并引线后施加电压,测出其I/V曲线,可见电流与电压近乎成线性关系,即电阻是定值。由此验证了本文研究的MEMS结构正面释放过程中的正面保护方法与CMOS工艺兼容,可应用在硅基热式风速计的后处理工艺中,达到了本文的预期目标。