硅微MEMS加工工藝

硅微MEMS加工工藝,王曉浩 EMAIL：wangxh 電話：62772232,硅微MEMS發(fā)展里程碑,1987年UCBerkeley在硅片上制造出靜電電機(jī) 90年代初ADI公司研制出低成本集成硅微加速度傳感器，用于汽車氣囊。 90年代末期美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室發(fā)表5層多晶硅工藝。,硅微MEMS工藝發(fā)展趨勢(shì),表面犧牲層技術(shù)向多層、集成化方向發(fā)展； 體硅工藝主要表現(xiàn)為鍵合與深刻蝕技術(shù)的組合，追求大質(zhì)量塊和低應(yīng)力； 表面工藝與體硅工藝進(jìn)一步結(jié)合； 設(shè)計(jì)手段向?qū)Ｓ肅AD工具方向發(fā)展。,硅微MEMS工藝主要手段,MEMS與IC工藝主要差別,典型硅微MEMS工藝,體硅腐蝕 犧牲層技術(shù) 雙面光刻 自停止腐蝕 深槽技術(shù) LIGA技術(shù) 鍵合技術(shù),體硅各向異性腐蝕技術(shù),各向異性(Anisotropy) 各向異性腐蝕液通常對(duì)單晶硅(111)面的腐蝕速率與(100)面的腐蝕速率之比很大，因?yàn)椋?(111)面有較高的原子密度，水分子容易附著在(111)面上； (100)面每個(gè)原子具有兩個(gè)懸掛鍵，而(111)面每個(gè)原子只有一個(gè)懸掛鍵，移去(111)面的原子所需的能量比(100)面要高。,體硅各向異性腐蝕,是利用腐蝕液對(duì)單晶硅不同晶向腐蝕速率不同的特性，使用抗蝕材料作掩膜，用光刻、干法腐蝕和濕法腐蝕等手段制作掩膜圖形后進(jìn)行的較大深度的腐蝕。 機(jī)理：腐蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化態(tài)Si+，而羥基OH-與Si+形成可溶解的硅氫氧化物的過(guò)程。,各向異性腐蝕計(jì)算,設(shè)計(jì)公式： a是腐蝕后坑底的邊長(zhǎng)，b是掩膜版上窗口的邊長(zhǎng)，d是腐蝕深度，=54.74，是(100)面和(111)面的夾角。是各向異性比，R(100)和R(100)分別是腐蝕液對(duì)(100)面和(111)面的腐蝕速率，和腐蝕液的種類及腐蝕條件有關(guān)。 腐蝕窗口短邊存在最小尺寸：,各向異性腐蝕液,腐蝕液： 無(wú)機(jī)腐蝕液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等； 有機(jī)腐蝕液：EPW、TMAH和聯(lián)胺等。 常用體硅腐蝕液： 氫氧化鉀(KOH)系列溶液； EPW(E：乙二胺，P：鄰苯二酚，W：水)系列溶液。 乙二胺(NH2(CH2) 2NH2) 鄰苯二酚(C6H4(OH) 2) 水(H2O),EPW腐蝕條件,腐蝕溫度：115左右 反應(yīng)容器在甘油池內(nèi)加熱，加熱均勻； 防止乙二胺揮發(fā)，冷凝回流； 磁裝置攪拌，保證腐蝕液均勻； 在反應(yīng)時(shí)通氮?dú)饧右员Ｗo(hù)。 掩膜層：用SiO2，厚度4000埃以上。,腐蝕設(shè)備,影響腐蝕質(zhì)量因素,腐蝕液成分 新舊腐蝕液 試劑重復(fù)性 溫度 保護(hù) 攪拌,犧牲層技術(shù),屬硅表面加工技術(shù)。 是加工懸空和活動(dòng)結(jié)構(gòu)的有效途徑。 采用此種方法可無(wú)組裝一次制成具有活動(dòng)部件的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。 犧牲層材料,影響犧牲層腐蝕的因素,犧牲層厚度 腐蝕孔陣列 塌陷和粘連及防止方法 酒精、液態(tài)CO2置換水； 依靠支撐結(jié)構(gòu)防止塌陷。,典型犧牲層腐蝕工藝,) 氧化，做體硅腐蝕掩膜層； ) 光刻氧化層，開體硅腐蝕窗口； ) 體硅腐蝕出所需底層結(jié)構(gòu)； ) 去除SiO2； ) 生長(zhǎng)或淀積犧牲層材料； ) 光刻犧牲層材料成所需結(jié)構(gòu)； ) 生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)材料； ) 光刻結(jié)構(gòu)材料； ) 犧牲層腐蝕，釋放結(jié)構(gòu)層； ) 防粘結(jié)處理。,自停止腐蝕技術(shù),機(jī)理： EPW和KOH對(duì)硅的腐蝕在摻雜濃度小于11019cm-3時(shí)基本為常數(shù)，超過(guò)該濃度時(shí)，腐蝕速率與摻雜硼濃度的4次方成反比，達(dá)到一定的濃度時(shí)，腐蝕速率很小，甚至可以認(rèn)為腐蝕“停止”。 腐蝕速率經(jīng)驗(yàn)公式： Ri為低速區(qū)的腐蝕速率，N0為閾值濃度，NB為摻雜濃度，a與腐蝕液的種類有關(guān)，用EPW腐蝕可取4。,自停止腐蝕典型工藝流程,雙面光刻,MEMS器件的結(jié)構(gòu)一般是平面化的三維結(jié)構(gòu)，很多器件兩面都有結(jié)構(gòu)或圖形，而且有對(duì)準(zhǔn)要求，需要雙面光刻。 設(shè)備：投影雙面光刻機(jī)或紅外雙面光刻機(jī)。,雙面光刻制版問(wèn)題,兩面圖形不同 考慮鏡向問(wèn)題,雙面光刻制版問(wèn)題,兩面圖形相同 子圖形呈中心對(duì)稱分布 子圖形不左右對(duì)稱分布，且兩面的圖形上下反對(duì)稱分布，則整個(gè)硅片上所有芯片的圖形應(yīng)該都是從左向右或從右向左的； 子圖形不左右對(duì)稱分布，且兩面的圖形上下對(duì)稱分布，則硅片上左右兩半邊的芯片圖形應(yīng)該是反向分布的，都指向中心或背向中心。,針孔問(wèn)題,流程1（出現(xiàn)針孔）： 熱氧化SiO2 ，LPCVD Si3N4； 背面光刻，腐蝕Si3N4和SiO2； 正面光刻，腐蝕Si3N4和SiO2； )體硅腐蝕。 流程2（不出現(xiàn)針孔）： 熱氧化SiO2，LPCVD Si3N4； 背面光刻，腐蝕Si3N4，不去膠； 正面光刻，腐蝕Si3N4和SiO2，去膠； 體硅腐蝕。,凸角腐蝕補(bǔ)償,凸角腐蝕是指在硅島或硅梁的腐蝕成型過(guò)程中，凸角部分被腐蝕掉的現(xiàn)象，體硅各向異性腐蝕時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)，這是因?yàn)閷?duì)(100)晶面的硅片體硅腐蝕時(shí)，凸角的邊緣與110方向平行，而腐蝕液對(duì)此方向的腐蝕速度較快。若要腐蝕出帶凸角的整齊的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，必須采取凸角補(bǔ)償。,凸角腐蝕補(bǔ)償,相關(guān)尺寸 補(bǔ)償角及補(bǔ)償