用于提高基于SOI的MEMS开关电接触性能的侧壁金属化工艺

《Micro and Nanostructures》：Side-wall metallization process for enhanced electrical contact in SOI-based MEMS switches

选择性金属涂覆工艺在硅基SOI工艺中实现MEMS惯性开关低接触电阻

　　在微机电系统（MEMS）领域，惯性开关因其在低功耗、事件驱动的传感应用中的独特优势而受到广泛关注。这类开关能够在特定的加速度阈值被触发时，通过机械方式闭合电气接触，从而实现信号的传递。与传统的加速度计不同，惯性开关并不需要持续运行，因此可以显著降低能耗并提高系统的整体效率。然而，当前基于硅绝缘体（SOI）技术的MEMS惯性开关仍面临一个关键问题，即硅-硅接触界面的高接触电阻，这会严重影响其电气性能和可靠性。

为了解决这一问题，本研究提出了一种创新的制造工艺，该工艺在SOI基MEMS惯性开关的制造过程中，实现对接触侧壁的选择性金属涂层。通过这一方法，可以在不破坏现有MEMS制造流程的前提下，显著降低接触电阻，从而提升开关的性能和稳定性。这一工艺的引入，不仅克服了传统方法中因释放后处理而导致的污染、结构损伤或短路风险，还避免了使用干膜光刻胶等复杂材料所带来的对最小特征尺寸的限制。

在制造流程中，首先利用直接写入光刻（DWL）技术在晶圆的正面（FS）上图案化出定义惯性接触区域的沟槽，随后通过深反应离子刻蚀（DRIE）工艺在埋氧化层（BOX）作为蚀刻停止层的情况下进行深度加工。为了确保金属层能够有效附着于沟槽侧壁，采用了一种基于EKC的清洗工艺，以去除DRIE过程中残留的防粘材料（如特氟龙），并结合软性氩气等离子体蚀刻进一步优化表面清洁度。接下来，通过物理气相沉积（PVD）技术，采用定向溅射的方式在沟槽侧壁上沉积300纳米厚的铝硅铜（AlSiCu）合金层。由于溅射过程的特性，金属沉积在沟槽侧壁上呈现出明显的非均匀性，尤其是在由DRIE引起的沟槽波浪形（scalloping）结构的下部区域，金属覆盖程度较低。

为了保护已沉积的金属层，并确保后续加工步骤的兼容性，采用了一种厚的光刻胶（PI）作为掩膜层，对沟槽进行填充和图案化。随后，通过选择性干法蚀刻去除金属层上不需要的部分，仅保留金属在电极区域和连接垫上。为防止后续工艺对已处理的表面造成污染或损坏，沉积了一层薄的二氧化硅（SiO?）作为保护层，并通过化学机械抛光（CMP）工艺实现表面的平整化。最后，利用PECVD技术在晶圆的正面和背面（BS）分别沉积3微米和5微米厚的二氧化硅层，作为后续标准MEMS制造流程中的硬掩膜。

本研究的制造工艺与传统MEMS工艺高度兼容，无需额外的释放后处理或干膜光刻胶的使用。这一特点使得工艺更加简洁，同时保证了制造过程的稳定性与可扩展性。通过SEM和光学显微镜检查，确认了沟槽图案的正确转移、沟槽形成以及抛光后的表面平整度。EDX分析进一步验证了金属层在沟槽侧壁上的存在，尽管其覆盖范围存在不均匀性，特别是在沟槽波浪形结构的下部区域，金属沉积的覆盖率明显降低。这种非均匀覆盖主要是由于DRIE过程中形成的沟槽波浪形结构，导致溅射材料在下部区域的沉积受限，形成局部的阴影效应。

在实验测试中，对制造的MEMS惯性开关进行了接触电阻的测量。结果显示，未进行金属涂层的区域接触电阻高达3千欧，而在金属涂层区域，接触电阻显著降低至200欧。这一结果表明，金属涂层在降低接触电阻方面具有明显效果。然而，由于电极之间的非平面位移（约250纳米），在正常情况下未能实现金属-金属（Al-Al）接触，导致初始测试中未能检测到有效的电流传输。通过施加额外的机械力，成功建立了电气接触，进一步验证了金属涂层在特定条件下的有效性。

为进一步验证沟槽波浪形结构对金属沉积的影响，研究者在已释放的设备上增加了100纳米的金属沉积。这一改进使得接触电阻从约1.4千欧显著降低，表明通过增加金属厚度，可以有效改善沟槽波浪形结构对沉积覆盖率的限制。这一发现为未来优化金属沉积工艺提供了重要线索，即在保证金属沉积均匀性的前提下，可以通过增加金属厚度或采用其他沉积技术，进一步提升MEMS惯性开关的电气性能。

本研究的成果不仅为实现低电阻、高可靠性、可扩展的MEMS惯性开关提供了可行的制造方案，也为后续的工艺优化奠定了基础。通过在制造过程中集成金属侧壁沉积，可以有效避免传统方法中释放后处理所带来的各种问题，同时保持与标准MEMS制造流程的兼容性。这一工艺的实施，为未来在各种低功耗、事件驱动的传感系统中广泛应用MEMS惯性开关提供了技术支持。

此外，研究还探讨了接触设计对开关性能的影响。为了减少粘附现象（stiction），在固定电极上设计了微小的接触凸起，这些凸起能够降低实际接触面积，从而减少表面力对电极移动的限制。这种设计不仅有助于提高开关的可靠性，还能够确保电极在接触后能够顺利返回到初始位置，避免因粘附而导致的机械卡死。通过调整电极数量和分布，可以进一步优化开关的性能，例如降低接触电阻并延长使用寿命。

本研究提出的制造工艺，通过在制造过程中集成金属侧壁沉积，实现了对接触区域的精确金属化，同时避免了传统方法中的诸多限制。这一工艺的引入，使得MEMS惯性开关在保持机械性能的同时，能够显著提升其电气性能，为低功耗传感系统提供了一种可靠的选择。研究结果表明，尽管金属沉积存在一定的非均匀性，但通过增加沉积厚度或改进沉积技术，可以有效克服这一问题，从而进一步提升开关的性能。

未来的工作可以围绕如何优化金属沉积工艺，以实现更均匀的覆盖，特别是在沟槽波浪形结构的下部区域。此外，研究还可以探索其他金属材料或沉积方法，以提高金属层的导电性和耐久性。同时，通过改进电极设计，减少因非平面位移而导致的接触问题，可以进一步提升MEMS惯性开关的性能和可靠性。这些改进措施将有助于推动MEMS惯性开关在更多实际应用中的发展，如在运输监测、可穿戴设备和物联网（IoT）系统中的广泛应用。

综上所述，本研究通过一种创新的制造工艺，成功实现了对SOI基MEMS惯性开关接触侧壁的金属化处理，显著降低了接触电阻，提高了开关的可靠性。这一成果不仅为MEMS惯性开关的制造提供了新的思路，也为未来在低功耗、高精度传感领域的应用奠定了坚实的基础。通过不断优化制造工艺和电极设计，有望进一步提升MEMS惯性开关的性能，使其在更多实际场景中发挥重要作用。