第章MEMS工藝體硅微加工技術(shù)ppt課件

1、第7章MEMS工藝體硅微加工工藝腐蝕內(nèi)容腐蝕工藝簡介濕法腐蝕干法刻蝕其他類似加工工藝腐蝕工藝簡介腐蝕工藝簡介 腐蝕是指一種資料在它所處的環(huán)境中由于另一種資料的作腐蝕是指一種資料在它所處的環(huán)境中由于另一種資料的作用而呵斥的緩慢的損害的景象。然而在不同的科學領(lǐng)域?qū)τ枚浅獾木徛膿p害的景象。然而在不同的科學領(lǐng)域?qū)Ωg這一概念那么有完全不同的了解方式。腐蝕這一概念那么有完全不同的了解方式。 在微加工工藝中，腐蝕工藝是用來在微加工工藝中，腐蝕工藝是用來“可控性的可控性的“去除資去除資料的工藝。料的工藝。大部分的微加工工藝基于“Top-Down的加工思想?！癟op-Down加工思想：經(jīng)過去掉多余資料的方

2、法，實現(xiàn)構(gòu)造的加工。雕刻泥人腐蝕工藝簡介腐蝕工藝簡介腐蝕工藝重腐蝕工藝重要性要性作為實現(xiàn)“去除步驟的腐蝕工藝是構(gòu)成特定平面及三維構(gòu)造過程中，最為關(guān)鍵的一步。圖形工藝掩模圖形生成臺階構(gòu)造生成襯底去除犧牲層去除清潔外表腐蝕工藝簡介腐蝕工藝簡介腐蝕工藝作用腐蝕工藝作用腐蝕腐蝕紅光紅光LED構(gòu)造構(gòu)造藍光藍光LED構(gòu)造構(gòu)造藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED構(gòu)造構(gòu)造藍光藍光LED構(gòu)造構(gòu)造藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED構(gòu)造構(gòu)造藍光藍光LED構(gòu)造構(gòu)造藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED藍光藍光LED構(gòu)造構(gòu)造藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED藍光藍光LED藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED藍光藍光LED藍寶石

3、襯底藍寶石襯底藍光藍光LED構(gòu)造構(gòu)造藍寶石襯底藍寶石襯底紅光紅光LED構(gòu)造構(gòu)造硅腐蝕方法：干法和濕法腐蝕方向選擇性：各向同性和各向異性腐蝕資料選擇性： 選擇性刻蝕或非選擇性刻蝕選擇方法：晶向和掩模多種腐蝕技術(shù)的運用：體硅工藝三維技術(shù)，外表硅工藝準三維技術(shù)濕法腐蝕濕法腐蝕“濕式腐蝕方法，基于溶液形狀的腐蝕劑。濕法腐蝕工藝特點：設(shè)備簡單，操作簡便，本錢低可控參數(shù)多，適于研發(fā)受外界環(huán)境影響大濃度、溫度、攪拌、時間有些資料難以腐蝕濕法腐蝕方向性各向同性腐蝕腐蝕速率在不同方向上沒有差別各向異性腐蝕對不同的晶面的腐蝕速率有明顯差別利用各向異性腐蝕特性，可以腐蝕出各種復雜的構(gòu)造。各向異性腐蝕和各向同性腐蝕硅

4、的各向異性腐蝕硅的各向異性腐蝕是利用腐蝕液對單晶硅不同晶向腐蝕速是利用腐蝕液對單晶硅不同晶向腐蝕速率不同的特性，運用抗蝕資料作掩膜，率不同的特性，運用抗蝕資料作掩膜，用光刻、干法腐蝕和濕法腐蝕等手段制用光刻、干法腐蝕和濕法腐蝕等手段制造掩膜圖形后進展的較大深度的腐蝕。造掩膜圖形后進展的較大深度的腐蝕。機理：腐蝕液發(fā)射空穴給硅，構(gòu)成氧化機理：腐蝕液發(fā)射空穴給硅，構(gòu)成氧化態(tài)態(tài)Si+，而羥基，而羥基OH-與與Si+構(gòu)成可溶解的構(gòu)成可溶解的硅氫氧化物的過程。硅氫氧化物的過程。硅的各向異性腐蝕技術(shù)硅的各向異性腐蝕技術(shù)各向異性各向異性(Anisotropy)各向異性腐蝕液通常對單晶硅各向異性腐蝕液通常對單

5、晶硅(111)面的面的腐蝕速率與腐蝕速率與(100)面的腐蝕速率之比很大面的腐蝕速率之比很大1：400濕法腐蝕的化學物理機制腐蝕生長晶體生長是典型的各向異性表現(xiàn)。腐蝕作用：晶體生長的反過程濕法腐蝕的化學物理機制腐蝕過程：反響物分散到腐蝕液外表反響物與腐蝕外表發(fā)生化學反響反響物的生成物分散到溶液中去硅腐蝕機理P62SiSiSi2OH-SiSiSiOH-OH-2e-SiOH-OH-OH-OH-2e-2OH-4H2O4OH-2H2OH-離子的參與對離子的參與對Si的腐蝕至關(guān)重要，在這一過程中，由于的腐蝕至關(guān)重要，在這一過程中，由于111面的懸鍵只需面的懸鍵只需1個，因此其電離所需的能量較高，導致個，

6、因此其電離所需的能量較高，導致111面面的速率最低。的速率最低。100111總反響式為：懸鍵密度只是導致各向異性的一個要素，但不能解釋不同晶面間腐蝕速率有幾百倍這么大的差別。實踐的腐蝕機制，還和外表的粗糙，微臺階處的階躍自在能，以及和吸附、分散過程親密相關(guān)的動力學要素有關(guān)。2H2OSiSiSiSiSiHHOH-HHHHSiOH-OH-111面面100面面缺陷缺陷由于由于111面為理想光滑外表，面為理想光滑外表，對該面進展腐蝕所需的電離能要對該面進展腐蝕所需的電離能要大，而產(chǎn)生吸附和分散所需的能大，而產(chǎn)生吸附和分散所需的能量也比較高，并且在腐蝕過程中量也比較高，并且在腐蝕過程中構(gòu)成粗糙的幾率比其

7、他面要小很構(gòu)成粗糙的幾率比其他面要小很多。因此該面的腐蝕速率要小的多。因此該面的腐蝕速率要小的多。多。各向異性腐蝕簡單小結(jié)：粗糙晶面腐蝕比光滑晶面快。111面在腐蝕過程中會因外表重建或吸附變得更平坦，因此容易在腐蝕過程中顯顯露來。理想晶體平滑面腐蝕速率的激活能和化學反響的能量勢差以及液體傳輸有關(guān)。前者的作用是各向異性的，后者是各向同性的。外表重構(gòu)形狀影響著腐蝕速率的變化不同的腐蝕劑中，不同陽離子會影響腐蝕過程中特殊面的穩(wěn)定性，因此導致腐蝕結(jié)果不同。各向異性腐蝕的特點：腐蝕速率比各項同性腐蝕慢，速率僅能到達1um/min腐蝕速率受溫度影響在腐蝕過程中需求將溫度升高到100左右，從而影響到許多光刻

8、膠的運用各向異性腐蝕液各向異性腐蝕液腐蝕液：腐蝕液：無機腐蝕液：無機腐蝕液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等；等；有機腐蝕液：有機腐蝕液：EPW、TMAH和聯(lián)胺等。和聯(lián)胺等。常用體硅腐蝕液：常用體硅腐蝕液：氫氧化鉀氫氧化鉀(KOH)系列溶液；系列溶液；EPW(E：乙二胺，：乙二胺，P：鄰苯二酚，：鄰苯二酚，W：水：水)系系列溶液。列溶液。乙二胺乙二胺(NH2(CH2) 2NH2)鄰苯二酚鄰苯二酚(C6H4(OH) 2)水水(H2O)1.KOH systemKOH是目前在微機電領(lǐng)域中最常運用的非等向蝕刻液，為一堿金屬之強堿蝕刻液，其金屬雜質(zhì)會破壞CMOS的氧化層電性，所以不兼容于I

9、C制程；但因其價錢低廉、溶液配制簡單、對硅(100)蝕刻速率也較其它的蝕刻液為快，更重要的是操作時穩(wěn)定、無毒性、又無色，可以察看蝕刻反響的情況，是目前最常運用的蝕刻液之一。 1.KOH system溶劑：水，也有用異丙醇(IPA)溶液：20% - 50% KOH溫度： 60 80C速率：1um/分鐘特點：鏡面，易于控制，兼容性差232222HSiOKKOHOHSiKOH的刻蝕機理2.EDP systemEthylenedamine 為有機淡黃色溶液，參與pyrocatechol后顏色會變成暗褐色，隨著反響的進展，顏色會加深，故不易察看蝕刻外表的反響過程，蝕刻速率也會改動，這是由于蝕刻液接觸到空

10、氣中的氧氧化所引起，此一氧化過程會使得化合物pyrazine (C4H4N2)添加而改動其蝕刻速率；EDP不具堿金屬離子，可與IC制程相容，且對蝕刻停頓所需的硼摻雜濃度較低，大約為7 x 1019 離子/cm-3，但是EDP具有毒性，蝕刻操作溫度須在攝氏一百多度，危險性較高，操作及廢液處置的困難度亦較高，故在普通微機電制程中不常運用。 2.EDP systemEPW NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2 (鄰苯二酚)，H2O特點：蒸 氣有毒，時效較差， P+選擇性好23246322224622222)()(2)(3)(2HOHCSiNHCHNHCHHCSiNHCHNHEDP腐蝕

11、條件腐蝕條件腐蝕溫度：腐蝕溫度：115左右左右反響容器在甘油池內(nèi)加熱，加熱均勻；反響容器在甘油池內(nèi)加熱，加熱均勻；防止乙二胺揮發(fā)，冷凝回流；防止乙二胺揮發(fā)，冷凝回流；磁安裝攪拌，保證腐蝕液均勻；磁安裝攪拌，保證腐蝕液均勻；在反響時通氮氣加以維護。在反響時通氮氣加以維護。掩膜層：用掩膜層：用SiO2，厚度，厚度4000埃以上。埃以上。3、N2H4 聯(lián)氨、無水肼為有機、無色的水溶液，具有很強的毒性及揮發(fā)性，在50oC以上就會揮發(fā)，故操作時需在良好安裝下及密閉容器中進展。其優(yōu)點包括相容于IC制程，對于氧化硅(SiO)及氮化硅(SiN)等介電資料蝕刻率 低，Ti、Al、Cr、Au及Pt等金屬也無明顯蝕

12、刻反響，Ti和Al是目前最常用的金屬資料，蝕刻時不需有其它的維護層，降低了制程的復雜性。 4、TMAH 氫氧化四鉀銨為有機、無色之水溶液，本來為半導體制程中正膠的顯影液，但目前亦運用于蝕刻制程中。 TMAH的毒性低為其最大優(yōu)點，對于SiO及SiN等介電資料蝕刻率低；對于Ti和Al有明顯的蝕刻，在蝕刻組件前需參與適當?shù)墓璺勰?，降低對鋁的蝕刻率，亦可參與酸來降低蝕刻液的pH值，如酸與鋁會發(fā)生化學反響生成硅鋁酸鹽，硅鋁酸鹽對蝕刻液有較好的抵抗才干，可以維護鋁材的電路。 TMAH的蝕刻反響過程會因操作參數(shù)不同而有極大的差別，且長時間蝕刻蝕刻液亦不穩(wěn)定。此外，適用于硅微加工的高濃度TMAH(15%)價錢

13、高昂，都是無法廣泛運用的緣由。 腐蝕設(shè)備腐蝕設(shè)備繼電器電源加熱電爐攪拌器轉(zhuǎn)子石英支架石英提籃硅片溫控溫度計磨沙密封口冷凝水入口冷凝水出口氮氣入口氮氣出口冷凝洄流管道甘油池腐蝕液冷凝水氣體流量控制計氮氣硅和硅氧化物典型的腐蝕速率 影響腐蝕質(zhì)量要素影響腐蝕質(zhì)量要素晶格方向晶格方向腐蝕溶液的選擇腐蝕溶液的選擇腐蝕溶液的濃度腐蝕溶液的濃度腐蝕時間腐蝕時間操作溫度溫度操作溫度溫度攪拌方式攪拌方式轉(zhuǎn)子硅片低速區(qū)高速區(qū)容器表面流速A表面流速B深度A深度B腐蝕液Etching Bulk Silicon 車輪法來丈量平面上不同晶向的腐蝕速率有局限性更準確的反映腐蝕各向異性的是球形法正相或負相 111 面凹角停頓

14、面凹角停頓 100 方向硅片的腐蝕特點方向硅片的腐蝕特點(1) 溶液及配比影響各向異性腐蝕的主要要素影響各向異性腐蝕的主要要素(2) 溫度各向同性腐蝕 硅的各向同性腐蝕在半導體工藝中以及在微機械加工技術(shù)中有著極為廣泛的運用。常用的腐蝕液為HF-HNO3加水或者乙酸系統(tǒng)。腐蝕機理為：首先是硝酸同硅發(fā)生化學反響生成SiO 2，然后有HF將SiO 2溶解。222623HOHHNOSiFHHFHNOSi優(yōu)點：無尖角， 較低應(yīng)力刻蝕速度快可用光刻膠掩膜目前主要的各向同性腐蝕液為：NHA和HNWH：氫氟酸(HF)N：硝酸(HNO3)A：乙酸(CH3COOH) W: Water三、自停頓腐蝕技術(shù)三、自停頓腐

15、蝕技術(shù)機理：機理：EPW和和KOH對硅的腐蝕在摻雜濃對硅的腐蝕在摻雜濃度小于度小于11019cm-3時根本為常數(shù)，時根本為常數(shù)，超越該濃度時，腐蝕速率與摻雜硼超越該濃度時，腐蝕速率與摻雜硼濃度的濃度的4次方成反比，到達一定的次方成反比，到達一定的濃度時，腐蝕速率很小，甚至可以濃度時，腐蝕速率很小，甚至可以以為腐蝕以為腐蝕“停頓。停頓。1 重摻雜自停頓腐蝕(KOH和EDP：51013/cm3)2(111)面停頓3 時間控制4P-N結(jié)自停頓腐蝕5電化學自停頓腐蝕重摻雜自停頓腐蝕自停頓腐蝕典型工藝流程自停頓腐蝕典型工藝流程硅光刻膠擴散層二氧化硅工藝路線（1）工藝路線（2）1、薄膜自停頓腐蝕薄膜自停頓

16、腐蝕是指晶片刻蝕到最后，終止于其它不會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、聚酰亞胺，甚至是金屬。利用薄膜自停頓腐蝕必需思索刻蝕選擇性，以及薄膜應(yīng)力問題，由于應(yīng)力太大將使薄膜發(fā)生破裂。2 、重摻雜自停頓腐蝕技術(shù) KOH對硅的腐蝕在摻雜濃度超越閾值濃N0(約為51019CM-3)時，腐蝕速率很小，輕摻雜與重摻雜硅的腐蝕速率之比高達數(shù)百倍，可以以為KOH溶液對重摻雜硅根本上不腐蝕。高摻雜硼有兩個缺陷：與規(guī)范的CMOS工藝不兼容導致高應(yīng)力，使得資料易碎或彎曲重摻雜硼的硅腐蝕自停頓效應(yīng)比重摻雜磷的硅明顯，所以工藝中常采用硼重摻雜硅作為硅腐蝕的自停頓資料。重摻雜自停頓腐蝕工藝流程

17、3、111面自停頓腐蝕KOH溶液對100和111面硅的腐蝕速率差別很大，可高達100400倍，因此可利用111面作為停頓腐蝕的晶面。111面自停頓腐蝕工藝流程4、電化學自停頓腐蝕電化學自停頓腐蝕技術(shù)不需求重摻雜層，由于用了外延技術(shù)，因此腐蝕自停頓層可以做的很厚。腐蝕維護技術(shù)腐蝕維護技術(shù)假設(shè)硅晶片外表曾經(jīng)構(gòu)成一些圖案，其中部分薄膜會被腐蝕液所影響，所以必需利用腐蝕維護技術(shù)來維護已完成的構(gòu)造。目前常用的維護技術(shù)有兩種：一是制造夾具或用膠將整個面維護住；另一種是淀積氮化硅將正面包住，待背后腐蝕完后再將氮化硅去除薄膜剩余應(yīng)力問題薄膜應(yīng)力引起構(gòu)造破裂的問題，主要分為兩大類：第一類是制造過程的殘留熱應(yīng)力、

18、高溫淀積后回歸常溫，由于熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的殘留熱應(yīng)力；這種殘留熱應(yīng)力可由高溫退火的方式到達一定消除；第二類是薄膜間因膨脹系數(shù)不同呵斥的剩余應(yīng)力凸角腐蝕補償凸角腐蝕補償凸角腐蝕是指在硅島或硅梁的腐蝕成型過程中，凸角部分被腐蝕掉的景象，體硅各向異性腐蝕時經(jīng)常出現(xiàn)，這是由于對(100)晶面的硅片體硅腐蝕時，凸角的邊緣與110方向平行，而腐蝕液對此方向的腐蝕速度較快。假設(shè)要腐蝕出帶凸角的整齊的臺面構(gòu)造，必需采取凸角補償。凸角腐蝕補償凸角腐蝕補償重摻雜自停頓腐蝕法重摻雜自停頓腐蝕法當目的構(gòu)造的厚度相對較薄時當目的構(gòu)造的厚度相對較薄時在加工構(gòu)造前先在硅片上分散自停頓層，在加工構(gòu)造前先在硅片上分散自停頓

19、層，深度到達所需構(gòu)造厚度，光刻后用干法腐深度到達所需構(gòu)造厚度，光刻后用干法腐蝕出構(gòu)造圖形，然后體硅腐蝕，準確得到蝕出構(gòu)造圖形，然后體硅腐蝕，準確得到設(shè)計的構(gòu)造。設(shè)計的構(gòu)造。目前比較常見的補償方式100面雙方塊凸角腐蝕補償面雙方塊凸角腐蝕補償100面雙方塊凸角腐蝕補償面雙方塊凸角腐蝕補償100面雙方塊凸角腐蝕補償面雙方塊凸角腐蝕補償濕法腐蝕的缺陷：圖形受晶向限制，深寬比較差，傾斜側(cè)壁，小構(gòu)造粘附。四、干法腐蝕狹義的干法刻蝕主要是指利用等離子體放電產(chǎn)生的化學過程對資料外表的加工廣義上的干法刻蝕那么還包括除等離子體刻蝕外的其它物理和化學加工方法，例如激光加工、火花放電加工、化學蒸汽加工以及噴粉加工等

20、。干法刻蝕的優(yōu)點：具有分辨率高、各向異性腐蝕才干強、腐蝕的選擇比大、能進展自動化操作等干法刻蝕的過程：腐蝕性氣體離子的產(chǎn)生離子向襯底的傳輸吸附及反響襯底外表的腐蝕鈍化及去除腐蝕反響物的排除干法腐蝕的主要方式：*純化學過程：等離子體腐蝕 )*純物理過程： (離子刻蝕、離子束腐蝕*物理化學過程：反響離子腐蝕RIE ，感應(yīng)耦合等離子體刻蝕ICP.在物理腐蝕方法中，利用放電時所產(chǎn)生的高能惰性氣體離子對資料進展轟擊，腐蝕速率與轟擊粒子的能量、通量密度以及入射角有關(guān)；在化學腐蝕中，惰性氣體如四氟化碳在高頻或直流電場中遭到激發(fā)并分解如構(gòu)成氟離子，然后與被腐蝕資料起反響構(gòu)成揮發(fā)性物質(zhì)；在物理化學結(jié)合的方法中，

21、既有粒子與被腐蝕資料的碰撞，又有惰性氣體與被腐蝕資料的反響。反響離子刻蝕反響離子刻蝕Reactive ion etch是在等離子中發(fā)生的。隨著資料表層的“反響剝離排放周期循環(huán)，資料被逐層刻蝕到制定深度。衡量反響離子刻蝕的目的：掩模的刻蝕比刻蝕的各向異性程度其它：刻蝕速率、刻蝕均勻性等等離子腐蝕利用氣體輝光放電電離和分解穩(wěn)定的原子所構(gòu)成的離子和活性物質(zhì)，與被腐蝕的固體資料作用，產(chǎn)生揮發(fā)性的物質(zhì)或氣態(tài)產(chǎn)品?？涛g過程主要是化學反響刻蝕，是各向同性的，主要作為外表干法清洗工藝。 離子轟擊的作用： 1.將被刻蝕資料外表的原子鍵破壞； 2.將再淀積于被刻蝕外表的產(chǎn)物或聚合物打掉DRIE、ICP刻蝕工藝刻蝕工藝1.景象景象1各向同性腐蝕各向同性腐蝕2各向異性腐蝕各向異性腐蝕3濺射腐蝕濺射腐蝕等離子體腐蝕的主要景象和特點 1速