Виготовлення мікро-електро-механічних систем (MEMS) і вдосконалених датчиків вимагає безпрецедентного рівня точності, цілісності матеріалу та якості поверхні. Серед різноманітних застосовуваних напівпровідникових процесів полірування пластин розвинулося від простого завершального етапу до критично важливої технології. У цій статті досліджується застосування полірування пластин, насамперед хімічно-механічної планаризації (CMP), у виробництві MEMS-пристроїв і датчиків. У ньому детально описано, як методи полірування є важливими для створення незайманих поверхонь, необхідних для подальшої обробки, створення три-вимірних структур, забезпечення продуктивності пристрою та підвищення продуктивності.
1. Вступ до полірування вафельних полірувань: понад гладкість
Полірування пластин – це синергетичний процес, який поєднує хімічне травлення та механічне стирання для досягнення над-гладких і плоских поверхонь напівпровідникових пластин. Найдосконаліша форма, хімічно-механічна планарізація (CMP), використовує хімічно реактивну суспензію та полірувальну подушечку для рівномірного видалення матеріалу. Для традиційних інтегральних схем (ІС) основною метою є глобальна планарність для літографії. Однак у MEMS та виготовленні датчиків цілі більш багатогранні, зокрема:
Гладкість поверхні:Зменшення шорсткості поверхні до атомарного рівня для мінімізації дефектів і забезпечення передбачуваної поведінки пристрою.
Глобальна планарність:Створення ідеально рівної поверхні по всій пластині для успішного склеювання та малювання кількох шарів.
Точний контроль товщини:Точне потоншення окремих шарів або всієї підкладки до точних розмірів, що має вирішальне значення для мембран, консолей та інших рухомих конструкцій.
2. Основні застосування у виготовленні MEMS
Унікальні вимоги до пристроїв MEMS роблять полірування пластин незамінним на кількох етапах технологічного процесу.
2.1. Кремній. Підготовка пластин із кремнієвим-на-ізолятором (SOI).
Пластини SOI є робочою конячкою для багатьох високопродуктивних MEMS-пристроїв. Вони складаються з тонкого шару моно-кристалічного кремнію (шар пристрою), відокремленого від кремнієвої пластини ручки захованим шаром оксиду (BOX). CMP критично використовується для полірування верхнього кремнієвого шару пристрою для досягнення винятково однорідної та гладкої поверхні. Ця однаковість життєво важлива для визначення точної глибини травлення та створення послідовних механічних властивостей у приводах, резонаторах та інерційних датчиках.
2.2. Підготовка поверхні для склеювання пластин
Багато складних структур MEMS виготовляються за допомогою методів з’єднання пластин, таких як сплавлення або анодне з’єднання. Успішність і міцність цих з’єднань значною мірою залежать від якості поверхні пластин. Будь-який рельєф, частки або шорсткості можуть призвести до пустот або слабких зв’язків, що призведе до поломки пристрою. Полірування пластин гарантує, що склеювані поверхні є атомарно гладкими та вільними від забруднень, забезпечуючи міцні герметичні ущільнення, необхідні для таких пристроїв, як датчики тиску та мікрофони.
2.3. Видалення жертовного шару та структурне звільнення
Фундаментальним кроком у мікрообробці поверхні є звільнення рухомих структур шляхом витравлювання жертвованого шару (наприклад, діоксиду кремнію). Після цього травлення мікроструктура може зруйнуватися та назавжди прилипнути до підкладки через капілярні сили або поверхневу адгезію-це явище, відоме як «стикція». Подібні до-CMP-процеси після вивільнення або використання надкритичного сушіння можна вважати частиною філософії поверхневої інженерії, започаткованої поліруванням. Якщо говорити пряміше, полірована полірована вихідна поверхня зменшує ймовірність злипання, мінімізуючи площу контакту та поверхневу енергію між вивільненою структурою та підкладкою.
3. Конкретні ролі у виробництві датчиків
Різні типи датчиків використовують полірування пластин для підвищення їх чутливості та надійності.
3.1. Датчики тиску
Для датчиків тиску MEMS тонка гнучка діафрагма прогинається під дією тиску. Товщина та однорідність цієї діафрагми безпосередньо визначають діапазон і чутливість датчика. Полірування пластини використовується для точного потоншення задньої сторони пластини, щоб визначити цю діафрагму з винятковою точністю та послідовністю, чого неможливо досягти лише травленням.
3.2. Оптичні датчики та MOEMS
В оптичних датчиках і мікро-опто-електро-механічних системах (MOEMS), таких як мікродзеркала та інтерферометричні датчики, поверхневе розсіювання є основним джерелом втрат і шуму. Полірована поверхня з шорсткістю суб-нанометра необхідна для мінімізації розсіювання світла та збереження точності хвильового фронту, таким чином максимізуючи співвідношення сигнал-до-шуму датчика та загальну ефективність.
3.3. Планаризація міжшарового діелектрика (ILD).
Удосконалені багатошарові-сенсори часто включають вбудовану електроніку. Як і у виробництві мікросхем, CMP використовується для вирівнювання ізоляційних діелектричних шарів між металевими з’єднаннями. Ця планарність запобігає проблемам покриття кроків на наступних етапах літографії та осадження, забезпечуючи електричну надійність і вищу-інтеграцію щільності.
4. Виклики та майбутні тенденції
Застосування полірування пластин у MEMS і датчиках, незважаючи на зрілість, продовжує стикатися з проблемами. Вони включають мінімізацію дислокацій і під-поверхневих пошкоджень у моно-кристалічних матеріалах, вирішення все більшого використання крихких і нових матеріалів (наприклад, SiC, GaN, полімерів) і контроль дефектів на нанорозмірі.
Майбутні розробки зосереджені на:
Хімічний склад суспензії:Розробка розумніших суспензій з високою селективністю для нових комбінацій матеріалів.
Виявлення кінцевої точки:Впровадження більш складного моніторингу-на місці, щоб зупинити процес полірування з нанометровою{1}}точністю.
Гетерогенна інтеграція:Адаптація CMP для 3D-інтеграції та спільного -виготовлення різноманітних компонентів (електроніка, фотоніка, MEMS) на одному чіпі.
5. Висновок
Полірування пластин, особливо CMP, далеко не просто допоміжний процес у MEMS та виготовленні датчиків. Це базова технологія, яка забезпечує контроль розмірів, якість матеріалів і досконалість поверхні, необхідні для високо-продуктивних і надійних мікро-пристроїв. У міру того як MEMS і датчики розвиваються в напрямку більшої складності, мініатюризації та інтеграції з системами штучного інтелекту та Інтернету речей, роль точного полірування ставатиме все більш центральною, продовжуючи розширювати межі того, що можна виробити на мікромасштабі.
