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摘要：介绍了利用蒸发方法制备金属薄膜来实现MEMS工艺中的互连，采用剥离方法制作金属互连柱。分别在剥离层为双层AZ5214负胶、聚酰亚胺（ZKPI-305IID）和AZ5214负胶、ENPI剥离胶的情况下，实验并制备了金属Ni互连柱 （双层AZ5214金属柱高1.86μm，聚酰亚胺（ZKPI-305IID）和 AZ5214柱高2.0μm，ENPI柱高1.5μm），都起到了较好的互连作用。
关键词：微机电系统；互连；电子束蒸发；剥离技术
中图分类号：TN305.7；TN405.97 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)12-0012-03
1 引言
自半导体IC问世以来，微电子的核心代表 ——IC技术发展迅猛，经历了小规模(SSI)、中规模(MSI)、大规模(LSI)、超大规模(VLSI)和巨大规模 (ULSI)等5个时代[1]。每一次IC技术的进步和更新换代是以所加工的最小特征尺寸的缩小、硅片尺寸的加大及芯片的集成度的增加为标志。随着IC技术的发展,特征尺寸的缩小,封装密度和工作频率的不断提高, 芯片上互连线的截面积和线间距持续下降，导致了互连制作的难度加大。如何制作高性能的金属互连是现代半导体技术的关键。
利用蒸发法制备金属薄膜来实现在MEMS [2]工艺中的金属互连，在MEMS制作过程中，常常需要将传感器和电路控制部分连接，即要实现接触孔的电互连结构，为了与上层结构形成良好的电连接，就需要镀一层金属薄膜（如铝、镍等），在接触孔和上层传感器结构之间立一个金属互连柱。互连柱性能的好与坏，将直接影响到MEMS器件的工作性能。
在金属材料中，镍的电阻温度系数最大约为金属铂α值的1.7倍。在一般情况下镍的化学性能也比较稳定，与氧、硫、氯等元素不互作用。镍还能在表面生成一层致密的氧化镍，具有保护作用。镍的可焊性好，容易实现电气连接，镍资源丰富，价格只有铂材料的0.1％。在200℃以下，镍的电阻温度特性线性度较好，所以选择使用金属镍来作为MEMS工艺中上下层互连的导电电阻。
为了避免使用化学试剂湿法腐蚀，对图形轮廓及下层材料造成损坏，可采用剥离技术来制作金属互连柱。本文详细介绍了在几种不同剥离胶作剥离层时金属薄膜的制备，并进行了相应的比较。
2 互连金属薄膜制备实验
在zzs660真空镀膜机上，用真空电子束蒸发镀膜法制备金属Ni柱薄膜，真空镀膜机极限真空度为1.33×10 -5Pa，最大束流600mA，高压6kV，蒸发源镀材采用金属Ni块，放置于石墨坩锅内。电子束加热方法如图1所示[3]。由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电压的加速，并经过横向布置的磁场线圈偏转270°后到达被轰击的坩埚处，高能电子束的轰击使Ni块熔化，形成Ni蒸气，淀积到衬底表面。对于石墨坩锅内的Ni块，在熔化前，先用较小的束流60～70mA对Ni块进行预属铂α值的1.7倍。在一般情况下镍的化学性能也比较稳定，与氧、硫、氯等元素不互作用。镍还能在表面生成一层致密的氧化镍，具有保护作用。镍的可焊性好，容易实现电气连接，镍资源丰富，价格只有铂材料的0.1％。在200℃以下，镍的电阻温度特性线性度较好，所以选择使用金属镍来作为MEMS工艺中上下层互连的导电电阻。
为了避免使用化学试剂湿法腐蚀，对图形轮廓及下层材料造成损坏，可采用剥离技术来制作金属互连柱。本文详细介绍了在几种不同剥离胶作剥离层时金属薄膜的制备，并进行了相应的比较。
2 互连金属薄膜制备实验
在zzs660真空镀膜机上，用真空电子束蒸发镀膜法制备金属Ni柱薄膜，真空镀膜机极限真空度为1.33×10 -5Pa，最大束流600mA，高压6kV，蒸发源镀材采用金属Ni块，放置于石墨坩锅内。电子束加热方法如图1所示[3]。由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电压的加速，并经过横向布置的磁场线圈偏转270°后到达被轰击的坩埚处，高能电子束的轰击使Ni块熔化，形成Ni蒸气，淀积到衬底表面。对于石墨坩锅内的Ni块，在熔化前，先用较小的束流60～70mA对Ni块进行预热，使Ni块呈现红热状态，然后加大束流100～ 120mA使其熔化,调节横扫幅度和纵扫幅度使光斑在中心部位做正弦运动，同时不断加大束流至约 220mA，使膜料充分熔化以除气和除去膜料中可能含有的杂质。在预熔Ni块时呈蓝色火焰状,随着束流的增大，电子束呈红色火焰状，膜料表现呈球冠状。
图1是电子束加热原理图，金属薄膜制备流程图如图2。
实验中，采用剥离技术制作金属互连柱。剥离技术普遍用来代替离子束轰击难于刻蚀的金属材料，一般的剥离工艺首先涂上厚的光刻胶并形成图案，然后使用蒸发制备薄膜方法淀积金属薄层。接下来将基片浸到能溶解光刻胶的溶液里，直接淀积在基片上的金属图形将被保留，而淀积在光刻胶上的金属将随着光刻胶的溶解而从基片上脱落 [4]。使用的剥离胶主要有：双层AZ5214负胶剥离层、聚酰亚胺（ZKPI-305IID）和AZ5214负胶特性作剥离层、ENPI剥离胶。实验分别在三种剥离层情况下制备了金属互连柱。以下问题需要注意：
（1）实验蒸发距选择35cm，膜厚控制仪测量距离为65cm，所制备出来的薄膜厚度和膜厚控制仪测得的膜厚有一定比例关系[5]，要经过台阶测试仪得到实际膜厚。在制备工程中，膜厚主要由多次实验得到经验公式所得。
（2）剥离层所能承受烘烤温度各有不同，在薄膜制备过程中需要考虑到各种薄膜的承受而可不变形的温度，如果超过这个温度，由于剥离层会变形甚至融化流散而影响薄膜制备结果。
3 实验结果及分析
3.1 实验结果
三种剥离层情况下的最佳实验结果见表1。
（1）双层AZ5214负胶剥离层厚度3.7mm，蒸发制备互连金属柱高1.86mm，CCD拍摄结果如图3。
（2）聚酰亚胺（ZKPI-305IID）和AZ5214 负胶特性作剥离层厚度为4.2mm，蒸发制备互连金属柱高2.00 mm，CCD拍摄结果如图4。
（3）ENPI剥离胶作剥离层厚度为3mm，蒸发制备互连金属柱高1.5mm，CCD拍摄结果如图5。
3.2 结果分析
一般说来，薄膜的应力大小对于薄膜的质量起着决定性的作用，薄膜应力影响了光学基片的平面度、薄膜材料与基底的附着能力、薄膜微结构的生长模式、薄膜的性能等。而应力一般由热应力，内应力（本征应力）以及外应力组成[6]。
在双层AZ5214负胶作剥离层时，由于AZ5214 胶的耐高温性能较差，故在相对较低的温度下制备Ni薄膜，从表1、图3中看出，这导致了Ni薄膜与基底的附着能力较差，容易产生龟裂、脱落等现象。同时，产生的热应力比较大，导致图形变形，窗口侧壁倾斜，导致最终剥离出的金属图形侧壁出现斜坡。
选择ZKPI＋AZ5214剥离层时，剥离层抗高温度能力显著提高，抗应变能力优于双层AZ5214负胶，从表1、图4中看出，图形变形较小，剥离出来后金属图形较好。但由于胶层较厚，所需制备的金属互连柱较高（达到2.0 mm），导致膜层的附着能力变差，仍然会产生部分龟裂、膜层脱离的情况，但因为膜层的应力较小仍然使金属互连的性能优于双层AZ5214。
而使用ENPI专用剥离胶作剥离层，一方面其抗高温能力、抗应变能力较前两者都强，这使得膜层的应力减小；另一方面，由于剥离层厚度较小（3mm），所需制备的金属互连柱较低（1.5mm），所以膜层的附着能力较强。从表1、图5 中看出，图形完好，剥离后的金属互连柱变形很小，金属互连性能提高。
4 结论
通过实验论证了使用蒸发方法制备金属Ni柱来进行互连的可行性。分别在不同情况下，实验并制备了金属Ni互连柱，证实都起到了较好的互连作用。通过实验比较了以上几种剥离层的特性，并得出了使用ENPI剥离胶作为剥离层能使金属互连性能提高的结论。
本文研究的金属互连柱的制备方法已经成功运用于一些MEMS工艺中，例如红外焦平面阵列与CMOS读出电路的电互连。 |
