文章來源：芯學(xué)知

原文作者：芯啟未來

本文介紹了MEMS制造領(lǐng)域中光刻Overlay的概念，以及控制優(yōu)化的方法。

在MEMS（微機電系統(tǒng)）制造領(lǐng)域，光刻工藝是決定版圖中的圖案能否精確 “印刷” 到硅片上的核心環(huán)節(jié)。光刻Overlay（套刻精度），則是衡量光刻機將不同層設(shè)計圖案對準(zhǔn)精度的關(guān)鍵指標(biāo)。光刻Overlay指的是芯片制造過程中，前后兩次光刻工藝形成的電路圖案之間的對準(zhǔn)精度。

對于MEMS器件而言，Overlay的精準(zhǔn)度至關(guān)重要。以壓力芯片為例，需要進行正反套刻，精確的對準(zhǔn)是保證壓力敏感元件與振動膜片相對位置正確的基礎(chǔ)，任何Overlay誤差都可能導(dǎo)致壓力感知偏差，影響芯片對壓力變化的精確測量。陀螺儀芯片中，Overlay精度決定了微機械振動結(jié)構(gòu)與檢測電極的相對位置關(guān)系，若出現(xiàn)較大誤差，會使陀螺儀的靈敏度和穩(wěn)定性大幅下降，無法為慣性導(dǎo)航等應(yīng)用提供可靠的角度測量數(shù)據(jù)。

壓力傳感器壓阻與膜片相對位置Overlay

Overlay誤差來源于光刻對準(zhǔn)誤差，曝光時，光刻機需要對準(zhǔn)前一層的對準(zhǔn)標(biāo)記，但由于光學(xué)系統(tǒng)的誤差，可能導(dǎo)致輕微偏移。例如，光學(xué)元件的制造精度限制以及長時間使用后的磨損，都可能使對準(zhǔn)過程中出現(xiàn)偏差，使得當(dāng)前光刻層的圖案與前一層不能精確重合。

除了光刻對準(zhǔn)誤差，MEMS工藝誤差也會引起Overlay。沉積SiO?、Si?N?或金屬層時，材料的應(yīng)力可能導(dǎo)致晶圓局部變形。不同材料在沉積過程中會產(chǎn)生不同程度的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)這些應(yīng)力積累到一定程度，就會使晶圓發(fā)生彎曲或翹曲，使得后續(xù)光刻層在對準(zhǔn)和圖案轉(zhuǎn)移時出現(xiàn)偏差。高溫工藝（如氧化、退火）可能導(dǎo)致晶圓膨脹或翹曲。在高溫環(huán)境下，晶圓材料的熱膨脹系數(shù)不同，會使得晶圓內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而發(fā)生形變。這種形變會影響后續(xù)光刻層的對準(zhǔn)精度，導(dǎo)致圖案錯位。

MEMS工藝中翹曲對Overlay的影響圖示

如何進行Overlay誤差的控制和優(yōu)化呢？在IC工藝中，光學(xué)鄰近效應(yīng)修正(Optical Proximity Correction,OPC)就是使用計算方法對掩模版上的圖形做修正，使得投影到光刻膠上的圖形盡量符合設(shè)計要求，從而對Overlay誤差進行控制。在MEMS工藝中，很少用到OPC，MEMS器件都是微米或者亞微米的線寬，光學(xué)補償使用較少。在MEMS工藝中，主要還是通過高精度光刻機提升Overlay精度的。在工藝層面，選用熱膨脹系數(shù)相近的材料，能夠有效降低溫度變化引起的層間錯位。例如，在沉積SiO?、Si?N?或金屬層時，合理搭配材料，減少因材料熱膨脹差異產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，進而降低晶圓的形變程度，提高Overlay精度。