化学机械抛光在MEMS中的应用

高慧莹

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601)

MEMS即微机电系统（micro electro mechanical system），是采用微机械加工制造技术制作包括微传感器、微制动器、微能源等微机械基本单元以及高性能集成电路组成的微机电器件单元。它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。

与IC发展的黄金“摩尔定律”不同，MEMS发展的黄金定律为“一类生产线，一种制造工艺”，在这种不具世界大公司垄断的发展现状，为中国的MEMS发展提供了广阔的空间。

由于MEMS等微小单元的加工要达到亚微米甚至纳米级的精度要求，超精密磨削受刀具尺寸、材料的制约，难度越来越大。MEMS的发展在某种程度上受到了超精密加工水平的制约。为了满足MEMS加工制造技术的发展以及新工艺、新材料在MEMS制作工艺中的应用，超精密加工技术的发展同样经历了理论研究、技术实验和工艺推广应用三个阶段，随着对超精密加工技术的不断深入研究，对加工的质量和精度的要求也在不断提高，主要体现在以下几方面：

（1）对产品质量要求越来越高。以计算机磁盘为例，为使磁片存储密度更高或镜片光学性能更好，计算机硬盘的磁头要求表面粗糙度Ra≤0.2 nm，磁盘要求表面划痕深度≤1 nm，表面粗糙度Ra≤0.1 nm。

（2）对产品小型化的追求。零部件的小型化意味着表面积与体积的比值不断增加，工件的表面质量及其完整性越来越重要。以汽车产业为例，ABS系统在不到10年的时间，质量从6.2 kg降低到1.8 kg。

（3）对产品高可靠性的追求。对轴承等既承受载荷又做相对运动的零件降低表面粗糙度可改善零件的耐磨损性，降到功率耗损耗，提高其工作稳定性、延长使用寿命。以高速高精密轴承中使用的Si陶瓷为例，其球形表面粗糙度要求达到数纳米，尽量减小变质层，提高抗腐蚀能力。

（4）对产品高性能的追求。机构运动精度的提高有利于减缓力学性能的波动，减小摩擦和发热，降低振动和噪声。以内燃机等高密封性机械单元为例，必须提高表面精度减少泄露，降低能量损失。

1 化学机械抛光在MEMS中的应用

化学机械抛光，是一种应用抛光液的化学腐蚀作用和磨料的机械去除作用相结合的抛光方法，即采用化学和机械方法使材料的加工表面达到纳米级的超光滑表面和平整度要求。

CMP是IBM公司于20世纪80年代中期开发的一项技术，最先用于64位RAM的生产。CMP技术的推广应用起源于20世纪40年代，美国最早将CMP工艺技术引入其半导体芯片工艺生产线，随后，日本于1995年也开始将CMP工艺引入到150~200 mm晶圆、0.5μm工艺线的氧化膜平坦化工艺中。现在CMP技术的研究应用己扩展到全球范围，加工领域也从集成电路材料的研究、制造拓展到MEMS等多种超精密加工领域。

MEMS抛光设备与IC设备结构上大致相同，如图1所示，主要由抛光盘、基板夹持机构、加压机构、抛光液进给系统、抛光垫及修整器组成。CMP加工的基本方法是将MEMS基板固定在夹持机构上，与抛光盘上粘接的抛光垫接触并相对旋转，且施加一定的压力，借助机械摩擦及化学腐蚀作用使被抛光基板表面实现全局光滑平面化。

图1 MEMS抛光设备结构示意图

MEMS的微加工制造技术源于IC制造技术，大量利用IC的制造方法，力求与IC制造技术兼容。这是因为硅以其优良的机械性能成为MEMS的首选材料：硅近似于理想弹性，其屈服强度是钢的3倍，弹性模量与钢相当，而密度仅为钢的1/3，强度质量比超过了几乎所有常用的工程材料，能够满足微传感器和微结构对测量和材料力学特性的要求。1994年CMP首次被应用于MEMS制备过程中，图2为当时在0.8μm的CMOS制作过程中，利用CMP对TMAH湿法刻蚀中的Si去除抛光。

图2 首次CMP在MEMS制作过程中的应用

但由于MEMS的多样性，其制造过程引入了多种方法。这些新方法的不断引入，使MEMS制造与IC制造差别越来越大。首先是材料的多样性，在IC的CMP中需要处理的材料比较少，一般是多晶硅、二氧化硅、氮化硅以及金属铝和铜，而在MEMS中除了要处理这些材料外，还包括多种IC中不使用的材料，如石英、陶瓷等。其次是工艺的复杂性，目前CMP在MEMS加工与IC加工的差异见表1。

表1 CMP在MEMS加工与IC加工中的差异

CMP的作用是在MEMS加工制造过程中使表面平坦化，图3是CMP在MEMS的关节机构中的表面平坦化示意图。

1993年美国北卡罗来纳州开始采用UCB表面微加工技术制造出3层多晶硅结构。美国Sandia国家实验室开发出了SUMmit-V（Sandia Ultra-planarmulti-level MEMS technology V）表面微加工工艺可制造出5层多晶硅微机械结构。其主要工艺流程如图4所示。

图3 CMP在MEMS加工中的应用示意

图4 SUMmit-V工艺流程示意图

由以上工艺流程可以看出在所有结构层（Poly0-Poly4）经过沉积、刻蚀完成后都要沉积二氧化硅作为牺牲层进行CMP加工处理（如图5所示），从而达到平坦化的目的。CMP在MEMS中的应用主要体现在：

图5 SUMmit-V加工过程示意

（1）牺牲层的平坦化应用。在利用表面微机械加工技术制作多层结构的过程中（如图6所示），在牺牲层的基础上每增加一层结构层，都需要对牺牲层进行CMP加工处理，使其平坦化，以减少MEMS制作过程中由于表面形貌引起的诸如曝光、层与层干涉、悬臂梁等问题的发生。

（2）结构层的平坦化应用。在多层结构制作过程中，会产生必要的工艺图形，为了去除工艺图形对下一步加工的影响，必须通过CMP将多余的工艺图形去掉，使结构层表面平坦化。以制作光学器件为例（如图7所示），为了减少大的台阶高度对曝光的影响，必须对其进行CMP处理。

（3）填充层的平坦化应用。在MEMS制作过程中，为了提高器件的纵宽比，减小质量，采用CMP工艺对填充层进行多余材料去除。图8为加速度计在制作过程中的填充层材料去除示意图。

图6 牺牲层平坦化示意图

图7 结构层CMP应用示意图

（4）键合工艺的平坦化应用。在MEMS的键合工艺中，对基板的表面光洁度要求很高，这是因为基片表面有较小的粗糙度，会提高基片的弹性变形以及高温下的黏滞回流特性，使两键合片完全结合在一起，界面不存在孔洞和变形，避免了键合后残余应力的产生。以玻璃与硅片的的焊接为例，光洁度越高，接触面的接隙度就越大，产生的静电吸引力就越大，越容易焊接。

图8 填充层的材料去除示意

2 国内外CMP在MEMS中的应用情况

MEMS的发展，使制造技术由宏观进入微观，表面加工精度已经达到纳米级、亚纳米级。世界发达国家在纳米级加工领域均予以高度重视，美国2001年开始的NNI计划、英国的多学科纳米研究合作计划IRC，日本2002年的纳米技术支撑计划，都投入了大量的人力、物力进行专项技术和工艺研究。虽然CMP技术被认为是MEMS制备过程中获得超光滑无损伤表面的有效方法，但是，要获得0.1 nm级表面粗糙度和极小的表面损伤层，就目前的MEMS化学机械抛光工艺还不成熟，主要集中在：对不同材料的抛光去除机理研究不够，不同抛光工艺参数对抛光效果的影响分析，MEMS抛光过程中的蝶形凹陷和过渡抛光等问题。

“十一五”期间，我国以高校、研究院所为重点进行纳米级超精密加工工艺技术的研究，虽然也取得了一定的成绩，但与日美等发达国家相比，尤其在工艺应用方面还存在很大差距。为了满足微电子、国防装备和航空、航天技术的发展需要，在20世纪90年代初由清华大学微电子所、复旦大学、东南大学率先开始了MEMS研究。CMP技术在MEMS的工艺研究方面，清华大学探索出硬盘基片超精表面新型CMP技术及先进的抛光工艺，使抛光后表面波纹度和粗糙度均低于0.1 nm；在计算机磁头表面亚纳米级抛光方面，首次将纳米金刚石颗粒引入磁头表面抛光，解决了抛光液中纳米颗粒分散、改性等技术难点，开发出纳米金刚石抛光液及抛光工艺，使磁头表面粗糙度由原工艺的0.48 nm降到0.2 nm以下，并去除了划痕、黑点等缺陷。另有一些专家学者针对单晶硅片的加工，提出了大气低温等离子体超精密超光滑抛光加工方法，获得了1.46mm3/min的材料去除量和Ra=0.6 nm的表面粗糙度，实现了重要零件的亚纳米级加工。

[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.