硅微加工工藝

1、硅微細(xì)加工工藝2硅微細(xì)加工工藝1、硅2、硅的體微加工技術(shù)3、硅的表面微加工技術(shù)1、硅 單晶硅是mems和微系統(tǒng)采用最廣泛的材料。單晶硅的特點(diǎn)： a.良好的傳感性能，如光電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等； b.單晶硅的楊氏模量、硬度和抗拉強(qiáng)度與不銹鋼非常接近，但其質(zhì)量密度與鋁相仿； c.非常脆，不能產(chǎn)生塑性變形； d.熱膨脹系數(shù)小，熔點(diǎn)較高； e.硅材料是各向異性的。42、硅的體微加工技術(shù) 硅微細(xì)加工（silicon micromachining）主要是指以硅材料為基礎(chǔ)制作各種微機(jī)械零部件的加工技術(shù)?？傮w上分為體加工和面加工兩大類。 體加工主要指各種硅刻蝕（腐蝕）技術(shù)，而面加工則指各種薄膜制備技術(shù)。

2、52.1硅的體微加工技術(shù) 硅的體微加工（bulk micromachining）技術(shù)是指利用刻蝕（etching）等工藝對(duì)塊硅進(jìn)行準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的微加工，即去除部分基體或襯底材料，以形成所需要的硅微結(jié)構(gòu)。 刻蝕法分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩類。62.1.1濕法刻蝕 濕法刻蝕是通過化學(xué)刻蝕液和被刻物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)將被刻蝕物質(zhì)剝離下來的刻蝕方法。 工藝特點(diǎn) 設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低 可控參數(shù)多，適用于研發(fā) 受外界環(huán)境影響大（濃度、溫度、攪拌、時(shí)間） 有些材料難以腐蝕7濕法刻蝕方向性 各向同性刻蝕刻蝕速率在不同方向上沒有差別 各向異性刻蝕對(duì)不同晶面的刻蝕速率由明顯的差別8各向同性濕法刻蝕 常用的各向同性

3、刻蝕劑是hna系統(tǒng)，它是hf（氫氟酸）、hno3（硝酸）、ch3cooh（乙酸）和水的混合溶液。 濕法單晶硅刻蝕劑的刻蝕機(jī)理：(a)空穴注入硅后形成si2+或si+；(b)si2+與oh聚合為si(oh)22+；(c)在溶液中，硅氫氧化物（硅化物）與溶液中的絡(luò)合劑產(chǎn)生反應(yīng)；(d)反應(yīng)的產(chǎn)物溶解在溶液中。9各向同性刻蝕的停蝕技術(shù) hna系統(tǒng)在高稀釋情況下(如體積1hf+3hno3+8ch3cooh)可以對(duì)摻雜濃度不同的硅進(jìn)行選擇性刻蝕。 實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于高摻雜硅和低摻雜硅，在hna系統(tǒng)刻蝕2min后，其刻蝕深度比為160:1；隨時(shí)間的推移，15min后，比值降為6.7:1。這是由于在反應(yīng)中亞硝酸(

4、hno2)增加，導(dǎo)致了兩種硅的刻蝕程度開始接近。 為了保持較好的選擇性刻蝕效果，可以加入氧化劑（如雙氧水h2o2）或還原劑（如疊氮化鈉nan3）以控制hno2的產(chǎn)生，這樣就可以達(dá)到對(duì)低摻雜硅幾乎不刻蝕的停蝕效果。10各向異性濕法刻蝕 各向異性刻蝕是指在某個(gè)方向上的刻蝕速率遠(yuǎn)大于另一個(gè)方向。 機(jī)理：刻蝕液發(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程。 特點(diǎn)： 刻蝕速率比各向同性刻蝕慢，速率僅達(dá)1um/min； 刻蝕速率受溫度影響； 在刻蝕過程中需要將溫度升高到100oc左右，從而影響到很多光刻膠的使用。11刻蝕液 無機(jī)刻蝕液：koh、naoh、lioh和nh4

5、oh等。 有機(jī)刻蝕液：epw、tmahw和聯(lián)氨等。 常用體硅刻蝕液： (1)koh系列溶液； (2)epw（e：乙二胺；p：鄰苯二酚；w：水）系列溶液。 這些刻蝕劑的共同特點(diǎn)：對(duì)硅的100晶面的刻蝕速度最快，110晶面次之，111晶面的刻蝕速度最慢。 硅在111和100晶面的刻蝕速度之比為1:400。12各向異性刻蝕的停蝕技術(shù) 主要方法有：重?fù)诫s停蝕、(111)面停蝕、電化學(xué)停蝕和pn結(jié)停蝕等。 例：(111)面停蝕方法 常用的koh系列刻蝕液對(duì)(111)和(100)晶面的刻蝕速率相差極大，因此如果選用(111)面作為停蝕面，就可以在(100)面上刻蝕出(111)取向的硅膜。132.1.2干法

6、刻蝕優(yōu)點(diǎn)：各向異性刻蝕性強(qiáng)；分辨率高；刻蝕3um以下線條。類型：等離子體刻蝕：化學(xué)性刻蝕；濺射刻蝕：純物理刻蝕；反應(yīng)離子刻蝕（rie）：結(jié)合、。14等離子體刻蝕（plasma etching，pe）原理 a.產(chǎn)生等離子體：刻蝕氣體經(jīng)輝光發(fā)電后，成為具有很強(qiáng)化學(xué)活性的離子及游離基等離子體。 b.等離子體活性基團(tuán)與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 特點(diǎn)： 選擇性好； 各向異性差。 刻蝕氣體：cf4、bcl3、ccl4、chcl3、sf6等。1516濺射刻蝕原理 a.形成能量很高的等離子體； b.等離子體轟擊被刻蝕的材料，使其被撞原子飛濺出來，形成刻蝕。 特點(diǎn)： 各向異性好， 選擇性差。 刻蝕氣體：惰性氣體

7、。171819反應(yīng)離子刻蝕原理 同時(shí)利用了濺射刻蝕和等離子體刻蝕機(jī)制。 特點(diǎn)：各向異性和選擇性兼顧。 刻蝕氣體：與等離子體刻蝕相同。 現(xiàn)代干法刻蝕工藝的理想特征是： a.離子平行入射，以產(chǎn)生各向異性； b.反應(yīng)性的離子，以提高選擇性； c.高密度的離子，以提高刻蝕速率； d.低的入射能量，以減輕對(duì)硅片的損傷。203、硅的表面微加工技術(shù) 硅的表面微加工是在硅基片上采用不同的薄膜沉積和刻蝕工藝，在晶片表面上形成較薄微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)。 微機(jī)械結(jié)構(gòu)常用薄膜材料層來制作，常用的薄膜層材料有：二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃（psg）、硅硼玻璃（bsg）、多晶硅和一些金屬薄膜（如al、au、mo、w、pt等）。

8、 表面微加工主要使用的薄膜沉積技術(shù)：蒸鍍、濺射、化學(xué)氣相沉積等。 典型的表面微加工方法是犧牲層技術(shù)。2122犧牲層技術(shù) 犧牲層技術(shù)就是在微結(jié)構(gòu)層中嵌入一層犧牲材料，在后續(xù)工序中有選擇地將這一層材料（犧牲層）腐蝕掉（也稱為釋放）而不影響結(jié)構(gòu)的本身。 目的：使結(jié)構(gòu)薄膜與襯底材料分離，得到各種所需的可變形或可動(dòng)的表面微結(jié)構(gòu)。 表面微加工器件是由三種典型的部件組成：（1）犧牲層；（2）微結(jié)構(gòu)層；（3）絕緣層部分。 常用的襯底材料為單晶硅片。 結(jié)構(gòu)層材料為沉積的多晶硅、氮化硅等。 犧牲層材料多為二氧化硅。23犧牲層技術(shù)表面微加工的工藝步驟（a）基礎(chǔ)材料，一般為單晶硅片；（b）在基板上沉積一層絕緣層作為犧牲層；（c）在犧牲層上進(jìn)行光刻，刻蝕出窗口；（d）在刻蝕出的窗口及犧牲層上沉積多晶硅或其他材料作為結(jié)構(gòu)層；（e）從側(cè)面將犧牲層材料腐蝕掉，釋放結(jié)構(gòu)層，得到所需微結(jié)構(gòu)。24犧牲層技術(shù)表面微加工的工藝步驟25利用犧牲層制造硅梁的過程26表面微加工對(duì)所用材料的要求 （1）結(jié)構(gòu)層必須能夠保證所要求的使用性能。如電學(xué)性能、力學(xué)性能、表面特性等。 （2）犧牲層必須具有足夠的力學(xué)性能以保證在制作過程中不會(huì)引起分層或裂紋等