ChMEM工藝光刻腐蝕PPT課件

1、MEMS技術(shù)技術(shù)唐 軍 第1頁(yè)/共50頁(yè)第三章 MEMS工藝 MEMS工藝概念 MEMS工藝分類第2頁(yè)/共50頁(yè)MEMS工藝概念 工藝：勞動(dòng)者利用生產(chǎn)工具對(duì)各種原材料，半成品進(jìn)行加工和處理,改變它們的幾何形狀，外形尺寸，表面狀態(tài)，內(nèi)部組織，物理和化學(xué)性能以及相互關(guān)系，最后使之成為預(yù)期產(chǎn)品的方法及過(guò)程。 工藝技術(shù)：是人類在勞動(dòng)中逐漸積累起來(lái)并經(jīng)過(guò)總結(jié)的操作技術(shù)經(jīng)驗(yàn)， 它是應(yīng)用科學(xué)，生產(chǎn)實(shí)踐及勞動(dòng)技能的總和。5層多晶硅工藝技術(shù)體硅工藝第3頁(yè)/共50頁(yè)前工序、后工序、輔助制作工序 前工序：是指從原始晶片開(kāi)始直到中測(cè)封裝之前的所有工序過(guò)程。如果對(duì)前工序進(jìn)行歸納分類，主要包括以下三類技術(shù)：圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)：

2、主要包括光刻、刻蝕等技術(shù)；薄膜制備技術(shù)：主要包括外延、氧化、化學(xué)氣相沉積、物理 氣相沉積（如濺射、蒸發(fā)）等；摻雜技術(shù)：主要包括擴(kuò)散和離子注入等技術(shù)。后工序：是指從中測(cè)開(kāi)始到完成直到出廠之間的所有工序，主要包括劃片、封裝、測(cè)試、老化、篩選等。第4頁(yè)/共50頁(yè)輔助工序：為了保證前工序的順利進(jìn)行所需要的一些輔助性的工藝技術(shù)。主要的有以下幾種：超凈廠房技術(shù)：MEMS制造必須在超凈環(huán)境中進(jìn)行，環(huán)境中塵埃等將直接影響集成電路的成品率和可靠性。集成電路的規(guī)模越大、特征尺寸越小，要求的環(huán)境凈化程度高。光刻間的凈化度一般要求達(dá)到1級(jí)甚至級(jí)。級(jí)是描述凈化度的一個(gè)單位，1級(jí)的含義是指在1立方英寸的空間內(nèi)大于的塵埃數(shù)

3、必須小于1個(gè)。超凈水、高純氣體制備技術(shù)：在集成電路工藝中使用的水、氣（如氧氣、氮?dú)?、氫氣、硅烷）等都必須具有非常高的純度。光刻掩膜版制備技術(shù)：一般有專門的工廠制作光刻所使用的掩膜版材料準(zhǔn)備技術(shù)：主要包括拉單晶、切片、磨片、拋光等管殼制備、超純水化學(xué)試劑制備等等第5頁(yè)/共50頁(yè) MEMS工藝分類 光刻（Lithography） 刻蝕（Etching） 化學(xué)氣相沉積（CVD） 物理氣相沉積(PVD) 氧化 擴(kuò)散與離子注入 退火 LIGA工藝第6頁(yè)/共50頁(yè)光刻（ Lithography ）石版（litho ）寫(xiě)（graphein）重要性重要性：是唯一不可缺少的工藝步驟，是一個(gè)復(fù)雜的工藝流程光刻光刻

4、是加工制造集成電路圖形結(jié)構(gòu)以及微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝之一。 光刻工藝光刻工藝就是利用光敏的抗蝕涂層發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合腐蝕方法在各種薄膜或硅上制備出合乎要求的圖形，以實(shí)現(xiàn)制作各種電路元件、選擇摻雜、形成金屬電極和布線或表面鈍化的目的。第7頁(yè)/共50頁(yè)u光刻三要素光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機(jī)u光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹(shù)脂和有機(jī)溶劑等混合而成的膠狀液體u光刻膠受到特定波長(zhǎng)光線的作用后，導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變光刻膠的性能指標(biāo)光刻膠的性能指標(biāo)(1)分辨率分辨率：分辨率是指用某種光刻膠光刻時(shí)所能得到的最小尺寸 (2)靈敏度靈敏度：光刻膠的感光靈

5、敏度反映了光刻膠感光所必須的照射量(3)粘附性粘附性：光刻膠與襯底之間粘附的牢固程度(4)抗腐蝕性抗腐蝕性：光刻工藝要求光刻膠在堅(jiān)膜后，能夠較長(zhǎng)時(shí)間(5)穩(wěn)定性穩(wěn)定性：光刻工藝要求光刻膠在室溫和避光情況下加入了增感劑也不發(fā)生暗反應(yīng)，在烘干燥時(shí)，不發(fā)生熱交聯(lián)(6)針孔密度針孔密度：?jiǎn)挝幻娣e上的針孔數(shù)(7)留膜率留膜率：指曝光顯影后的非溶性膠膜厚度于曝光前膠膜厚度之比第8頁(yè)/共50頁(yè)第9頁(yè)/共50頁(yè)光刻的工藝流程一般分為：氧化、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅(jiān)膜、刻蝕和去膠。第10頁(yè)/共50頁(yè)負(fù)膠負(fù)膠兩種組成部份的芳基氮化物橡膠光刻膠Kodak KTFR（敏感氮化聚慔戌二烯橡膠） 分辨率差，適于加工線寬

6、3m的線條；這類光刻膠粘附力強(qiáng)，耐腐蝕，容易使用和價(jià)格便宜，是常用的光刻膠。 正膠正膠PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光刻膠由重氮醌酯（DQ）和酚酫樹(shù)酯（N）兩部分組成的DNQ。 分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠第11頁(yè)/共50頁(yè)第12頁(yè)/共50頁(yè)光刻工藝具體過(guò)程 一、清洗和烘干l作用：保證硅片表面無(wú)灰塵、油脂、水，保證粘附性和光刻質(zhì)量l清洗不好，會(huì)造成脫膠、表面灰塵導(dǎo)致粘版、部分圖形不感光等光刻缺陷。l表面不干燥，會(huì)造成脫膠l如果硅片擱置較久或返工，應(yīng)重新清洗烘干，烘干后立即甩膠。l氧化、蒸發(fā)后可立即甩膠，不必清洗。第13頁(yè)/共50頁(yè)清洗設(shè)備超臨界干燥 兆聲清洗設(shè)備 硅片甩干機(jī)

7、第14頁(yè)/共50頁(yè)設(shè)備：甩膠臺(tái)。在硅片表面涂覆一層粘附性好，厚度適當(dāng)，厚薄均勻的光刻膠。一般采用旋轉(zhuǎn)法，針對(duì)不同的光刻膠黏度和厚度要求，選擇不同的轉(zhuǎn)速。可分辨線寬是膠膜厚度的58倍。 旋轉(zhuǎn)法涂敷裝置旋轉(zhuǎn)法涂敷裝置第15頁(yè)/共50頁(yè)第16頁(yè)/共50頁(yè) 前烘就是在一定溫度下，使膠膜里的溶劑緩慢地?fù)]發(fā)出來(lái)，使膠膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。前烘的溫度和時(shí)間隨膠的種類和膜厚不同而有所差別。 前烘方式：烘箱烘烤、紅外光照射、熱板處理第17頁(yè)/共50頁(yè) 設(shè)備：光刻機(jī) 對(duì)準(zhǔn)：使掩膜的圖形和硅片上的圖形精確套合。 曝光：對(duì)光刻膠進(jìn)行選擇性光化學(xué)反應(yīng)，使光刻膠改變?cè)陲@影液中的溶解性。 通常采用紫外接觸曝光法

8、光刻膠：高靈敏度，高反差，均勻，產(chǎn)量大。光刻機(jī)投影光刻機(jī)影響曝光質(zhì)量的主要因素影響曝光質(zhì)量的主要因素曝光時(shí)間氮?dú)忉尫叛鯕獾挠绊戱v波的影響光線平行度的影響第18頁(yè)/共50頁(yè)幾種常見(jiàn)的曝光方法幾種常見(jiàn)的曝光方法接觸式曝光：分辨率較高，容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個(gè)很小的間隙(1025m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上第19頁(yè)/共50頁(yè)五、顯影(Development)正膠去曝光部分，負(fù)膠去未曝光部分部分光刻膠需要超聲顯影顯影時(shí)間根據(jù)光刻膠種類、膜厚、顯影液種類、顯影溫度和操作方法確定。顯影后檢查光

9、刻質(zhì)量，不合格的返工。顯影臺(tái)甩干機(jī)刷版機(jī)顯影臺(tái)烘箱第20頁(yè)/共50頁(yè) 除去顯影時(shí)膠膜吸收的顯影液和水分，改善粘附性，增強(qiáng)膠膜抗腐蝕能力。 堅(jiān)膜的溫度和時(shí)間要適當(dāng) 堅(jiān)膜時(shí)間短，抗蝕性差，容易掉膠；堅(jiān)膜時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，掩膜難以去除，或開(kāi)裂。 腐蝕時(shí)間長(zhǎng)的可以采取中途多次堅(jiān)膜用適當(dāng)?shù)母g劑對(duì)顯影后暴露的表面進(jìn)行腐蝕，獲得光刻圖形第21頁(yè)/共50頁(yè)八、去膠 溶劑去膠：含氯的烴化物做去膠劑。 氧化去膠：強(qiáng)氧化劑，如濃硫酸，雙氧水和氨水混合液 等離子體去膠 剝離工藝剝離工藝剝離工藝在光刻工藝中，有一種代替刻蝕方法的工藝，我們稱之為剝離工藝（Lift-Off）。在剝離工藝中，首先形成光刻圖形，然后沉積薄膜，最后用

10、化學(xué)試劑去除光刻膠，此時(shí)連同不需要的薄膜一同除去，這個(gè)過(guò)程正好與刻蝕過(guò)程相反。第22頁(yè)/共50頁(yè)第23頁(yè)/共50頁(yè)SiSiO2光刻膠光刻前烘氧化涂膠掩膜版曝光第24頁(yè)/共50頁(yè)SiSiO2光刻膠光刻顯影腐蝕堅(jiān)膜去膠第25頁(yè)/共50頁(yè)超細(xì)線條光刻技術(shù)10Gb0.04520102013？/2第26頁(yè)/共50頁(yè)遠(yuǎn)紫外曝光技術(shù)：紫外線（200-500nm）可分為G-線（436）、i-線（365）和遠(yuǎn)紫外線（200-290）。248nm、193nm、m、0.18 m、0.13 m電子束曝光技術(shù)：效率低，設(shè)備昂貴，圖形容易畸變。可直寫(xiě)，小于0.1 m離子束曝光技術(shù)：效率低，設(shè)備昂貴?？芍睂?xiě)，沒(méi)有散射，小于

11、0.1 mX射線曝光技術(shù)：設(shè)備昂貴，小于2nm，對(duì)掩膜要求高第27頁(yè)/共50頁(yè) MEMS工藝分類 光刻（Lithography） 刻蝕（Etching） 化學(xué)氣相沉積（CVD） 物理氣相沉積(PVD) 氧化 擴(kuò)散與離子注入 退火 LIGA工藝第28頁(yè)/共50頁(yè)刻蝕 濕法腐蝕 各向異性 各向同性 自停止腐蝕技術(shù) 凸角補(bǔ)償技術(shù) 干法刻蝕 深槽技術(shù)第29頁(yè)/共50頁(yè)濕法刻蝕：指利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕的方法，濕法腐蝕的主要優(yōu)點(diǎn)是選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低。它的主要缺點(diǎn)是鉆蝕嚴(yán)重、對(duì)圖形的控制性較差。第30頁(yè)/共50頁(yè)第31頁(yè)/共50頁(yè)u體硅各向異性腐蝕 是利用

12、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+Si+，而羥基OH-OH-與Si+Si+形成可溶解的硅氫氧化物的過(guò)程。 各向異性腐蝕液通常對(duì)單晶硅(111)(111)面的腐蝕速率與(100)(100)面的腐蝕速率之比很大（1 1：400400），因?yàn)椋核肿拥钠帘巫饔茫?111)(111)面有較高的原子密度，水分子容易附著在(111)(111)面上； (100)(100)面每個(gè)原子具有兩個(gè)懸掛鍵，而(111)(111)面每個(gè)原子只有一個(gè)懸掛鍵，移去(111)(111)面

13、的原子所需的能量比(100)(100)面要高。第32頁(yè)/共50頁(yè)掩膜薄膜襯底（a）各向異性100110111不同的晶面懸掛鍵密度（表面態(tài)密度）第33頁(yè)/共50頁(yè)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)第34頁(yè)/共50頁(yè)影響各向異性腐蝕的主要因素(1) 溶液及配比(2) 溫度第35頁(yè)/共50頁(yè)u各向同性腐蝕硅的各向同性腐蝕在半

14、導(dǎo)體工藝中以及在微機(jī)械加工技術(shù)中有著極為廣泛的應(yīng)用。常用的腐蝕液為HF-HNO3加水或者乙酸系統(tǒng)。腐蝕機(jī)理為：首先是硝酸同硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成SiO 2，然后有HF將SiO 2溶解。222623HOHHNOSiFHHFHNOSi掩膜薄膜襯底各向同性第36頁(yè)/共50頁(yè)u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”。 （1） 重?fù)诫s自停止腐蝕(KOH和EDP：51013/cm3，RE/RD100) （2）(111)面停止 （3） 時(shí)間控制 （4）

15、P-N結(jié)自停止腐蝕 （5）電化學(xué)自停止腐蝕第37頁(yè)/共50頁(yè)自停止腐蝕典型工藝流程硅光刻膠擴(kuò)散層二氧化硅工藝路線（1）工藝路線（2）第38頁(yè)/共50頁(yè)1、薄膜自停止腐蝕 薄膜自停止腐蝕是指晶片刻蝕到最后，終止于其它不會(huì)被刻蝕所影響的薄膜，這層薄膜可以是氧化硅、氮化硅、富硅氮化硅、聚亞酰胺，甚至是金屬。 利用薄膜自停止腐蝕必須考慮刻蝕選擇性，以及薄膜應(yīng)力問(wèn)題，因?yàn)閼?yīng)力太大將使薄膜發(fā)生破裂。第39頁(yè)/共50頁(yè) KOH對(duì)硅的腐蝕在摻雜濃度超過(guò)閾值濃N0(約為51019CM-3)時(shí)，腐蝕速率很小，輕摻雜與重?fù)诫s硅的腐蝕速率之比高達(dá)數(shù)百倍，可以認(rèn)為KOH溶液對(duì)重?fù)诫s硅基本上不腐蝕。2 、重?fù)诫s自停止腐蝕

16、技術(shù)第40頁(yè)/共50頁(yè) 高摻雜硼有兩個(gè)缺點(diǎn)： 與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝不兼容 導(dǎo)致高應(yīng)力，使得材料易碎或彎曲 重?fù)诫s硼的硅腐蝕自停止效應(yīng)比重?fù)诫s磷的硅明顯，所以工藝中常采用重?fù)诫s硅作為硅腐蝕的自停止材料。第41頁(yè)/共50頁(yè) KOH溶液對(duì)（100）和（111）面硅的腐蝕速率差別很大，可高達(dá)100400倍，因此可利用（111）面作為停止腐蝕的晶面。3、（111）面自停止腐蝕（111）面自停止腐蝕工藝流程第42頁(yè)/共50頁(yè)4、電化學(xué)自停止腐蝕 電化學(xué)自停止腐蝕技術(shù)不需要重?fù)诫s層，由于用了外延技術(shù)，因此腐蝕自停止層可以做的很厚。第43頁(yè)/共50頁(yè)干法腐蝕 俠義的干法刻蝕主要是指利用等離子體放電產(chǎn)生的化學(xué)過(guò)

17、程對(duì)材料表面的加工 廣義上的干法刻蝕則還包括除等離子體刻蝕外的其它物理和化學(xué)加工方法，例如激光加工、火花放電加工、化學(xué)蒸汽加工以及噴粉加工等。干法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)：具有分辨率高、各向異性腐蝕能力強(qiáng)、腐蝕的選擇比大、能進(jìn)行自動(dòng)化操作等干法刻蝕的過(guò)程：1腐蝕性氣體離子的產(chǎn)生；2離子向襯底的傳輸3襯底表面的腐蝕；4腐蝕反應(yīng)物的排除第44頁(yè)/共50頁(yè)干法腐蝕的主要形式：*純化學(xué)過(guò)程：（等離子體腐蝕 )*純物理過(guò)程： (離子刻蝕、離子束腐蝕）*物理化學(xué)過(guò)程：反應(yīng)離子腐蝕RIE ，離子束輔助自由基腐蝕ICP.在化學(xué)腐蝕方法中，惰性氣體（如四氟化碳）在高頻或直流電場(chǎng)中受到激發(fā)并分解（如形成氟離子），然后與被腐蝕材

18、料起反應(yīng)形成揮發(fā)性物質(zhì)；在物理腐蝕方法中，利用放電時(shí)所產(chǎn)生的高能惰性氣體離子對(duì)材料進(jìn)行轟擊，腐蝕速率與轟擊粒子的能量、通量密度以及入射角有關(guān)；在物理化學(xué)結(jié)合的方法中，既有粒子與被腐蝕材料的碰撞，又有惰性氣體與被腐蝕材料的反應(yīng)。第45頁(yè)/共50頁(yè)等離子體腐蝕 利用氣體輝光放電電離和分解穩(wěn)定的原子所形成的離子和活性物質(zhì)，與被腐蝕的固體材料作用，產(chǎn)生揮發(fā)性的物質(zhì)或氣態(tài)產(chǎn)品。 刻蝕過(guò)程主要是化學(xué)反應(yīng)刻蝕，是各向同性的，主要作為表面干法清洗工藝。等離子體腐蝕的主要現(xiàn)象和特點(diǎn) （1）各向同性腐蝕（2）各向異性腐蝕（3）濺射腐蝕第46頁(yè)/共50頁(yè)（1）速率高 （2）環(huán)境清潔，工藝兼容性好。（3）掩膜選擇性好 300：1（4）表面形貌好，無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象（5）無(wú)晶向限制（1）好的截面形狀，易于滿足鑄模要求。（2）高的腐蝕速率，適于體硅要求。（3）利用各向同性腐蝕，滿足犧牲層腐蝕要求。（4）可用于活動(dòng)結(jié)構(gòu)制作。（5）可用于高深寬比結(jié)構(gòu)制作主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)適應(yīng)性適應(yīng)性第47頁(yè)/共50頁(yè)離子束刻蝕（IBEIBE） 離子束刻蝕是利用具有一定能量的離子轟擊材料表面，使材料原子發(fā)生濺射，從而達(dá)到刻蝕目的. 把Ar、Kr或Xe之類惰性氣體充入離子源放電室并使其電離形成 等離子體，然后由柵極將離子呈 束狀引出并加速，具有一定能量