第二章 智能微系統(tǒng)制造技術(shù)

1、 第二章第二章 MEMS的制造技術(shù)的制造技術(shù) 半導(dǎo)體微加工技術(shù)是半導(dǎo)體微加工技術(shù)是MEMS制造技術(shù)的重制造技術(shù)的重要組成部分。要組成部分。 普通的半導(dǎo)體微加工技術(shù)普通的半導(dǎo)體微加工技術(shù)主要是一種二維主要是一種二維加工技術(shù)，加工深度僅為加工技術(shù)，加工深度僅為數(shù)個微米數(shù)個微米。 MEMS的組成部分微傳感器、微處理器和的組成部分微傳感器、微處理器和微驅(qū)動器都是必需具有一定厚度的三維結(jié)構(gòu)，微驅(qū)動器都是必需具有一定厚度的三維結(jié)構(gòu)，是三維加工技術(shù)是三維加工技術(shù)。 近年來，在半導(dǎo)體微加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起近年來，在半導(dǎo)體微加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的表面來的表面MEMS加工技術(shù)，以及其它具有高深寬加工技術(shù)，以及其

2、它具有高深寬比的比的MEMS加工技術(shù)得到了迅速發(fā)展。加工技術(shù)得到了迅速發(fā)展。如：硅材料體如：硅材料體MEMS加工技術(shù)；加工技術(shù)； LIGA技術(shù)；技術(shù)； 激光加工技術(shù)；激光加工技術(shù)； 超精密加工技術(shù)等。超精密加工技術(shù)等。# 各種加工技術(shù)都各有其本身的優(yōu)點和適應(yīng)的各種加工技術(shù)都各有其本身的優(yōu)點和適應(yīng)的加工范圍；加工范圍；# 對于一個具體的對于一個具體的MEMS的制造、加工方法不的制造、加工方法不是唯一的。是唯一的。 應(yīng)根據(jù)微器件特點和現(xiàn)有的技術(shù)條件，選應(yīng)根據(jù)微器件特點和現(xiàn)有的技術(shù)條件，選用合適的一種或者幾種加工方法進行組合，以用合適的一種或者幾種加工方法進行組合，以得到需要的微器件。得到需要的微器

3、件。 第第1節(jié)節(jié) MEMS的材料的材料 MEMS使用的材料有許多種。使用的材料有許多種。* 具有一定的物理和力學(xué)性能完成具有一定的物理和力學(xué)性能完成MEMS某某種功能（如作為傳感器、驅(qū)動器使用）的種功能（如作為傳感器、驅(qū)動器使用）的功功能材料能材料；* 保證運動器件在加工完成時可以運動的保證運動器件在加工完成時可以運動的犧犧牲層材料牲層材料； * MEMS運動器件使用的運動器件使用的結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料； * 作為微器件襯底的作為微器件襯底的基板材料基板材料等。等。 用于基板的材料主要有：用于基板的材料主要有：（1）硅；）硅；（2）砷化鎵；）砷化鎵；（3）金剛石薄膜；）金剛石薄膜；（4）石英以及高

4、分子材料。）石英以及高分子材料。 對材料的要求除了應(yīng)具有較高的機械強度、對材料的要求除了應(yīng)具有較高的機械強度、軔性、價格低廉外，還希望它與軔性、價格低廉外，還希望它與半導(dǎo)體材料及半導(dǎo)體材料及加工有優(yōu)良的相容性加工有優(yōu)良的相容性。常用材料基本性能如表。常用材料基本性能如表B1所示，機械性能如表所示，機械性能如表B2所示。所示。一、硅材料一、硅材料 硅是硅是MEMS中最常用的材料，因為：中最常用的材料，因為：1、硅可制成、硅可制成超高純度超高純度，易得到接近于，易得到接近于無位錯的無位錯的完整晶體完整晶體、化學(xué)性能穩(wěn)定和價格低廉。、化學(xué)性能穩(wěn)定和價格低廉。 是近幾十年來集成電路制造的主要半導(dǎo)體是近

5、幾十年來集成電路制造的主要半導(dǎo)體材料。材料。 已積累了豐富的硅材料微加工經(jīng)驗，并用已積累了豐富的硅材料微加工經(jīng)驗，并用它制成了大規(guī)模集成電路和單片處理機等。它制成了大規(guī)模集成電路和單片處理機等。2、硅材料在、硅材料在不同結(jié)晶方向具有不同的結(jié)合能不同結(jié)晶方向具有不同的結(jié)合能，因此可采用各向異性刻蝕加工方法進行硅材料因此可采用各向異性刻蝕加工方法進行硅材料的體微機械加工。的體微機械加工。 用這種方法已制得多種微機械結(jié)構(gòu)，如微用這種方法已制得多種微機械結(jié)構(gòu)，如微泵閥系統(tǒng)、微陀螺和微馬達等。泵閥系統(tǒng)、微陀螺和微馬達等。3、硅具有優(yōu)良的機械性能，較好的剛度（彈、硅具有優(yōu)良的機械性能，較好的剛度（彈性模量

6、與鋼相近）以及足夠的支撐強度。性模量與鋼相近）以及足夠的支撐強度。4、硅作為微系統(tǒng)基板的另一個優(yōu)點是可方便、硅作為微系統(tǒng)基板的另一個優(yōu)點是可方便地將測量、控制以及計算機的接口等電路全部地將測量、控制以及計算機的接口等電路全部集成在一塊基板上，縮短微機械器件和控制電集成在一塊基板上，縮短微機械器件和控制電路之間的連線、減少寄生電容，降低干擾，提路之間的連線、減少寄生電容，降低干擾，提高測量精度。高測量精度。5、材料的破壞性能取決于材料內(nèi)部缺陷的多少。、材料的破壞性能取決于材料內(nèi)部缺陷的多少。 拉制的硅單晶棒材可以達到無位錯的水平。拉制的硅單晶棒材可以達到無位錯的水平。因此，硅具有優(yōu)良的性能。因此

7、，硅具有優(yōu)良的性能。 硅作為結(jié)構(gòu)材料使用時，為了不增加材料內(nèi)硅作為結(jié)構(gòu)材料使用時，為了不增加材料內(nèi)部的缺陷，所以在對硅單晶加工時必須注意采用部的缺陷，所以在對硅單晶加工時必須注意采用不產(chǎn)生缺陷的化學(xué)刻蝕加工技術(shù)。不產(chǎn)生缺陷的化學(xué)刻蝕加工技術(shù)。 由于硅的優(yōu)良半導(dǎo)體性能，還可制成壓力、由于硅的優(yōu)良半導(dǎo)體性能，還可制成壓力、磁敏、加速度等傳感器件，從而可采用全硅材料磁敏、加速度等傳感器件，從而可采用全硅材料組成完整的組成完整的MEMS。6、運用化學(xué)氣相沉積（、運用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)可在硅基技術(shù)可在硅基板表面制備多晶硅材料。板表面制備多晶硅材料。 多晶硅材料具有單晶硅類似的機械性能，多晶硅材料

8、具有單晶硅類似的機械性能，多晶硅是表面微機械加工中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)和多晶硅是表面微機械加工中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)和犧牲層材料。犧牲層材料。二、二、GaAs化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料 GaAs的電子遷移率遠(yuǎn)大于硅，因此可以制的電子遷移率遠(yuǎn)大于硅，因此可以制成成高速器件高速器件，而且與硅相比，還可在更高的溫度，而且與硅相比，還可在更高的溫度下運行（下運行（573K）（高溫器件）。（高溫器件）。 GaAs還具有還具有優(yōu)良的抗輻射性能。但它的彈優(yōu)良的抗輻射性能。但它的彈性模量較小，晶格缺陷比硅單晶多，故破壞強度性模量較小，晶格缺陷比硅單晶多，故破壞強度比硅低，價格昂貴。比硅低，價格昂貴。 其發(fā)光性能和絕

9、緣性能優(yōu)于硅材料，故其發(fā)光性能和絕緣性能優(yōu)于硅材料，故GaAs仍是重要的材料，如果能在硅基板上形成仍是重要的材料，如果能在硅基板上形成GaAs，則其用途將更廣泛。則其用途將更廣泛。三、三、SiC材料。材料。 SiC具有高熔點、高硬度，優(yōu)良的化學(xué)、熱具有高熔點、高硬度，優(yōu)良的化學(xué)、熱穩(wěn)定性能，是制作在高壓、高溫下運行的電子器穩(wěn)定性能，是制作在高壓、高溫下運行的電子器件的好材料。件的好材料。 SiC還具有優(yōu)良的抗輻射性能。以前這種材還具有優(yōu)良的抗輻射性能。以前這種材料用于制造腐蝕性較強的反應(yīng)器或像料用于制造腐蝕性較強的反應(yīng)器或像Si3N4薄膜薄膜一樣，作為刻蝕的保護膜。一樣，作為刻蝕的保護膜。 S

10、iC材料也可作為金剛石薄膜的基板材料或材料也可作為金剛石薄膜的基板材料或者其它結(jié)構(gòu)材料。用者其它結(jié)構(gòu)材料。用CVD方法制備方法制備SiC薄膜時，薄膜時，常常常常較難控制較難控制Si與與C的比例的比例。四、金剛石材料。四、金剛石材料。 近年來隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，用多種近年來隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，用多種CVD方法成功地制備出金剛石薄膜。金剛石薄膜可方法成功地制備出金剛石薄膜。金剛石薄膜可作為微系統(tǒng)中的作為微系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料。 金剛石是硬度最高的材料，具有較高的彈金剛石是硬度最高的材料，具有較高的彈性模量，而且有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。性模量，而且有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。 金剛石能帶中的禁帶寬度較大，因

11、此它有金剛石能帶中的禁帶寬度較大，因此它有希望用作為高溫電子器件。希望用作為高溫電子器件。 金剛石材料的熱導(dǎo)率極高，即散熱效果較金剛石材料的熱導(dǎo)率極高，即散熱效果較好，可作為功率器件使用。好，可作為功率器件使用。 金剛石材料有可能制造紫外波段藍光發(fā)光金剛石材料有可能制造紫外波段藍光發(fā)光器件。器件。 金剛石材料的另一個特性是其摩擦系數(shù)極金剛石材料的另一個特性是其摩擦系數(shù)極小，與聚四氟乙烯具有相同數(shù)量級，可以制造小，與聚四氟乙烯具有相同數(shù)量級，可以制造MEMS的運動部件。的運動部件。 金剛石對金剛石對X光的吸收率極低，且具有較高的光的吸收率極低，且具有較高的機械強度，因此可利用它制備機械強度，因此

12、可利用它制備LIGA技術(shù)使用的技術(shù)使用的X光掩膜版。光掩膜版。五、石英材料。五、石英材料。 石英是具有石英是具有壓電性能壓電性能的材料，而且具有優(yōu)的材料，而且具有優(yōu)良的彈性和機械穩(wěn)定性，因此廣泛用于制作壓良的彈性和機械穩(wěn)定性，因此廣泛用于制作壓電探頭。電探頭。 石英在石英在MEMS和集成電路中可作為基板材和集成電路中可作為基板材料。料。 在濕法刻蝕加工中石英也具有明顯的各向在濕法刻蝕加工中石英也具有明顯的各向異性。目前已用該材料制作微加速度計、微反異性。目前已用該材料制作微加速度計、微反射鏡等。射鏡等。 第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體微加工技術(shù)半導(dǎo)體微加工技術(shù) 半導(dǎo)體微加工技術(shù)是半導(dǎo)體微加工技術(shù)是MEM

13、S加工技術(shù)中不可加工技術(shù)中不可缺少的組成部分。因為這種方法可以精確控制微缺少的組成部分。因為這種方法可以精確控制微小圖形的尺寸、重復(fù)性好、可靠性高、成品率高小圖形的尺寸、重復(fù)性好、可靠性高、成品率高并且可以進行批量生產(chǎn)，所以產(chǎn)品的成本較低。并且可以進行批量生產(chǎn)，所以產(chǎn)品的成本較低。 半導(dǎo)體微加工技術(shù)半導(dǎo)體微加工技術(shù)（1） 圖形技術(shù)：形成集成電路的微細(xì)圖形。圖形技術(shù)：形成集成電路的微細(xì)圖形。（2）刻蝕技術(shù)：應(yīng)用刻蝕方法去除薄膜多余）刻蝕技術(shù)：應(yīng)用刻蝕方法去除薄膜多余部分。部分。（3）薄膜技術(shù)：應(yīng)用晶體在基板上生長形成）薄膜技術(shù)：應(yīng)用晶體在基板上生長形成薄膜、表面改性。薄膜、表面改性。 由于大規(guī)模

14、和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，由于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，當(dāng)前微加工的線條寬度已達到納米級，但當(dāng)前微加工的線條寬度已達到納米級，但MEMS應(yīng)用的微加工技術(shù)仍在微米量級。應(yīng)用的微加工技術(shù)仍在微米量級。一、圖形技術(shù)：一、圖形技術(shù)： 圖形技術(shù)是在圖形技術(shù)是在基板表面生成一定形狀的基板表面生成一定形狀的二維圖形二維圖形的方法，在微加工中圖形技術(shù)一般的方法，在微加工中圖形技術(shù)一般由光刻（由光刻（Lithography）過程來實現(xiàn)的。過程來實現(xiàn)的。 圖形技術(shù)是從石版印刷技術(shù)演變而成的。圖形技術(shù)是從石版印刷技術(shù)演變而成的。微加工技術(shù)的首要任務(wù)是設(shè)法減小圖形的尺微加工技術(shù)的首要任務(wù)是設(shè)法減小圖形的尺寸和提

15、高精度。該技術(shù)包括：曝光和顯影，寸和提高精度。該技術(shù)包括：曝光和顯影，圖形轉(zhuǎn)移的方式等方面。圖形轉(zhuǎn)移的方式等方面。1、曝光和顯影：、曝光和顯影： 一般來說，圖形是由抗蝕劑的曝光和顯影即一般來說，圖形是由抗蝕劑的曝光和顯影即光刻過程形成的，光刻過程形成的，曝光光源曝光光源可以是：可以是：（1）可見和不可見光，采用光子作為能量的載）可見和不可見光，采用光子作為能量的載體。體。（2）X射線，采用射線，采用X射線作為能量的載體。射線作為能量的載體。（3）電子束和離子束，采用電子和離子作為能電子束和離子束，采用電子和離子作為能量的載體。量的載體。 按曝光方式可以將光刻分為：光學(xué)光刻、按曝光方式可以將光刻

16、分為：光學(xué)光刻、X射線光刻、電子束光刻和離子束光刻。射線光刻、電子束光刻和離子束光刻。 曝光和顯影的機理：在光子、曝光和顯影的機理：在光子、X射線、電子射線、電子和離子等能束作用下，被和離子等能束作用下，被曝光的抗蝕劑曝光的抗蝕劑發(fā)生化學(xué)發(fā)生化學(xué)變性和去除。所以抗蝕劑的敏感性能應(yīng)與曝光光變性和去除。所以抗蝕劑的敏感性能應(yīng)與曝光光源的波長相匹配。源的波長相匹配。2、光刻中圖形轉(zhuǎn)移的方式：、光刻中圖形轉(zhuǎn)移的方式： 圖形轉(zhuǎn)移有掩膜版式、直接刻寫式進行曝光以獲圖形轉(zhuǎn)移有掩膜版式、直接刻寫式進行曝光以獲得所要求的圖形。得所要求的圖形。 （一）掩膜版式：（一）掩膜版式：（1）接觸式（掩膜板與涂有抗蝕劑的基

17、板接觸），）接觸式（掩膜板與涂有抗蝕劑的基板接觸），如下圖所示。如下圖所示。 該方式的圖形的分辨率和該方式的圖形的分辨率和精度高，但由于掩膜版與抗蝕精度高，但由于掩膜版與抗蝕劑接觸，掩膜版易損傷。劑接觸，掩膜版易損傷。（3）投影式。）投影式。（2）接近式（為了避免接觸式光刻對掩膜版）接近式（為了避免接觸式光刻對掩膜版的損傷，掩膜版與涂有抗蝕劑的基板有的損傷，掩膜版與涂有抗蝕劑的基板有5 50mm的距離，但這犧牲了圖形的分辨率）。的距離，但這犧牲了圖形的分辨率）。 直接刻寫（無掩膜光刻）通常采用電子束、直接刻寫（無掩膜光刻）通常采用電子束、離子束或激光束進行刻寫，它用記錄有圖形信息離子束或激光束

18、進行刻寫，它用記錄有圖形信息的計算機直接控制上述能束在涂有抗蝕劑的基板的計算機直接控制上述能束在涂有抗蝕劑的基板上進行掃描，使特定位置的抗蝕劑曝光。上進行掃描，使特定位置的抗蝕劑曝光。（二）直接刻寫式：（二）直接刻寫式： 采用掩膜版式、可方便地獲得多個相同圖采用掩膜版式、可方便地獲得多個相同圖形的轉(zhuǎn)印，但必須制作掩膜版。直接刻寫式可形的轉(zhuǎn)印，但必須制作掩膜版。直接刻寫式可省去該工序。省去該工序。 目前尚難以對目前尚難以對X射線進行聚焦和偏轉(zhuǎn)，所以射線進行聚焦和偏轉(zhuǎn)，所以X射線不能適應(yīng)直接刻寫方法。射線不能適應(yīng)直接刻寫方法。 一般來說，通過掩膜進行圖形轉(zhuǎn)印會帶來一般來說，通過掩膜進行圖形轉(zhuǎn)印會帶

19、來附加的誤差，所以理想的方法是采用計算機進附加的誤差，所以理想的方法是采用計算機進行直接刻寫。這是微加工技術(shù)發(fā)展的方向。行直接刻寫。這是微加工技術(shù)發(fā)展的方向。 下面繼續(xù)介紹抗蝕劑。下面繼續(xù)介紹抗蝕劑。 直接刻寫是發(fā)展方向：直接刻寫是發(fā)展方向：（2）正性抗蝕劑（）正性抗蝕劑（正膠正膠）：感光的部分在顯）：感光的部分在顯影時被適當(dāng)?shù)娜軇┤芙?，在基板上形成的圖形影時被適當(dāng)?shù)娜軇┤芙猓诨迳闲纬傻膱D形與掩模板上的與掩模板上的圖形相同圖形相同。3、正負(fù)抗蝕劑：、正負(fù)抗蝕劑： 微細(xì)加工中采用了兩種抗蝕劑：負(fù)性抗蝕微細(xì)加工中采用了兩種抗蝕劑：負(fù)性抗蝕劑（負(fù)膠），正性抗蝕劑（正膠）劑（負(fù)膠），正性抗蝕劑（正

20、膠）（1）負(fù)性抗蝕劑（）負(fù)性抗蝕劑（負(fù)膠負(fù)膠）：曝光后，由于掩）：曝光后，由于掩膜版的遮檔基板上未感光的部分在顯影時被膜版的遮檔基板上未感光的部分在顯影時被適當(dāng)?shù)娜軇┤芙?，在基板上形成的圖形與掩適當(dāng)?shù)娜軇┤芙?，在基板上形成的圖形與掩模板上的模板上的圖形相反圖形相反。 圖圖B1是采用正性抗蝕劑光學(xué)光刻過程的示是采用正性抗蝕劑光學(xué)光刻過程的示意圖，由圖可見光刻過程可分為抗蝕劑的涂布、意圖，由圖可見光刻過程可分為抗蝕劑的涂布、曝光和顯影三個工序，從而得到需要的圖形。曝光和顯影三個工序，從而得到需要的圖形。圖圖B-1 評估各種光刻技術(shù)性能參數(shù)主要有：評估各種光刻技術(shù)性能參數(shù)主要有：（1）分辨率；分辨率

21、；（2）線寬；）線寬；（3）準(zhǔn)確度；）準(zhǔn)確度；（4）失真度；）失真度；（5）套刻精度；）套刻精度；（6）成品率、）成品率、產(chǎn)出率產(chǎn)出率。 以下分別加以討論。以下分別加以討論。4、光刻技術(shù)性能參數(shù)：、光刻技術(shù)性能參數(shù)： 圖形技術(shù)中線條的圖形技術(shù)中線條的最小寬度即線寬最小寬度即線寬常被用來常被用來作為光刻技術(shù)的分辨率。作為光刻技術(shù)的分辨率。 （1）分辨率：）分辨率： 在工業(yè)生產(chǎn)中成品率和產(chǎn)出率是不可忽視的。在工業(yè)生產(chǎn)中成品率和產(chǎn)出率是不可忽視的。分辨率在不同領(lǐng)域有不同含義：分辨率在不同領(lǐng)域有不同含義： 物理上對分辨率的定義是能清楚地區(qū)分圖物理上對分辨率的定義是能清楚地區(qū)分圖形中形中兩點之間的距離兩

22、點之間的距離。 工程上分辨率通常用單位長度上可分辨的工程上分辨率通常用單位長度上可分辨的高高反差線對的數(shù)量反差線對的數(shù)量來表示。來表示。（2）準(zhǔn)確度：）準(zhǔn)確度： 準(zhǔn)確度表示實際尺寸對標(biāo)準(zhǔn)值的偏差。準(zhǔn)確度表示實際尺寸對標(biāo)準(zhǔn)值的偏差。（3）失真度：）失真度： 失真度表示圖形各部分尺寸的相對變化。失真度表示圖形各部分尺寸的相對變化。（5）成品率、產(chǎn)出率：）成品率、產(chǎn)出率： 成品率表示合格產(chǎn)品相對投入總數(shù)的百分成品率表示合格產(chǎn)品相對投入總數(shù)的百分比。產(chǎn)出率表示單位時間內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)量。比。產(chǎn)出率表示單位時間內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)量。（4）套刻精度：）套刻精度： 套刻精度表示相同過程產(chǎn)生的圖形之間相套刻精度表示相同過程

23、產(chǎn)生的圖形之間相吻合的程度。吻合的程度。3) 甩掉多甩掉多余的膠余的膠4) 溶劑揮發(fā)溶劑揮發(fā)1) 滴膠滴膠2) 加速旋轉(zhuǎn)加速旋轉(zhuǎn)涂膠：采用旋涂法。涂膠：采用旋涂法。涂膠的關(guān)鍵是控制膠膜的厚度與膜厚的均勻涂膠的關(guān)鍵是控制膠膜的厚度與膜厚的均勻性性。膠膜的厚度決定于光刻膠的粘度和旋轉(zhuǎn)速度。膠膜的厚度決定于光刻膠的粘度和旋轉(zhuǎn)速度。 光學(xué)光刻是當(dāng)前用得最廣泛的光刻技術(shù)，采光學(xué)光刻是當(dāng)前用得最廣泛的光刻技術(shù)，采用用紫外光紫外光作為曝光光源時，可得到作為曝光光源時，可得到1 m 左右的分左右的分辨率，辨率， 0.5 m的套刻精度和每小時曝光的套刻精度和每小時曝光100片的片的產(chǎn)出率。產(chǎn)出率。5、光學(xué)光刻：

24、、光學(xué)光刻： 進一步提高光學(xué)光刻分辨率受到光的衍射進一步提高光學(xué)光刻分辨率受到光的衍射的限制。的限制。 光的波長（光的波長（ ）越短分辨率越高。）越短分辨率越高。 光學(xué)系統(tǒng)分辨率光學(xué)系統(tǒng)分辨率 X取決于曝光采用光源的取決于曝光采用光源的波長波長 ： X = K /N A （B1） K是與抗蝕劑材料和曝光工藝有關(guān)的常數(shù)，是與抗蝕劑材料和曝光工藝有關(guān)的常數(shù)，一般為一般為0.6 - 0.8之間。之間。 N A為光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，通常在為光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，通常在0.4 - 0.5之間。之間。6、光刻方法：、光刻方法： 為了提高光刻為了提高光刻圖形的分辨率需要采用更短圖形的分辨率需要采用更短波長光源

25、進行曝光波長光源進行曝光，包括遠(yuǎn)紫外光、，包括遠(yuǎn)紫外光、X射線、電射線、電子束或離子束等。子束或離子束等。 曝光用的曝光用的X射線的波長范圍在射線的波長范圍在0.4 5nm，可以避免常規(guī)光刻中遇到的衍射問題。可以避免常規(guī)光刻中遇到的衍射問題。 下圖為不同光刻技術(shù)的比較。下圖為不同光刻技術(shù)的比較。圖圖B2 不同光刻技術(shù)的比較不同光刻技術(shù)的比較7、半影畸變和幾何畸變：、半影畸變和幾何畸變： 光源的直徑光源的直徑和和光線的發(fā)散光線的發(fā)散將造成半影畸變將造成半影畸變和幾何畸變。和幾何畸變。 半影畸變半影畸變 是由于光源具有一定直徑所引是由于光源具有一定直徑所引起的。起的。 幾何畸變是由射線束的發(fā)散產(chǎn)生

26、的。幾何畸變是由射線束的發(fā)散產(chǎn)生的。X射線接近式射線接近式曝光裝置圖曝光裝置圖 由由X射線束的發(fā)散產(chǎn)生的幾何畸射線束的發(fā)散產(chǎn)生的幾何畸變變 為：為：s為掩膜和樣品間距；為掩膜和樣品間距；D為光源到掩膜為光源到掩膜的距離；的距離； W為樣品的半徑。為樣品的半徑。 幾何畸變幾何畸變X射線接近式射線接近式曝光裝置圖曝光裝置圖 由于光源具有一定直徑由于光源具有一定直徑d引引起的半影畸變起的半影畸變?yōu)椋簽椋?s為掩膜和樣品的間距；為掩膜和樣品的間距； D為光源到掩膜的距離。為光源到掩膜的距離。 半影畸變半影畸變 為保護掩膜以及避免掩膜和基板的接觸造為保護掩膜以及避免掩膜和基板的接觸造成缺陷，希望間隔成缺

27、陷，希望間隔s足夠大，通常間隔取足夠大，通常間隔取10 m左右。左右。 對于高分辨率系統(tǒng)，半影畸變對于高分辨率系統(tǒng)，半影畸變 須控制在須控制在10 m以下，因此要求以下，因此要求D/d 100。 在高分辨率系統(tǒng)中，要求幾何畸變在高分辨率系統(tǒng)中，要求幾何畸變 小于小于0.1 m以下，由于目前集成電路用的硅片尺寸以下，由于目前集成電路用的硅片尺寸在在6英寸以上，這就對英寸以上，這就對s的變化提出了很高的要的變化提出了很高的要求?？梢圆捎梅植贾貜?fù)的方法進行曝光，保證求。可以采用分布重復(fù)的方法進行曝光，保證樣品尺寸樣品尺寸W在很小的范圍。在很小的范圍。8、電子束：、電子束： 電子束與電子束與X射線相比

28、，不僅波長更短射線相比，不僅波長更短，而且，而且能用電場和磁場使其能用電場和磁場使其偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)以及對電子以及對電子速度進行調(diào)速度進行調(diào)制制，所以電，所以電子能量子能量可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)進行調(diào)可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。電子束可以在計算機控制下節(jié)。電子束可以在計算機控制下直接進行圖形的直接進行圖形的刻蝕刻蝕，也可以通過特殊掩膜進行圖形轉(zhuǎn)印。，也可以通過特殊掩膜進行圖形轉(zhuǎn)印。 電子束斑可以聚集到電子束斑可以聚集到 10 nm。當(dāng)束流足當(dāng)束流足夠大時，可以在夠大時，可以在107秒時間內(nèi)使抗蝕劑曝光。秒時間內(nèi)使抗蝕劑曝光。圖圖B4 電子束曝光裝置電子束曝光裝置原理圖原理圖 電子束曝光裝置如圖電子束曝

29、光裝置如圖B-4所示，電子束圖形發(fā)生所示，電子束圖形發(fā)生裝置的電子光學(xué)系統(tǒng)與掃裝置的電子光學(xué)系統(tǒng)與掃描電子顯微鏡非常相似。描電子顯微鏡非常相似。從陰極電子槍發(fā)射出來的從陰極電子槍發(fā)射出來的電子束由電子束由靜電場加速、磁靜電場加速、磁場聚集場聚集、最后由電場和磁、最后由電場和磁場控制使電子束以一定的場控制使電子束以一定的軌跡偏轉(zhuǎn)，從而得到需要軌跡偏轉(zhuǎn)，從而得到需要的圖形。的圖形。9、離子束：、離子束： 離子束具有比電子束更短的波長，因此用離離子束具有比電子束更短的波長，因此用離子束可以得到更高的分辨率子束可以得到更高的分辨率，但離子束加工的設(shè)，但離子束加工的設(shè)備更加復(fù)雜，這種加工方法近期尚未在微

30、系統(tǒng)中備更加復(fù)雜，這種加工方法近期尚未在微系統(tǒng)中有應(yīng)用的可能，為此本節(jié)不進行討論。有應(yīng)用的可能，為此本節(jié)不進行討論。二、薄膜技術(shù)：二、薄膜技術(shù)： 薄膜材料是制造微結(jié)構(gòu)器件的基礎(chǔ)，因此薄薄膜材料是制造微結(jié)構(gòu)器件的基礎(chǔ)，因此薄膜生長在微加工中占有重要地位。膜生長在微加工中占有重要地位。 不同的器件對膜厚的要求差別很大，可以從不同的器件對膜厚的要求差別很大，可以從零點幾納米的單分子直到數(shù)微米或更大厚度。零點幾納米的單分子直到數(shù)微米或更大厚度。 薄膜的表面和界面狀況、晶體結(jié)構(gòu)和晶體的薄膜的表面和界面狀況、晶體結(jié)構(gòu)和晶體的取向排列、化學(xué)成分和膜層結(jié)構(gòu)以及各種物理性取向排列、化學(xué)成分和膜層結(jié)構(gòu)以及各種物理

31、性能等都對器件的功能有直接影響。能等都對器件的功能有直接影響。 按制備薄膜的方法有真空蒸鍍、濺射淀積、按制備薄膜的方法有真空蒸鍍、濺射淀積、電離團束淀積、電鍍和涂覆五種。電離團束淀積、電鍍和涂覆五種。 1、薄膜分類：、薄膜分類： 按薄膜形成的過程，主要有三類：按薄膜形成的過程，主要有三類： 淀積膜淀積膜 外延膜外延膜 表面改性。表面改性。（1）淀積膜：）淀積膜： 淀積膜與基板之間有明顯的界面。例如在半淀積膜與基板之間有明顯的界面。例如在半導(dǎo)體基板上沉積金屬膜或介質(zhì)膜，導(dǎo)體基板上沉積金屬膜或介質(zhì)膜，膜層與基板膜層與基板的材料組成不同，可以是晶體也可以是非晶體的材料組成不同，可以是晶體也可以是非晶

32、體。 （2）外延膜：）外延膜： 外延膜與基板之間有外延膜與基板之間有相同或非常接近的晶相同或非常接近的晶體結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)，膜層的晶格通常是基板晶格的延伸，膜層的晶格通常是基板晶格的延伸，或與基板晶體共格?；蚺c基板晶體共格。 膜層與基板的材料的組成可以相同，例如膜層與基板的材料的組成可以相同，例如硅片上外延硅；也可以不相同，如在硅片上外延硅；也可以不相同，如在 GaAs基基板上生長板上生長GaAlAs的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。 外延技術(shù)有如下幾種：外延技術(shù)有如下幾種：金屬有機化合物化學(xué)氣相淀積金屬有機化合物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)等。等。外延技術(shù)有：外延技術(shù)有：氣相外延氣相外延(VPE)，也稱化學(xué)氣

33、相淀積也稱化學(xué)氣相淀積(CVD)；液相外延液相外延(LPE)；分子束外延分子束外延(MBE)；（3）表面改性：）表面改性： 表面改性是通過基板的表面改性是通過基板的表面化學(xué)反應(yīng)表面化學(xué)反應(yīng)，如硅片，如硅片氧化生成氧化生成SiO2，或其它過程，如擴散，離子注入和或其它過程，如擴散，離子注入和離子交換等在基板表面形成化學(xué)組成、材料結(jié)構(gòu)和離子交換等在基板表面形成化學(xué)組成、材料結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)與基板體內(nèi)部有性能參數(shù)與基板體內(nèi)部有明顯差別的膜層明顯差別的膜層。其特點。其特點是整體性好，但不易獲得突變的界面，往往存在一是整體性好，但不易獲得突變的界面，往往存在一定厚度的過渡區(qū)。定厚度的過渡區(qū)。 下表是微加工

34、技術(shù)中薄膜生長方法及其特點的下表是微加工技術(shù)中薄膜生長方法及其特點的比較。詳細(xì)介紹如下：比較。詳細(xì)介紹如下： 硅材料的氧化后，可得氧化硅薄膜。硅氧化硅材料的氧化后，可得氧化硅薄膜。硅氧化有多種方法，其中以熱氧化應(yīng)用最為普遍。有多種方法，其中以熱氧化應(yīng)用最為普遍。 熱氧化硅比其它沉積得到的氧化硅薄膜具有熱氧化硅比其它沉積得到的氧化硅薄膜具有更好的特性。更好的特性。 氧化硅薄膜可用于硅表面的保護氧化硅薄膜可用于硅表面的保護（如在各向如在各向異性腐蝕中）、擴散和離子注入時的掩膜、電解異性腐蝕中）、擴散和離子注入時的掩膜、電解質(zhì)薄膜以及基底和其它材料的界面等。質(zhì)薄膜以及基底和其它材料的界面等。2、幾種

35、膜生長方法：幾種膜生長方法：（1）氧化氧化 通常是將硅片置于通常是將硅片置于9001200的氧化的氧化環(huán)境（干氧、水汽或濕氧）中，使硅與氧氣環(huán)境（干氧、水汽或濕氧）中，使硅與氧氣或水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，從而制得氧化硅薄膜?；蛩羝l(fā)生反應(yīng)，從而制得氧化硅薄膜。反應(yīng)式為：反應(yīng)式為：Si+O2 SiO2(干氧氧化干氧氧化)Si+2H2O(水蒸汽水蒸汽) SiO2+2H2 (水汽氧化水汽氧化) 干氧氧化得到的氧化硅，結(jié)構(gòu)致密、干燥、干氧氧化得到的氧化硅，結(jié)構(gòu)致密、干燥、均勻性和重復(fù)性好、掩膜能力強，與抗蝕劑的均勻性和重復(fù)性好、掩膜能力強，與抗蝕劑的粘附性好，光刻時不易浮膠，鈍化效果好。但粘附性好，光刻時不

36、易浮膠，鈍化效果好。但氧化的速率慢。氧化的速率慢。 水汽氧化水汽氧化速率快速率快，但得到的氧化硅的，但得到的氧化硅的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)疏松疏松，對磷擴散的掩膜能力差，穩(wěn)定性也不理，對磷擴散的掩膜能力差，穩(wěn)定性也不理想，在器件生產(chǎn)中很少單獨采用水汽氧化。想，在器件生產(chǎn)中很少單獨采用水汽氧化。 氧化的過程可以理解為：首先是氧化劑氧化的過程可以理解為：首先是氧化劑(氧氣氧氣或水汽或水汽)與硅片表面的硅原子起化學(xué)反應(yīng)形成表與硅片表面的硅原子起化學(xué)反應(yīng)形成表面的氧化硅，而后氧不斷向內(nèi)層擴散進入氧化硅面的氧化硅，而后氧不斷向內(nèi)層擴散進入氧化硅和硅的界面，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成新的氧化硅，使和硅的界面，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成新的

37、氧化硅，使氧化硅薄膜增厚。因此氧化的速率受到以下兩種氧化硅薄膜增厚。因此氧化的速率受到以下兩種因素的限制：因素的限制：(i)硅和氧化劑在界面的硅和氧化劑在界面的反應(yīng)速率反應(yīng)速率；(ii)氧在已經(jīng)形成的氧化膜中的氧在已經(jīng)形成的氧化膜中的擴散速率擴散速率。 一般在氧化膜較厚時，后者占主導(dǎo)地位，因一般在氧化膜較厚時，后者占主導(dǎo)地位，因此氧化膜的厚度的增加取決于氧在膜內(nèi)的擴散速此氧化膜的厚度的增加取決于氧在膜內(nèi)的擴散速度，與時間的關(guān)系是度，與時間的關(guān)系是非線性非線性的。在特定的溫度下，的。在特定的溫度下，氧化膜的厚度與時間成拋物線關(guān)系。同時氧化的氧化膜的厚度與時間成拋物線關(guān)系。同時氧化的速率還與硅片的

38、晶向、摻雜的雜質(zhì)種類和濃度以速率還與硅片的晶向、摻雜的雜質(zhì)種類和濃度以及氧化氣體的分壓有關(guān)。及氧化氣體的分壓有關(guān)。 電子束加熱法可以蒸發(fā)熔點較高的金屬電子束加熱法可以蒸發(fā)熔點較高的金屬(如如W、Mo、Ta等等)，沉積的速率高，沒有發(fā)熱材料的沾，沉積的速率高，沒有發(fā)熱材料的沾污。污。（2）真空蒸發(fā)：真空蒸發(fā)： 蒸發(fā)是通過加熱方法將需要制備薄膜的材料蒸發(fā)是通過加熱方法將需要制備薄膜的材料在真空（在真空（104 - 105Pa）中中氣化氣化，隨后，隨后沉積在沉積在基板表面基板表面獲得薄膜的方法。獲得薄膜的方法。 加熱一般采用電阻加熱或電子束加熱方法。加熱一般采用電阻加熱或電子束加熱方法。 電阻加熱法

39、電阻加熱法簡單、經(jīng)濟，但蒸發(fā)的薄膜可簡單、經(jīng)濟，但蒸發(fā)的薄膜可能受發(fā)熱材料的能受發(fā)熱材料的沾污沾污。 在蒸發(fā)過程中，常常將在蒸發(fā)過程中，常常將基板置于行星式裝基板置于行星式裝片裝置片裝置上，使基板在薄膜沉積過程中，不但圍上，使基板在薄膜沉積過程中，不但圍繞行星旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，還圍繞基板的中心軸旋轉(zhuǎn)。繞行星旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，還圍繞基板的中心軸旋轉(zhuǎn)。這可以改善薄膜的均勻性和由于這可以改善薄膜的均勻性和由于陰影效應(yīng)陰影效應(yīng)，出，出現(xiàn)薄膜內(nèi)部不均勻等問題?，F(xiàn)薄膜內(nèi)部不均勻等問題。 濺射是用帶濺射是用帶正電荷的氣正電荷的氣體離子體離子轟擊靶材表面，使靶轟擊靶材表面，使靶材原子從其表面材原子從其表面逸出逸出，沉積，

40、沉積在基板上的過程。濺射腔室在基板上的過程。濺射腔室的本底真空一般為的本底真空一般為104 - 105 Pa，濺射時使用的濺濺射時使用的濺射氣體通常為惰性氣體氬氣。射氣體通常為惰性氣體氬氣。如右圖所示。如右圖所示。（3）濺射：）濺射：圖圖B5 濺射裝置結(jié)濺射裝置結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)示意圖 磁控濺射和離子束濺射等。磁控濺射和離子束濺射等。 這種沉積方法適合于金屬、合金以及電解這種沉積方法適合于金屬、合金以及電解質(zhì)材料。質(zhì)材料。 應(yīng)用濺射獲得的應(yīng)用濺射獲得的薄膜致密、成分易于控制薄膜致密、成分易于控制，因此得到迅速發(fā)展。因此得到迅速發(fā)展。 目前已經(jīng)開發(fā)了多種濺射方法：目前已經(jīng)開發(fā)了多種濺射方法：直流濺射直

41、流濺射射頻濺射射頻濺射（一）直流濺射：（一）直流濺射： 在直流濺射時在直流濺射時靶材靶材(陰極陰極)和和基板基板(陽極陽極)之間之間附加高的直流電壓，使濺射氣體發(fā)生輝光放電形附加高的直流電壓，使濺射氣體發(fā)生輝光放電形成離子，由于正離子對陰極靶材的轟擊，成離子，由于正離子對陰極靶材的轟擊，使靶材使靶材表面的原子濺出表面的原子濺出，沉積到基板的表面。，沉積到基板的表面。（二）射頻濺射：（二）射頻濺射： 射頻濺射是在靶材和基板之間附加頻率為射頻濺射是在靶材和基板之間附加頻率為13.56 MHz的射頻電壓。的射頻電壓。 它可以濺射電解質(zhì)材料，因為在射頻電壓它可以濺射電解質(zhì)材料，因為在射頻電壓的作用下，

42、電壓的前半周絕緣材料表面聚集的的作用下，電壓的前半周絕緣材料表面聚集的正電荷可以在后半周被中和，使得濺射能繼續(xù)正電荷可以在后半周被中和，使得濺射能繼續(xù)進行。進行。（三）磁控濺射：（三）磁控濺射： 磁控濺射是在靶材的底部加上永久磁鐵，磁控濺射是在靶材的底部加上永久磁鐵，使靶的表面產(chǎn)生與電場方向垂直的磁場，電子使靶的表面產(chǎn)生與電場方向垂直的磁場，電子在磁場的作用下被限制在靶表面上一個較窄小在磁場的作用下被限制在靶表面上一個較窄小的區(qū)域里沿的區(qū)域里沿近似擺線的軌跡運動近似擺線的軌跡運動，從而增加了，從而增加了電子與氣體分子的碰撞次數(shù)，增加了等電子與氣體分子的碰撞次數(shù)，增加了等離子體離子體的密度的密度

43、，因此可降低工作氣壓，提高濺射速率。，因此可降低工作氣壓，提高濺射速率。 由于這種濺射可在較低的工作氣壓下進行，由于這種濺射可在較低的工作氣壓下進行，得到的薄膜雜質(zhì)少。另外靶材轟擊出來的二次得到的薄膜雜質(zhì)少。另外靶材轟擊出來的二次電子受磁場的約束不再直接轟擊基板，使得沉電子受磁場的約束不再直接轟擊基板，使得沉積過程中基板保持在較低溫度，可得到性能優(yōu)積過程中基板保持在較低溫度，可得到性能優(yōu)良的器件。良的器件。（四）其它濺射：（四）其它濺射： 上述濺射中，選擇了一定的靶材后，在制上述濺射中，選擇了一定的靶材后，在制備工藝上需控制濺射的氣壓、氣體的流量、電備工藝上需控制濺射的氣壓、氣體的流量、電壓壓

44、(功率功率)、基板的溫度和偏壓等參數(shù)，從而實現(xiàn)、基板的溫度和偏壓等參數(shù)，從而實現(xiàn)對薄膜特性的控制。對薄膜特性的控制。 如果在濺射氣體中加入一定量的反應(yīng)氣體如果在濺射氣體中加入一定量的反應(yīng)氣體(如如N2，O2等等)，就會在基板上獲得靶材和反應(yīng)，就會在基板上獲得靶材和反應(yīng)氣體的化合物薄膜，這就是所謂的氣體的化合物薄膜，這就是所謂的反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射。 離子束濺射離子束濺射的濺射離子不是由輝光放電產(chǎn)的濺射離子不是由輝光放電產(chǎn)生，而是來自獨立的生，而是來自獨立的離子源離子源。離子在電場作用。離子在電場作用下進入真空室，轟擊靶材上的原子。這種方法下進入真空室，轟擊靶材上的原子。這種方法使離子束的能量和束流

45、不取決于靶材，可以使離子束的能量和束流不取決于靶材，可以單單獨進行控制獨進行控制，而且可以調(diào)節(jié)入射角，以獲得較，而且可以調(diào)節(jié)入射角，以獲得較高的濺射效率。高的濺射效率。 濺射腔中的真空度較高濺射腔中的真空度較高(高于高于1.33103Pa)，薄膜中的雜質(zhì)較少。此方法也可以用于電薄膜中的雜質(zhì)較少。此方法也可以用于電介質(zhì)材料的沉積，其電荷的積累通過燈絲發(fā)射介質(zhì)材料的沉積，其電荷的積累通過燈絲發(fā)射的電子加以消除。的電子加以消除。 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(CVD)是指一種或幾種氣態(tài)是指一種或幾種氣態(tài)化合物在基板的表面反應(yīng)化合物在基板的表面反應(yīng)形成固態(tài)薄膜的過程。形成固態(tài)薄膜的過程。（4）化學(xué)氣相沉積

46、化學(xué)氣相沉積(CVD)： 化學(xué)反應(yīng)的能量由加熱、光化學(xué)或等離子化學(xué)反應(yīng)的能量由加熱、光化學(xué)或等離子放電等提供。放電等提供。（五）金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積五）金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積 （MOCVD）。）。 化學(xué)氣相沉積的種類很多，目前最常用的化學(xué)氣相沉積的種類很多，目前最常用的有：有：（一）一）常壓化學(xué)氣相沉積常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)；（二）低壓化學(xué)氣相沉積二）低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)；（三）三）離子增強化學(xué)氣相沉積離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)；（四）四）紫外光或微波增強的化學(xué)氣相沉紫外光或微波增強的化學(xué)氣相沉 積（光輔助積（光輔助CVD，MPECVD）；）； 化學(xué)氣相沉積

47、設(shè)備一般由反應(yīng)腔、基板架、化學(xué)氣相沉積設(shè)備一般由反應(yīng)腔、基板架、可控的氣體導(dǎo)入系統(tǒng)、溫度可控的基板加熱系可控的氣體導(dǎo)入系統(tǒng)、溫度可控的基板加熱系統(tǒng)等組成，如下圖所示。統(tǒng)等組成，如下圖所示。 圖圖B6 LPCVD 反應(yīng)器及系統(tǒng)反應(yīng)器及系統(tǒng) 常壓常壓CVD載氣用量大，產(chǎn)量較低。在低壓載氣用量大，產(chǎn)量較低。在低壓CVD中，需要有真空系統(tǒng)，工作氣壓在中，需要有真空系統(tǒng)，工作氣壓在10-1000 Pa。由于工作氣壓較低，有利于氣體向基由于工作氣壓較低，有利于氣體向基板的擴散，改善了薄膜的均勻性。板的擴散，改善了薄膜的均勻性。 三溫區(qū)加熱爐薄膜制備過程中，可以通過控三溫區(qū)加熱爐薄膜制備過程中，可以通過控制

48、溫度、溫度梯度、總壓力、反應(yīng)氣體的氣壓、制溫度、溫度梯度、總壓力、反應(yīng)氣體的氣壓、抽氣速率和基板間隙來實現(xiàn)對沉積材料性質(zhì)的控抽氣速率和基板間隙來實現(xiàn)對沉積材料性質(zhì)的控制。制。 當(dāng)然物理增強沉積薄膜的性質(zhì)還與采用的增當(dāng)然物理增強沉積薄膜的性質(zhì)還與采用的增強手段等因素有關(guān)。強手段等因素有關(guān)。沉積薄膜的控制：沉積薄膜的控制： 離子增強離子增強CVD、光輔助光輔助CVD、微波增強微波增強CVD等分別需要增加射頻發(fā)生系統(tǒng)、紫外光或微波系等分別需要增加射頻發(fā)生系統(tǒng)、紫外光或微波系統(tǒng)。由于這些物理因數(shù)，促使反應(yīng)氣體離解因而統(tǒng)。由于這些物理因數(shù)，促使反應(yīng)氣體離解因而降低了反應(yīng)器的溫度，有利于器件的制備。降低了

49、反應(yīng)器的溫度，有利于器件的制備。 金屬有機化合物金屬有機化合物CVD是利用金屬有機化合物是利用金屬有機化合物分解的溫度較低，從而可在較低反應(yīng)溫度沉積薄分解的溫度較低，從而可在較低反應(yīng)溫度沉積薄膜，得到外延生長的化合物半導(dǎo)體薄膜。膜，得到外延生長的化合物半導(dǎo)體薄膜。金屬有金屬有機化合物機化合物CVD得到的薄膜純度和質(zhì)量較高。得到的薄膜純度和質(zhì)量較高。金屬金屬有機化合物有機化合物CVD裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。 圖圖B7 MOCVD裝置的結(jié)構(gòu)示意圖裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 （a）立式反應(yīng)管立式反應(yīng)管 （b）臥式反應(yīng)管臥式反應(yīng)管 由于化學(xué)氣相沉積所用的氣體大多具有毒性由于化學(xué)氣

50、相沉積所用的氣體大多具有毒性和爆炸性等危險，化學(xué)氣相沉積設(shè)備都需放置在和爆炸性等危險，化學(xué)氣相沉積設(shè)備都需放置在帶有通風(fēng)的凈化臺內(nèi)，廢氣應(yīng)加淋洗處理，有時帶有通風(fēng)的凈化臺內(nèi)，廢氣應(yīng)加淋洗處理，有時在排放之前還需加以稀釋等措施。在排放之前還需加以稀釋等措施。 （5）擴散與離子注入：擴散與離子注入： 摻雜是半導(dǎo)體技術(shù)中的主要工藝之一，它是摻雜是半導(dǎo)體技術(shù)中的主要工藝之一，它是將所需的雜質(zhì)按要求的濃度與分布摻入半導(dǎo)體材將所需的雜質(zhì)按要求的濃度與分布摻入半導(dǎo)體材料的特定區(qū)域中，以改變材料的特定區(qū)域的電學(xué)料的特定區(qū)域中，以改變材料的特定區(qū)域的電學(xué)性質(zhì)。性質(zhì)。 擴散和離子注入是最常用的摻雜方法。擴散和離子

51、注入是最常用的摻雜方法。（一）擴散：（一）擴散： 擴散通常分兩步完成，預(yù)擴散和再分布。擴散通常分兩步完成，預(yù)擴散和再分布。1）預(yù)擴散：雜質(zhì)原子從）預(yù)擴散：雜質(zhì)原子從擴散源輸送到基板表面擴散源輸送到基板表面，并向基板內(nèi)部擴散。由于預(yù)擴散的溫度較低，所并向基板內(nèi)部擴散。由于預(yù)擴散的溫度較低，所以擴散的較淺。此步的目的是為了以擴散的較淺。此步的目的是為了控制雜質(zhì)的數(shù)控制雜質(zhì)的數(shù)量量。2）再分布：將預(yù)擴散到基板表面的雜質(zhì)作為）再分布：將預(yù)擴散到基板表面的雜質(zhì)作為擴擴散源散源，在高溫下進行擴散。擴散的同時往往進行，在高溫下進行擴散。擴散的同時往往進行氧化。再分布的目的為了得到所需的氧化。再分布的目的為了

52、得到所需的擴散深度和擴散深度和濃度濃度。擴散后在基板表面會有一層薄的高摻雜的。擴散后在基板表面會有一層薄的高摻雜的氧化層。氧化層。 離子注入是將需注入的雜質(zhì)原子進行電離，離子注入是將需注入的雜質(zhì)原子進行電離，在高壓作用下獲得很高的能量在高壓作用下獲得很高的能量(3500keV)后，后，轟擊基板表面，使其進入基板內(nèi)部，而后再進行轟擊基板表面，使其進入基板內(nèi)部，而后再進行退火使雜質(zhì)激活退火使雜質(zhì)激活，同時退火還可以消除因注入引，同時退火還可以消除因注入引起的晶體損傷。起的晶體損傷。 注入的離子在基板中的濃度分布與注入的離注入的離子在基板中的濃度分布與注入的離子質(zhì)量、能量、劑量、靶溫、晶體取向以及退

53、火子質(zhì)量、能量、劑量、靶溫、晶體取向以及退火的工藝等因素有關(guān)。的工藝等因素有關(guān)。（二）離子注入：（二）離子注入： 離子注入摻雜具有均勻性和重復(fù)性好、沾污離子注入摻雜具有均勻性和重復(fù)性好、沾污少、可摻雜材料多、掩膜選擇靈活、易實現(xiàn)突變少、可摻雜材料多、掩膜選擇靈活、易實現(xiàn)突變的雜質(zhì)分布、熱缺陷少、橫向效應(yīng)小以及對化合的雜質(zhì)分布、熱缺陷少、橫向效應(yīng)小以及對化合物半導(dǎo)體的組分影響小等方面的優(yōu)點。物半導(dǎo)體的組分影響小等方面的優(yōu)點。（三）擴散與離子注入比較：（三）擴散與離子注入比較：三、刻蝕技術(shù)：三、刻蝕技術(shù)： 圖形技術(shù)僅僅是在基板表面形成的圖形技術(shù)僅僅是在基板表面形成的抗蝕劑抗蝕劑圖形圖形，尚需要把抗

54、蝕劑的圖形精確地轉(zhuǎn)移到基，尚需要把抗蝕劑的圖形精確地轉(zhuǎn)移到基板或基板表面薄膜上。通常把這一過程稱為刻板或基板表面薄膜上。通常把這一過程稱為刻蝕。蝕。1、按成形進程分，刻蝕有兩種工藝：、按成形進程分，刻蝕有兩種工藝：（1）減法）減法(subtractive)工藝；工藝；（2）加法）加法(additive)工藝。工藝。 兩工藝比較如下圖所示。兩工藝比較如下圖所示。（1）減法）減法(subtractive)工藝：工藝： 減法的工藝過程為先減法的工藝過程為先淀積淀積層薄膜，然后在上層薄膜，然后在上面涂覆抗蝕劑經(jīng)光刻形成面涂覆抗蝕劑經(jīng)光刻形成圖形，最后通過刻蝕去除圖形，最后通過刻蝕去除沒有被抗蝕劑保護的

55、那部沒有被抗蝕劑保護的那部分薄膜，如右圖所示。分薄膜，如右圖所示。（2）加法）加法(additive)工藝：工藝： 先在基板上涂覆抗蝕劑經(jīng)光先在基板上涂覆抗蝕劑經(jīng)光刻形成圖形，然后再淀積薄膜，刻形成圖形，然后再淀積薄膜，這時一部分薄膜淀積在基板表面，這時一部分薄膜淀積在基板表面，另一部分淀積在抗蝕劑表面，最另一部分淀積在抗蝕劑表面，最后在去除抗蝕劑時這部薄膜將隨后在去除抗蝕劑時這部薄膜將隨之一起被清除，這種過程也稱為之一起被清除，這種過程也稱為剝離剝離(liftoff)。必須指出，如果必須指出，如果采用同一種抗蝕劑（例如正膠），采用同一種抗蝕劑（例如正膠），為了獲得相同的最終圖形，則二為了獲得

56、相同的最終圖形，則二種方法所采用的掩膜版是相反的。種方法所采用的掩膜版是相反的。圖圖2-8 兩種圖形兩種圖形轉(zhuǎn)移方法轉(zhuǎn)移方法 2、根據(jù)刻蝕是液相過程還是氣相過程又把刻蝕、根據(jù)刻蝕是液相過程還是氣相過程又把刻蝕分為濕法和干法。分為濕法和干法。（1）濕法刻蝕主要是化學(xué)作用。）濕法刻蝕主要是化學(xué)作用。（2）干法刻蝕方法較多，有主要是化學(xué)作用的）干法刻蝕方法較多，有主要是化學(xué)作用的等離子體刻蝕；主要是物理作用的離子束刻蝕等離子體刻蝕；主要是物理作用的離子束刻蝕(IBE)和濺射刻蝕（和濺射刻蝕（SE）；）；以及化學(xué)作用和物理以及化學(xué)作用和物理作用相互增強的反應(yīng)離子刻蝕作用相互增強的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)

57、和反應(yīng)離子和反應(yīng)離子束刻蝕束刻蝕(RIBE)。 刻蝕工藝的基本要求是真實地轉(zhuǎn)移圖形，但刻蝕工藝的基本要求是真實地轉(zhuǎn)移圖形，但實際總存在一定的偏差實際總存在一定的偏差B，它由抗蝕劑圖形尺寸它由抗蝕劑圖形尺寸df和掩膜圖形尺寸和掩膜圖形尺寸dm確定：確定： B = df dm 刻蝕的這種偏差是由于刻蝕的方向性造成的，刻蝕的這種偏差是由于刻蝕的方向性造成的，如下圖所示。如下圖所示。圖圖29 刻蝕刻蝕偏差示意圖偏差示意圖 如果刻蝕只沿垂直于膜面的方向進行，而不在水平如果刻蝕只沿垂直于膜面的方向進行，而不在水平方向進行的稱為各向異性刻蝕，方向進行的稱為各向異性刻蝕，如圖如圖 210(a)所示，所示，這時

58、抗蝕劑圖形的側(cè)面與掩模圖形一致，刻蝕偏差為零，這時抗蝕劑圖形的側(cè)面與掩模圖形一致，刻蝕偏差為零，如下圖所示。如下圖所示。3、各向異性刻蝕和各向同性刻蝕、各向異性刻蝕和各向同性刻蝕 如果刻蝕在薄膜的垂直和水平方向同時以相如果刻蝕在薄膜的垂直和水平方向同時以相同的速度進行刻蝕，同的速度進行刻蝕，這時在抗蝕劑下薄膜的側(cè)面這時在抗蝕劑下薄膜的側(cè)面經(jīng)刻蝕后會形成四分之一圓弧狀，刻蝕偏差與膜經(jīng)刻蝕后會形成四分之一圓弧狀，刻蝕偏差與膜厚相同，這種刻蝕稱為厚相同，這種刻蝕稱為各向同性刻蝕各向同性刻蝕，如下圖所，如下圖所示。示。 刻蝕各向異性的程度取決于橫向和縱向的刻蝕各向異性的程度取決于橫向和縱向的刻蝕速率的

59、比值，可以用各向異性因子刻蝕速率的比值，可以用各向異性因子Af來表示：來表示：Af = 1 Vfl / Vfv (B4) 式中式中 Vfl和和 Vfv分別表示薄膜的橫向和縱向的分別表示薄膜的橫向和縱向的刻蝕速率?？涛g速率。 在各向同性刻蝕時，在各向同性刻蝕時， Vfl=Vfv，所以所以 Af=0 當(dāng)橫向刻蝕速率當(dāng)橫向刻蝕速率Vfl =0時，則時，則Af=1，表示完表示完全各向異性刻蝕，當(dāng)全各向異性刻蝕，當(dāng)0Af1時，也稱為各向異性時，也稱為各向異性刻蝕，但這時掩模下的薄膜在橫向也有被刻蝕的刻蝕，但這時掩模下的薄膜在橫向也有被刻蝕的現(xiàn)象，這種刻蝕又稱為鉆蝕?，F(xiàn)象，這種刻蝕又稱為鉆蝕。（1）濕法刻

60、蝕）濕法刻蝕 將被抗蝕劑覆蓋的基板浸泡在腐蝕液中、將被抗蝕劑覆蓋的基板浸泡在腐蝕液中、或?qū)⒏g液噴灑到基板上，或?qū)⒏g液噴灑到基板上，使未被抗蝕劑保護使未被抗蝕劑保護的材料與腐蝕液起化學(xué)反應(yīng)，逐漸被腐蝕掉。的材料與腐蝕液起化學(xué)反應(yīng)，逐漸被腐蝕掉。選擇適當(dāng)?shù)母g液配方可以獲得良好的刻蝕選選擇適當(dāng)?shù)母g液配方可以獲得良好的刻蝕選擇性。擇性。 在微機械加工中為了去除犧牲層而保留運在微機械加工中為了去除犧牲層而保留運動部件和基板，通常也采用濕法刻蝕方法進行。動部件和基板，通常也采用濕法刻蝕方法進行。 濕法腐蝕的工藝和設(shè)備簡單、刻蝕速率快、生產(chǎn)效濕法腐蝕的工藝和設(shè)備簡單、刻蝕速率快、生產(chǎn)效率高，是主要的