高慧瑩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

MEMS即微機(jī)電系統(tǒng)（micro electro mechanical system），是采用微機(jī)械加工制造技術(shù)制作包括微傳感器、微制動(dòng)器、微能源等微機(jī)械基本單元以及高性能集成電路組成的微機(jī)電器件單元。它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

與IC發(fā)展的黃金“摩爾定律”不同，MEMS發(fā)展的黃金定律為“一類生產(chǎn)線，一種制造工藝”，在這種不具世界大公司壟斷的發(fā)展現(xiàn)狀，為中國(guó)的MEMS發(fā)展提供了廣闊的空間。

由于MEMS等微小單元的加工要達(dá)到亞微米甚至納米級(jí)的精度要求，超精密磨削受刀具尺寸、材料的制約，難度越來越大。MEMS的發(fā)展在某種程度上受到了超精密加工水平的制約。為了滿足MEMS加工制造技術(shù)的發(fā)展以及新工藝、新材料在MEMS制作工藝中的應(yīng)用，超精密加工技術(shù)的發(fā)展同樣經(jīng)歷了理論研究、技術(shù)實(shí)驗(yàn)和工藝推廣應(yīng)用三個(gè)階段，隨著對(duì)超精密加工技術(shù)的不斷深入研究，對(duì)加工的質(zhì)量和精度的要求也在不斷提高，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高。以計(jì)算機(jī)磁盤為例，為使磁片存儲(chǔ)密度更高或鏡片光學(xué)性能更好，計(jì)算機(jī)硬盤的磁頭要求表面粗糙度Ra≤0.2 nm，磁盤要求表面劃痕深度≤1 nm，表面粗糙度Ra≤0.1 nm。

（2）對(duì)產(chǎn)品小型化的追求。零部件的小型化意味著表面積與體積的比值不斷增加，工件的表面質(zhì)量及其完整性越來越重要。以汽車產(chǎn)業(yè)為例，ABS系統(tǒng)在不到10年的時(shí)間，質(zhì)量從6.2 kg降低到1.8 kg。

（3）對(duì)產(chǎn)品高可靠性的追求。對(duì)軸承等既承受載荷又做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件降低表面粗糙度可改善零件的耐磨損性，降到功率耗損耗，提高其工作穩(wěn)定性、延長(zhǎng)使用壽命。以高速高精密軸承中使用的Si陶瓷為例，其球形表面粗糙度要求達(dá)到數(shù)納米，盡量減小變質(zhì)層，提高抗腐蝕能力。

（4）對(duì)產(chǎn)品高性能的追求。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度的提高有利于減緩力學(xué)性能的波動(dòng)，減小摩擦和發(fā)熱，降低振動(dòng)和噪聲。以內(nèi)燃機(jī)等高密封性機(jī)械單元為例，必須提高表面精度減少泄露，降低能量損失。

1 化學(xué)機(jī)械拋光在MEMS中的應(yīng)用

化學(xué)機(jī)械拋光，是一種應(yīng)用拋光液的化學(xué)腐蝕作用和磨料的機(jī)械去除作用相結(jié)合的拋光方法，即采用化學(xué)和機(jī)械方法使材料的加工表面達(dá)到納米級(jí)的超光滑表面和平整度要求。

CMP是IBM公司于20世紀(jì)80年代中期開發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，最先用于64位RAM的生產(chǎn)。CMP技術(shù)的推廣應(yīng)用起源于20世紀(jì)40年代，美國(guó)最早將CMP工藝技術(shù)引入其半導(dǎo)體芯片工藝生產(chǎn)線，隨后，日本于1995年也開始將CMP工藝引入到150~200 mm晶圓、0.5μm工藝線的氧化膜平坦化工藝中?，F(xiàn)在CMP技術(shù)的研究應(yīng)用己擴(kuò)展到全球范圍，加工領(lǐng)域也從集成電路材料的研究、制造拓展到MEMS等多種超精密加工領(lǐng)域。

MEMS拋光設(shè)備與IC設(shè)備結(jié)構(gòu)上大致相同，如圖1所示，主要由拋光盤、基板夾持機(jī)構(gòu)、加壓機(jī)構(gòu)、拋光液進(jìn)給系統(tǒng)、拋光墊及修整器組成。CMP加工的基本方法是將MEMS基板固定在夾持機(jī)構(gòu)上，與拋光盤上粘接的拋光墊接觸并相對(duì)旋轉(zhuǎn)，且施加一定的壓力，借助機(jī)械摩擦及化學(xué)腐蝕作用使被拋光基板表面實(shí)現(xiàn)全局光滑平面化。

圖1 MEMS拋光設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

MEMS的微加工制造技術(shù)源于IC制造技術(shù)，大量利用IC的制造方法，力求與IC制造技術(shù)兼容。這是因?yàn)楣枰云鋬?yōu)良的機(jī)械性能成為MEMS的首選材料：硅近似于理想彈性，其屈服強(qiáng)度是鋼的3倍，彈性模量與鋼相當(dāng)，而密度僅為鋼的1/3，強(qiáng)度質(zhì)量比超過了幾乎所有常用的工程材料，能夠滿足微傳感器和微結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量和材料力學(xué)特性的要求。1994年CMP首次被應(yīng)用于MEMS制備過程中，圖2為當(dāng)時(shí)在0.8μm的CMOS制作過程中，利用CMP對(duì)TMAH濕法刻蝕中的Si去除拋光。

圖2 首次CMP在MEMS制作過程中的應(yīng)用

但由于MEMS的多樣性，其制造過程引入了多種方法。這些新方法的不斷引入，使MEMS制造與IC制造差別越來越大。首先是材料的多樣性，在IC的CMP中需要處理的材料比較少，一般是多晶硅、二氧化硅、氮化硅以及金屬鋁和銅，而在MEMS中除了要處理這些材料外，還包括多種IC中不使用的材料，如石英、陶瓷等。其次是工藝的復(fù)雜性，目前CMP在MEMS加工與IC加工的差異見表1。

表1 CMP在MEMS加工與IC加工中的差異

CMP的作用是在MEMS加工制造過程中使表面平坦化，圖3是CMP在MEMS的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的表面平坦化示意圖。

1993年美國(guó)北卡羅來納州開始采用UCB表面微加工技術(shù)制造出3層多晶硅結(jié)構(gòu)。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了SUMmit-V（Sandia Ultra-planarmulti-level MEMS technology V）表面微加工工藝可制造出5層多晶硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)。其主要工藝流程如圖4所示。

圖3 CMP在MEMS加工中的應(yīng)用示意

圖4 SUMmit-V工藝流程示意圖

由以上工藝流程可以看出在所有結(jié)構(gòu)層（Poly0-Poly4）經(jīng)過沉積、刻蝕完成后都要沉積二氧化硅作為犧牲層進(jìn)行CMP加工處理（如圖5所示），從而達(dá)到平坦化的目的。CMP在MEMS中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：

圖5 SUMmit-V加工過程示意

（1）犧牲層的平坦化應(yīng)用。在利用表面微機(jī)械加工技術(shù)制作多層結(jié)構(gòu)的過程中（如圖6所示），在犧牲層的基礎(chǔ)上每增加一層結(jié)構(gòu)層，都需要對(duì)犧牲層進(jìn)行CMP加工處理，使其平坦化，以減少M(fèi)EMS制作過程中由于表面形貌引起的諸如曝光、層與層干涉、懸臂梁等問題的發(fā)生。

（2）結(jié)構(gòu)層的平坦化應(yīng)用。在多層結(jié)構(gòu)制作過程中，會(huì)產(chǎn)生必要的工藝圖形，為了去除工藝圖形對(duì)下一步加工的影響，必須通過CMP將多余的工藝圖形去掉，使結(jié)構(gòu)層表面平坦化。以制作光學(xué)器件為例（如圖7所示），為了減少大的臺(tái)階高度對(duì)曝光的影響，必須對(duì)其進(jìn)行CMP處理。

（3）填充層的平坦化應(yīng)用。在MEMS制作過程中，為了提高器件的縱寬比，減小質(zhì)量，采用CMP工藝對(duì)填充層進(jìn)行多余材料去除。圖8為加速度計(jì)在制作過程中的填充層材料去除示意圖。

圖6 犧牲層平坦化示意圖

圖7 結(jié)構(gòu)層CMP應(yīng)用示意圖

（4）鍵合工藝的平坦化應(yīng)用。在MEMS的鍵合工藝中，對(duì)基板的表面光潔度要求很高，這是因?yàn)榛砻嬗休^小的粗糙度，會(huì)提高基片的彈性變形以及高溫下的黏滯回流特性，使兩鍵合片完全結(jié)合在一起，界面不存在孔洞和變形，避免了鍵合后殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。以玻璃與硅片的的焊接為例，光潔度越高，接觸面的接隙度就越大，產(chǎn)生的靜電吸引力就越大，越容易焊接。

圖8 填充層的材料去除示意

2 國(guó)內(nèi)外CMP在MEMS中的應(yīng)用情況

MEMS的發(fā)展，使制造技術(shù)由宏觀進(jìn)入微觀，表面加工精度已經(jīng)達(dá)到納米級(jí)、亞納米級(jí)。世界發(fā)達(dá)國(guó)家在納米級(jí)加工領(lǐng)域均予以高度重視，美國(guó)2001年開始的NNI計(jì)劃、英國(guó)的多學(xué)科納米研究合作計(jì)劃IRC，日本2002年的納米技術(shù)支撐計(jì)劃，都投入了大量的人力、物力進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)和工藝研究。雖然CMP技術(shù)被認(rèn)為是MEMS制備過程中獲得超光滑無損傷表面的有效方法，但是，要獲得0.1 nm級(jí)表面粗糙度和極小的表面損傷層，就目前的MEMS化學(xué)機(jī)械拋光工藝還不成熟，主要集中在：對(duì)不同材料的拋光去除機(jī)理研究不夠，不同拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光效果的影響分析，MEMS拋光過程中的蝶形凹陷和過渡拋光等問題。

“十一五”期間，我國(guó)以高校、研究院所為重點(diǎn)進(jìn)行納米級(jí)超精密加工工藝技術(shù)的研究，雖然也取得了一定的成績(jī)，但與日美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，尤其在工藝應(yīng)用方面還存在很大差距。為了滿足微電子、國(guó)防裝備和航空、航天技術(shù)的發(fā)展需要，在20世紀(jì)90年代初由清華大學(xué)微電子所、復(fù)旦大學(xué)、東南大學(xué)率先開始了MEMS研究。CMP技術(shù)在MEMS的工藝研究方面，清華大學(xué)探索出硬盤基片超精表面新型CMP技術(shù)及先進(jìn)的拋光工藝，使拋光后表面波紋度和粗糙度均低于0.1 nm；在計(jì)算機(jī)磁頭表面亞納米級(jí)拋光方面，首次將納米金剛石顆粒引入磁頭表面拋光，解決了拋光液中納米顆粒分散、改性等技術(shù)難點(diǎn)，開發(fā)出納米金剛石拋光液及拋光工藝，使磁頭表面粗糙度由原工藝的0.48 nm降到0.2 nm以下，并去除了劃痕、黑點(diǎn)等缺陷。另有一些專家學(xué)者針對(duì)單晶硅片的加工，提出了大氣低溫等離子體超精密超光滑拋光加工方法，獲得了1.46mm3/min的材料去除量和Ra=0.6 nm的表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)了重要零件的亞納米級(jí)加工。

[1]Jeffry J.Sniegowski，Chemical-mechanical polishing:enhancing the manufactur-ability of MEMS.Precision Engineering，1997，20(2):146.

[2]J.J.Sniegowski，M.S.Rodgers，Multi-layerEnhancement to Polysilicon Surface-micromaching Technology，IEDM Tech.Digest，1997，903-906.

[3]R.Nasby，J.Sniegowski，J.Smith，S.Montague，etc.ApplicationofChem ical-MechanicalPolishingtoPlanarization of Surface-micromachined Devices，Proc.Solid State Sensor and ActuatorWorkshop，1996.48-53.