SITRI MEMS“乐高积木”取得重大突破
智能传感器工艺从定制化向标准化持续迈进
传感器是信息获取的重要工具，是关系到国民经济、社会发展和国家安全的基础性、关键性和战略性高新技术器件。微机电系统（MEMS）技术是传感器批量制造的主流技术，器件种类繁多，工艺复杂多样。目前国内MEMS工艺平台普遍存在技术体系不完备、单项工艺通用性不好、公共服务能力较弱等问题，很难高效支撑我国传感器技术开发和产业发展。相较于常规集成电路（IC）工艺，MEMS传感器工艺流程标准化程度低，往往需要结合器件的整体结构、功能参数等多方面因素进行针对性开发，定制化需求很高，导致工艺研发周期长，研发成本和生产成本高。此外，由于单步工艺之间的兼容性较差，单步工艺的关键参数波动较大，导致类似工艺很难标准化，需要重复开发。2021年起，SITRI承担了科技部重点研发计划“8英寸MEMS传感器加工中试平台”项目，核心内容就是针对多种类MEMS器件，开发通用工艺模块并形成标准工艺设计套件（PDK），解决MEMS制造中的单项工艺普适性差的问题，推动MEMS工艺的“部分”标准化，从而逐步解决我国核心MEMS产品制造的“卡脖子”问题。通过研发成套关键共性工艺的系统集成，将原本独立的单步工艺，转化为基于PDK的标准工艺模块，推动MEMS工艺从传统的“碎片化”状态向“模块化”发展，从而提高了MEMS工艺技术的通用性、标准化和集成度，提升我国MEMS工艺技术的源头供给能力。在此基础上，将PDK模块进行科学合理的有机组合，SITRI进一步提升了研发中试线的工艺水平，可以大幅缩短研发周期和降低客户的研发成本。在重点研发计划的支持下，SITRI已完成14套MEMS PDK模块，包括：MEMS专用SOI晶圆、MEMS专用CSOI晶圆、SOI基底AlN压电工艺、CSOI基底AlN压电工艺、高厚度干膜、聚酰亚胺薄膜、金属硅通孔、硅介质硅通孔、片上薄膜吸气剂、氧化钒薄膜、大背腔刻蚀、晶圆键合、硅超透镜和荧光场生物芯片工艺PDK，其中5项成果已成功入选上海市科委发布的《2023年上海市科技进步报告》。
SOI晶圆是在顶硅层和底层衬底硅之间生长一层二氧化硅埋氧层形成的一种三明治结构，可以实现三维结构的精准定义，在多种MEMS器件中的应用广泛。本公司的SOI晶圆加工服务，主要提供各种MEMS器件专用SOI晶圆，包括惯性传感器、压力传感器、声学传感器、光学微镜和RF开关等，能够满足客户各种规格的灵活定制需求。MEMS专用SOI晶圆PDK文件介绍了SOI晶圆的大致结构、制作工艺流程、性能参数、定制规则和订购流片方式。
图1：SOI晶圆结构示意图
CSOI晶圆是在具有空腔的顶硅层或底层衬底硅之间引入一层二氧化硅埋氧层形成的一种带空腔的三明治结构，可以实现三维结构的精准定义，且无须额外的空腔释放工艺。本公司的CSOI晶圆加工服务，主要提供各种MEMS器件专用CSOI晶圆，包括惯性传感器、压力传感器、声学传感器、谐振器和微流体等，能够满足客户各种规格的灵活定制需求。MEMS专用CSOI晶圆PDK文件介绍了SOI晶圆的大致结构、制作工艺流程、性能参数、版图规范、定制规则和订购流片方式。
图2：CSOI晶圆结构示意图
SITRI从AlScN功能材料的关键共性工艺技术着手，整合了AlScN/Mo薄膜沉积、刻蚀、量测等单步工艺，形成了可移植且通用性强的氮化铝压电薄膜工艺模块。SOI基底AlN压电工艺PDK兼顾了内容的多样性以及流片制备层面工艺的一致性，通过多步半导体制备工艺，实现了掺钪氮化铝压电复合层的图形化、钝化层保护、电极引线和金属互联等关键工艺步骤。SOI基底AlN压电工艺PDK介绍了SOI基底AlN压电工艺工艺的大致结构、制作工艺流程及工艺指标、版图制备标准、设计规范和订购流片方式。
图3：SOI基底AlN压电结构示意图
CSOI作为一种前沿的SOI技术，可以显著降低SOI晶圆器件和处理层间的寄生电容。在此基础上进行AlN工艺的图形化形成以Mo作电极、AlCu作导线的压电叠层结构，可以实现更高性能、更大自由度的器件功能。CSOI基底AlN压电工艺模块可以支撑不同频段、不同类型声学传感器及其他品类传感器的研制，在消费电子、工业、医疗等领域具有广泛的应用。CSOI基底AlN压电工艺PDK介绍了CSOI基底AlN压电工艺工艺的大致结构、制作工艺流程及工艺指标、版图制备标准、设计规范和订购流片方式。
图4：CSOI基底AlN压电结构示意图
干膜是一种高分子材料，通过紫外线照射后能够发生一种聚合反应，形成一种稳定的物质附着于硅片表面，从而达到阻挡电镀和刻蚀的功能，有时也作为聚合物材料留在硅片，起到结构层的作用，在生物类芯片中有着广泛应用。高厚度干膜PDK文件主要介绍高厚度干膜的大致结构、制作工艺流程、结构参数、版图规范和订购流片方式。
图5：高厚度干膜结构示意图
聚酰亚胺薄膜是一种性质稳定的高分子聚合物，其凭借高热稳定性、机械强度、耐化学性、介电性能和生物相容性等综合特性，被广泛应用于微电子、传感器、储能、生物医学和航空航天等领域。聚酰亚胺薄膜的牺牲释放是实现很多MEMS器件悬空结构可动功能的关键工艺。聚酰亚胺薄膜PDK依托MEMS红外传感器介绍了使用聚酰亚胺薄膜作为支撑结构的器件基本结构和大致制作工艺流程、薄膜释放的结构参数、版图规范、关键工艺参数和订购流片方式。
图6：聚酰亚胺薄膜构建悬空可动结构示意图
硅通孔（TSV，Through Silicon Via）技术是在芯片与芯片之间、晶圆和晶圆之间实现垂直导通。TSV由铜和多晶硅等导电物质的填充，实现硅通孔的垂直电气互联，这项技术是实现3D先进封装的关键技术之一。本公司开发的MEMS用金属硅通孔Cu-TSV基底，采用铜填充的硅通孔基板，形成高厚度（500 μm）、力学性能好的TSV基底，用于MEMS制造中的键合及3D集成等环节。MEMS用Cu-TSV基底PDK介绍了Cu-TSV基底的基本结构、制作工艺流程、结构参数、版图规范、关键工艺参数和订购流片方式。
图7：MEMS用Cu-TSV基底结构示意图
硅介质硅通孔是一种via-first TSV结构晶圆，通过对低阻硅晶圆进行图形化和介质层填充，使其形成上下联通的硅柱成为独立的单元，实现与金属TSV晶圆相仿的效果。硅介质硅通孔能够满足传统金属TSV晶圆无法满足的高温加工、低应力等特点，能够将垂直互联技术与CMOS和MEMS工艺完全兼容，不再受热预算的影响，使用via-first TSV结构，能够支持所有工艺段的加工，满足客户的需求。硅介质硅通孔PDK介绍了硅介质硅通孔的大致结构、制作工艺流程、结构参数、版图规范和订购流片方式。
图8：硅介质硅通孔基底结构示意图
吸气剂薄膜是获得和维持真空系统超高真空度的重要材料。近年来，基于微机械电子系统(MEMS)的真空器件朝着微型化、高性能、高稳定性和长寿命等方向发展，需要吸气量大、兼容性强的吸气剂来维持真空环境。我司开发的晶圆级别的吸气剂薄膜沉积及图形化技术与MEMS制程的整体工艺流程兼容。我们提供的钛基合金吸气剂，激活温度为450℃，结合晶圆级片上加热器集成模块，可实现片上MEMS密封腔内的高真空环境。片上薄膜吸气剂PDK介绍了吸气剂-微加热器集成模块的大致结构、制作工艺流程及性能/结构参数，以及吸气剂的版图规范、关键工艺参数和订购流片方式。
图9：片上薄膜吸气剂结构示意图
红外探测器的发展方向是非制冷、低成本和小型化。氧化钒（VOx）是多种价态的氧化钒成分混合的非晶或多晶薄膜，氧化钒薄膜材料是非制冷红外探测器的首选热敏电阻材料。具有合适的电阻值和大的电阻温度系数的氧化钒薄膜是实现高探测率的基础。氧化钒薄膜PDK介绍了使用氧化钒薄膜作为红外热敏材料的器件的基本结构和大致制作工艺流程，以及氧化钒薄膜的性能参数、版图规范、关键工艺参数和订购流片方式。
图10：氧化钒薄膜结构示意图
大背腔刻蚀工艺，采用了深反应离子刻蚀（DRIE）工艺，通过对工艺参数的调节，针对高刻蚀深度、高陡直度，实现背腔占空比大范围可控。DRIE利用干法刻蚀的各向异性，通过化学作用和物理作用对硅进行刻蚀，可以实现高深宽比结构的高效蚀刻，具有较好的选择性和过程可控性。这种技术主要包含三个步骤：钝化、各向异性刻蚀和各向同性刻蚀，三个过程交替进行。因此，对高深度、高陡直度的刻蚀需求非常适用。大背腔刻蚀PDK介绍了大背腔刻蚀工艺的大致结构、制作工艺流程、结构参数、版图规范和订购流片方式。
图11：大背腔刻蚀结构示意图
晶圆键合工艺通过化学和物理作用将两块同质或异质晶片紧密地结合起来，从而实现MEMS元件的电气互联、功能集成和器件封装，广泛应用于惯性器件、光电器件、压力器件等领域。本公司提供直接键合、阳极键合、热压键合、共晶键合和临时键合等键合工艺模块，利用上述模块进行的双层晶圆键合较为成熟，也可以整合多个键合模块进行三层及以上层数的晶圆键合。晶圆键合PDK介绍了本公司晶圆键合能力的类型、键合模块化信息、键合机台、键合工艺展示、键合效果检测服务和订购流片方式。
图12：晶圆键合测试图
图13：硅超透镜结构示意图
生物芯片是DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。通过半导体制造技术在硅基或玻璃基表面制备微纳结构阵列，将大量探针分子固定于微纳结构上后与带荧光标记的DNA或其他样品分子杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息，具有响应速度快、检测精度高和大批量制备的优势，在医疗领域具有广泛应用。本公司基于透明BF33玻璃衬底，在其表面沉积透明薄膜，并通过紫外纳米压印光刻工艺和干法刻蚀工艺制备纳米孔结构阵列，开发出荧光场生物芯片。荧光场生物芯片工艺PDK介绍了生物芯片的大致结构、制作工艺流程、结构参数、工艺能力、版图规范设计规范和订购流片方式。
图14：荧光场生物芯片结构示意图
附录1：MEMS专用SOI晶圆PDK附录2：MEMS专用CSOI晶圆PDK附录3：SOI基底AlN压电工艺PDK
附录4：CSOI基底AlN压电工艺PDK
附录5：高厚度干膜PDK
附录6：聚酰亚胺薄膜PDK
附录7：MEMS用Cu-TSV基底PDK
附录8：硅介质硅通孔PDK
附录9：片上薄膜吸气剂PDK
附录10：氧化钒薄膜PDK
附录11：大背腔刻蚀PDK
附录12：晶圆键合PDK
附录13：硅超透镜工艺PDK
附录14：荧光场生物芯片工艺PDK