什么是MEMS中的Overlay？

中国科学院半导体研究所 2025年06月16日 18:02 北京

文章来源：芯学知

原文作者：芯启未来

本文介绍了MEMS制造领域中光刻Overlay的概念，以及控制优化的方法。

在 MEMS（微机电系统）制造领域，光刻工艺是决定版图中的图案能否精确 “印刷” 到硅片上的核心环节。光刻 Overlay（套刻精度），则是衡量光刻机将不同层设计图案对准精度的关键指标。光刻 Overlay 指的是芯片制造过程中，前后两次光刻工艺形成的电路图案之间的对准精度。

对于 MEMS 器件而言，Overlay的精准度至关重要。以压力芯片为例，需要进行正反套刻，精确的对准是保证压力敏感元件与振动膜片相对位置正确的基础，任何 Overlay 误差都可能导致压力感知偏差，影响芯片对压力变化的精确测量。陀螺仪芯片中，Overlay 精度决定了微机械振动结构与检测电极的相对位置关系，若出现较大误差，会使陀螺仪的灵敏度和稳定性大幅下降，无法为惯性导航等应用提供可靠的角度测量数据。

压力传感器压阻与膜片相对位置Overlay

Overlay误差来源于光刻对准误差，曝光时，光刻机需要对准前一层的对准标记，但由于光学系统的误差，可能导致轻微偏移。例如，光学元件的制造精度限制以及长时间使用后的磨损，都可能使对准过程中出现偏差，使得当前光刻层的图案与前一层不能精确重合。

除了光刻对准误差，MEMS工艺误差也会引起Overlay。沉积SiO₂、Si₃N₄或金属层时，材料的应力可能导致晶圆局部变形。不同材料在沉积过程中会产生不同程度的内应力，当这些应力积累到一定程度，就会使晶圆发生弯曲或翘曲，使得后续光刻层在对准和图案转移时出现偏差。高温工艺（如氧化、退火）可能导致晶圆膨胀或翘曲。在高温环境下，晶圆材料的热膨胀系数不同，会使得晶圆内部产生热应力，从而发生形变。这种形变会影响后续光刻层的对准精度，导致图案错位。

MEMS工艺中翘曲对Overlay的影响图示

如何进行Overlay误差的控制和优化呢？在IC工艺中，光学邻近效应修正(Optical Proximity Correction,OPC)就是使用计算方法对掩模版上的图形做修正，使得投影到光刻胶上的图形尽量符合设计要求，从而对Overlay误差进行控制。在MEMS工艺中，很少用到OPC，MEMS器件都是微米或者亚微米的线宽，光学补偿使用较少。在MEMS工艺中，主要还是通过高精度光刻机提升Overlay精度的。在工艺层面，选用热膨胀系数相近的材料，能够有效降低温度变化引起的层间错位。例如，在沉积 SiO₂、Si₃N₄或金属层时，合理搭配材料，减少因材料热膨胀差异产生的内应力，进而降低晶圆的形变程度，提高Overlay精度。

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