MEMS工艺前段制程的特点及设备

MEMS制造是基于半导体制造技术上发展起来的；它融合了扩散、薄膜（PVD/CVD）、光刻、刻蚀（干法刻蚀、湿法腐蚀）等工艺作为前段制程，继以减薄、切割、封装与测试为后段，辅以精密的检测仪器来严格把控工艺要求，来实现其设计要求。

MEMS制程各工艺相关设备的极限能力又是限定器件尺寸的关键要素，且其相互之间的配套方能实现设备成本的最低；下面先简要介绍一下前段制程的特点及涉及的设备。

扩散工艺：

MEMS生产中的扩散指工艺所需要的杂质在一定条件下对硅（或其他衬底）的掺杂。如在硅中掺磷、硼等。广义上讲，氧化与退火也是一种扩散；前者指氧气在SiO2中的扩散，后者指杂质在硅（或其他衬底）中的扩散。其目的是要为了改变原材料的电学特性或化学特性。

如下图是扩散炉，其三根管（上/中/下）的正常分配如FATRIUTC的分配：氧化炉，扩散炉，合金炉，分别用于形成SiO2，扩散杂质，键合后进行合金工艺。

炉管的主要关注技术数据且其通常的参数有（以FATRIUTC为例）：可加工硅片尺寸（4”6”圆片），可配石英管最大外径（Φ220mm），工作温度范围（600℃~1200℃），恒温区长度及精度【氧化/扩散（900℃~1200℃500mm/±0.5℃），退火合金（600℃~900℃500mm/±1℃）】，升温时间（从室温至1200℃≤90min），温度斜变能力【最大可控升温速度（600℃~1200℃15℃/min），最大降温速度（1200℃~900℃5℃/min）】，送料装置【行程（~1600mm），速度（30~1000mm/min），承载能力（≤12kg）】，净化台工作等级（静态在10000级厂房达100级），气体流量设定精度（±1%F.S.），气路系统气密性（1×10-7pa.m3/s），设备外形尺寸（5270×1140×2455L/W/Hmm），供电电源（三相五线~380V50Hz）。

如下是RTP机台图片及其特性参数；RTP（快速热退火）是用各种热辐照源，直接照射在样品表面上，迅速将样品加热至700~1200℃左右在几秒~几十秒的时间内完成退火的工艺；如此可以极大地缩短工艺时间。

薄膜工艺：

MEMS生产中的薄膜指通过蒸镀、溅射、沉积等工艺将所需物质覆盖在基片的表层，根据其过程的气相变化特性，可分为PVD与CVD两大类。

PVD工艺涉及的机台有电子束蒸镀机（图左）与磁控溅射机（图右）

电子束蒸镀利用电磁场的配合可以精准地实现利用高能电子轰击坩埚内膜材，使膜材表面原子蒸发进而沉积在基片上；以FATRIUTC电子束蒸镀机在MEMS制造过程的功用来说，其主要用来蒸镀Pt、Ni、Au等。

而磁控溅射是在高真空（10-5Torr）的环境下，导入惰性气体（通常是Ar）并在电极两端加上高电压、产生辉光放电（Glowdischarge）。Ar原子被电离成Ar+和电子。在电场作用下Ar+加速飞向靶材（target），与靶材发生碰撞，溅射出大量的靶材原子，靶材原子沉积在基片上。在FATRIUTC的MEMS生产过程中，其可溅射Al、C0、Fe、的合金等。

CVD工艺又可细分APCVD，LPCVD及PECVD；在MEMS制造中我们通常使用PECVD机台（见下图）来制造SiO2、Si3N4或SiC。其工艺是在较低的温度下借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。

光刻工艺：

光刻是通过一系列生产步骤（主要包含涂胶，曝光，显影），将晶圆表面的薄膜与光刻板中的图形做相同动作的选择性的显开或遮蔽（下左图为涂胶与显影机，右图为曝光机）。而光刻机的图形转移能力（最小线宽）是整条工艺线的重要指标，这与设计时可做的集成度大小有直接关联。就目前国内具备MEMS制程的各家制造中心来说，FATRIUTC的光刻机处于较先进的水平。

刻蚀工艺：

在MEMS制程中，刻蚀就是用化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法，在光刻的基础上有选择地进行图形的转移。刻蚀技术主要分为干法刻蚀与湿法刻蚀。

干法刻蚀主要利用反应气体与等离子体进行刻蚀；以FATRIUTC为例，在MEMS制造中的ICP刻蚀机主要用来刻蚀Si、Si3N4、SiO2等

湿法刻蚀主要利用化学试剂与被刻蚀材料发生化学反应进行刻蚀；以FATRIUTC的MEMS制程为例，在湿法槽进行湿法刻蚀的对象有SiO2、Si3N4、金属、光刻胶等，晶圆作业中的清洗步骤也需在湿法槽中进行。

如上，在MEMS制程的前段工艺中（以FATRIUTC为例），扩散，薄膜，光刻，刻蚀分别涉及了扩散炉、RTP、电子束蒸镀机、磁控溅射机、涂胶光刻显影机、ICP刻蚀机及湿法槽。它们各具其独特的作用，以科学合理的组合流程制造出我们所需的产品，这些产品的优势是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成。且因为较传统机械式加工，其可以批量化作业，极大提高了效益。
责任编辑人：CC