AlScN压电集成MEMS技术(PIMT)的准标准平台用于多项目晶圆制造

《Advanced Sensor Research》：Quasi-Standard Platform of AlScN Piezoelectric Integrated MEMS Technology (PIMT) For Multi-Project Wafer Fabrication

　　

压电MEMS器件是MEMS技术的一个关键分支，因其高集成度、小型化、稳定性和可靠性而备受重视。然而，现有的标准化制造难以满足多样化的设计和研发需求。本文介绍了一种用于多项目晶圆(MPW)制造的8英寸准标准压电集成MEMS技术(PIMT)平台，该平台集成了核心工艺并支持额外工艺以适应不同器件需求。经过三次流片迭代，该平台现在以三个核心工艺为中心，并辅以补充工艺。本文详细介绍了PIMT中的所有工艺模块、工艺窗口和设计规则。通过工艺控制监控(PCM)，确保关键工艺步骤被准确执行。同时，还展示了PIMT平台在三轮流片中生产的各类MEMS器件的关键性能，并详细阐述了最具影响力的工艺步骤对器件性能的影响。该平台有效地加速了研发原型制作。

**论文解读：AlScN压电集成MEMS技术(PIMT)准标准平台用于多项目晶圆制造**

**研究背景与问题**
MEMS器件是微机电系统的核心，压电MEMS因其高集成度、微型化、稳定性和可靠性成为重要分支，广泛应用于传感器（如加速度计、麦克风）和致动器（如微镜、压电微超声换能器）。然而，MEMS器件的研发和原型验证成本远高于传统集成电路(IC)，主要源于其复杂的3D结构、多种专用材料（如氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、氮化铝钪(AlScN)）以及非标准化工艺。多项目晶圆(MPW)模式在IC领域已成熟（如台积电、三星提供MPW服务），可显著降低研发成本，但MEMS的MPW面临标准化挑战：工艺与应用高度相关，不同器件结构（悬臂梁、腔体、薄膜）需要特殊工艺（如深反应离子刻蚀、双面加工、晶圆键合），且材料间的交叉污染和工艺不兼容问题突出。现有MEMS MPW方案（如MEMSCAP的MUMPs系列）虽能支持部分器件，但受限于固定工艺菜单，无法调整材料类型、厚度或工艺步骤，严重限制设计灵活性。因此，需要一个兼具标准化和灵活性的准标准平台，以平衡制造一致性与设计多样性，推动压电MEMS领域创新。

**研究内容与结论**
研究人员提出了一个8英寸准标准压电集成MEMS技术(PIMT)平台，专为MPW制造设计。该平台基于三个核心工艺模块（压电薄膜堆栈、电互连、硅框架）和四个附加工艺模块（Cavity-SOI、压敏电阻、光学涂层、晶圆键合），通过三次MPW流片（MPW1: 2022年11月–2023年5月，MPW2: 2024年3月–2024年11月，MPW3: 2025年4月–2025年11月）验证了其兼容性和可扩展性。平台集成了AlScN（钪掺杂浓度≤30%）、PZT（仅单压电层）和AlN等压电材料，并采用非Bosch深硅刻蚀（HBr气体）提升侧壁光滑度，以及双压电层结构（bimorph）增强致动能力。通过工艺控制监控(PCM)（包括压电系数d₃₃、膜厚、应力、临界尺寸等）实时监测工艺质量，确保3次流片中共110种器件（包括压电微镜、可调法布里-珀罗滤波器、高温加速度计）的成功制造。研究结论表明，该平台可将原型设计到制造的平均偏差控制在10%以内，显著降低研发成本并加速创新周期，例如谐振扫描微镜(RSM)扫描角提升约60%，准静态微镜(QSM)线性度>98%，高温加速度计(HTA)在200°C下灵敏度漂移降低16倍，可调滤波器透射率>75%。该平台发表于《Advanced Sensor Research》，为压电MEMS社区提供了新的标准化制造途径。

**关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法（忽略试剂和具体培养、质粒构建步骤）：
1. **压电薄膜沉积**：反应磁控溅射（合金靶AlSc_0.2）沉积AlScN薄膜，种子层约5nm AlN确保晶向。
2. **压电薄膜刻蚀**：感应耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)结合湿法刻蚀（25%四甲基氢氧化铵(TMAH)）以改善刻蚀选择比。
3. **非Bosch深硅刻蚀**：基于HBr气体的非Bosch工艺，用于器件层硅结构，侧壁粗糙度从439nm降至58nm。
4. **Cavity-SOI制备**：背磨键合堆叠，化学机械抛光(CMP)减薄至目标厚度（低压3 psi，约12个循环）。
5. **压敏电阻制作**：N型/P型离子注入（P/B离子，能量40–150keV，剂量10¹³–10¹⁶ cm^?2），退火温度≥900°C。
6. **光学涂层**：阴影掩模组装后低温蒸发，制备高反射(HR)和抗反射(AR)分布式布拉格反射器(DBR)（SiO₂/TiO₂多层结构）。
7. **晶圆键合**：Al-Ge键合（425–450°C）和Au-Au键合（300–400°C），用于集成硅基热应力隔离结构(SIS)和法布里-珀罗(FP)腔体。
样本队列来源：三次MPW流片，包含来自不同设计项目的110种器件，无特定队列说明。

**研究结果**
**3.1 三轮MPW结果总结**
通过三次MPW流片，研究人员将79–93张光刻掩模整合为10–18张掩模组。MPW1以微镜和FP滤波器为主，共5个项目24个设计变体；MPW2包含6个项目49个设计变体，首次采用Cavity-SOI；MPW3集成6个项目37个设计变体，引入双压电层AlScN薄膜和晶圆级DBR。基于谐振频率偏差评估，三轮平均偏差分别为4.32%、5.63%和2.18%，MPW3通过优化背面深硅刻蚀(DE2)均匀性（透光率20–40%）显著降低高频器件偏差。
**3.2 谐振扫描微镜(RSM)**
RSM采用非Bosch深硅刻蚀工艺，侧壁粗糙度从439nm降至58nm，避免应力集中导致断裂。双轴扫描角超过100°，矩形扫描面积提升约60%，通过900g三轴冲击和20g振动测试。
**3.3 准静态微镜(QSM)**
QSM集成压敏电阻(PZR)和双压电层AlScN薄膜。PZR基于N型/P型离子注入，在应力集中区形成惠斯通电桥，输出非线性<0.09% @ 60 μrad，最小角分辨率0.3 μrad @ 16.5 mV。双压电层结构使10mm和15mm镜面偏转角分别提升27%和65%，线性度>98%。
**3.4 网格结构单轴准静态微镜(SQM)**
SQM采用Cavity-SOI衬底，器件层硅厚度40μm，网格结构深度20μm。与SOI衬底相比，偏转角提升242%，电压-位移非线性<0.3%。晶圆内偏差1.84%，晶圆间偏差4.80%，主要源于网格刻蚀深度和钝化层工艺波动。
**3.5 压电高温加速度计(HTA)**
HTA利用AlScN薄膜的高温稳定性（XRD摇摆曲线在600°C内半高宽波动<0.03°）。通过晶圆级硅基热应力隔离结构(SIS)与Al-Ge键合集成，在室温至200°C范围内灵敏度漂移降低约16倍（≤0.55 pC/g）。工作频率0.5–7000 Hz，测量范围±500g，横向灵敏度≤2%，温度系数0.015%/°C。
**3.6 压电可调法布里-珀罗滤波器(FP滤波器)**
FP滤波器采用Au-Au键合形成高平行度镜面（夹角≤0.024°），DBR中心波长1550 nm。在80nm可调范围内透射率>75%，透射偏差<3%，表明腔体平行度极高。

**讨论与结论**
讨论部分强调：PIMT平台通过模块化工艺组合和PCM监控，有效平衡了标准化与设计灵活性。三次MPW流片验证了平台对多种压电MEMS器件的兼容性，包括致动器（微镜、FP滤波器）和传感器（加速度计）。关键工艺步骤（如深硅刻蚀形貌、压电膜应力、钝化层厚度）对器件性能的影响被量化，并针对性优化（如非Bosch工艺、Cavity-SOI、双压电层）。平台局限性在于目前不支持CMOS集成和大规模阵列，需未来研究扩展。
结论翻译：已基于核心工艺建立了一个8英寸准标准PIMT平台，通过组织与标准化多个工艺模块实现。结合附加工艺模块，该平台满足大多数压电MEMS器件的MPW制造需求。平台在运行中采用特定工艺窗口和规则，通过PCM实现端到端监控，有效保障MPW产出质量。基于核心工艺，整合了双压电层薄膜套件工艺和非Bosch深硅刻蚀工艺，进一步增强了PIMT-MPW支持的器件性能能力。通过三轮MPW加工，生产了涵盖惯性、光学和机械特性的多物理量传感器和致动器套件，制造偏差控制在10%以内。该平台实现的器件性能基本满足设计者需求，如利用双压电层薄膜技术实现大扫描角QSM，非Bosch工艺增强压电RSM扫描范围，器件层Cavity-SOI工艺用于压电网格结构SQM，高质量AlScN沉积工艺用于高温环境HTA，以及光学涂层和晶圆键合工艺用于超高平行度可调FP滤波器。这些成果表明该平台在压电MEMS器件开发中具有显著实际应用潜力。此外，MPW概念在压电MEMS领域的验证加速了压电MEMS制造平台的标准化和模块化，有助于降低研发成本并加快创新周期。未来研究除继续扩展平台兼容的器件设计范围、拓宽可用参数、优化压电材料性能外，还应发展CMOS集成和压电MEMS阵列能力，以解决当前PIMT平台的局限性。