Chapter3micro-fabrication中文(2)

1、Chapter 3 MEMS Technologies Three dominant MEMS fabrication technologies philosophically different in their approach are currently in use: LIGA Bulk micromachining Sacrificial surface micromachining3.1 Bulk micromachining 硅刻蝕方法：干法干法和濕法濕法 刻蝕方向選擇性：各向同性各向同性和各向異性各向異性 刻蝕材料選擇性： 選擇性刻蝕選擇性刻蝕或非選擇性刻蝕非選擇性刻蝕 選擇方

2、法：晶向晶向和掩模掩模 多種刻蝕技術(shù)的應(yīng)用：體硅工藝體硅工藝（三維技術(shù)），表面硅工藝表面硅工藝（準(zhǔn)三維技術(shù)）濕法刻蝕 濕法刻蝕“濕濕”式刻蝕方法，基于溶液狀態(tài)的刻蝕劑。 濕法刻蝕工藝特點(diǎn)： 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，成本低 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(shí)間 有些材料難以腐蝕濕法刻蝕方向性 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)不同的晶面的刻蝕速率有明顯差別 利用各向異性刻蝕特性，可以刻蝕出各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。各向異性刻蝕和各向同性刻蝕一、硅的各向異性刻蝕一、硅的各向異性刻蝕 是利用腐蝕液對(duì)單晶硅不同晶向刻蝕速率不同的特是利用腐蝕液對(duì)單晶硅不同晶向刻蝕速率不

3、同的特性，使用抗蝕材料作掩膜，用光刻、干法刻蝕和濕性，使用抗蝕材料作掩膜，用光刻、干法刻蝕和濕法刻蝕等手段制作掩膜圖形后進(jìn)行的較大深度的刻法刻蝕等手段制作掩膜圖形后進(jìn)行的較大深度的刻蝕。蝕。 機(jī)理：刻蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化態(tài)機(jī)理：刻蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化態(tài)Si+，而，而羥基羥基OH-與與Si+形成可溶解的硅氫氧化物的過程。形成可溶解的硅氫氧化物的過程。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)各向異性刻蝕液通常對(duì)單晶硅各向異性刻蝕液通常對(duì)單晶硅(111)面的刻蝕速面的刻蝕速率與率與(100)面的刻蝕速率之比很大（面的刻蝕速率之比很大（1：400）

4、 各向異性刻蝕的特點(diǎn)：刻蝕速率比各向同性刻蝕慢，速率僅能達(dá)到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100左右，從而影響到許多光刻膠的使用各向異性刻蝕液各向異性刻蝕液 刻蝕液：刻蝕液： 無機(jī)無機(jī)刻蝕液刻蝕液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等；等； 有機(jī)有機(jī)刻蝕液刻蝕液：EPW、TMAH(和聯(lián)胺和聯(lián)胺等。等。 常用體硅常用體硅刻蝕液：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)系列溶液。系列溶液。 乙二胺乙二胺(NH2(CH2) 2NH2) 鄰苯二酚鄰苯二酚(C6H4(OH) 2) 水

5、水(H2O)（1）KOH system KOH是目前在微機(jī)電領(lǐng)域中最常使用的非等向蝕刻液，為一堿金屬之強(qiáng)堿蝕刻液，其金屬雜質(zhì)會(huì)破壞CMOS的氧化層電性，所以不兼容于IC制程； 但因其價(jià)格低廉、溶液配制簡(jiǎn)單、對(duì)硅(100)蝕刻速率也較其它的蝕刻液為快，更重要的是操作時(shí)穩(wěn)定、無毒性、又無色，可以觀察蝕刻反應(yīng)的情況，是目前最常使用的蝕刻液之一。 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(diǎn)：鏡面，易于控制，兼容性差232222HSiOKKOHOHSi（1）KOH system EPW NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH

6、2)2 (鄰苯二酚)，H2O 特點(diǎn)：蒸 氣有毒，時(shí)效較差， 選擇性好23246322224622222)()(2)(3)(2HOHCSiNHCHNHCHHCSiNHCHNH（2）EPW systemEPW刻蝕條件條件 刻蝕溫度：刻蝕溫度：115左右左右 反應(yīng)容器在甘油池內(nèi)加熱，加熱均勻；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；防止乙二胺揮發(fā)，冷凝回流； 磁裝置攪拌，保證腐蝕液均勻；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)。在反應(yīng)時(shí)通氮?dú)饧右员Ｗo(hù)。 掩膜層：用掩膜層：用SiO2，厚度，厚度4000埃以上。埃以上。(3)TMAH (四甲基氫氧化銨 )刻蝕設(shè)備設(shè)備刻

7、蝕設(shè)備設(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(jì)磨沙密封口冷凝水入口冷凝水出口氮?dú)馊肟诘獨(dú)獬隹诶淠Я鞴艿栏视统馗g液冷凝水氣體流量控制計(jì)氮?dú)夤韬凸柩趸锏湫偷目涛g速率 影響影響刻蝕質(zhì)量因素質(zhì)量因素 晶格方向晶格方向 刻蝕溶液的選擇刻蝕溶液的選擇 刻蝕溶液的濃度刻蝕溶液的濃度 刻蝕時(shí)間刻蝕時(shí)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腐蝕液二、各向同性刻蝕 硅的各向同性刻蝕在半導(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。常用的刻蝕液為HF-HNO3加水或者乙酸系統(tǒng)。 刻蝕機(jī)理為： 首先是硝酸同硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生

8、成SiO 2，然后有HF將SiO 2溶解。222623HOHHNOSiFHHFHNOSi優(yōu)點(diǎn)：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刻蝕液為：NHA和HNWH：氫氟酸(HF)N：硝酸(HNO3)A：乙酸(CH3COOH) W: Water三、自停止刻蝕技術(shù)三、自停止刻蝕技術(shù)(Etch stops) 機(jī)理：機(jī)理： EPW和和KOH對(duì)硅的刻蝕在摻雜濃度小于對(duì)硅的刻蝕在摻雜濃度小于1 1019cm-3時(shí)基本為常數(shù)，超過該濃度時(shí)，時(shí)基本為常數(shù)，超過該濃度時(shí)，刻蝕速率與摻雜硼濃度的刻蝕速率與摻雜硼濃度的4次方成反比，達(dá)次方成反比，達(dá)到一定的濃度時(shí)，刻蝕速率很小，甚至可以到一

9、定的濃度時(shí)，刻蝕速率很小，甚至可以認(rèn)為刻蝕認(rèn)為刻蝕“停止停止”。（1） 重?fù)诫s自停止刻蝕(KOH和EPW：51013/cm3)（2）(111)面停止（3） 時(shí)間控制（4）P-N結(jié)自停止刻蝕（5）電化學(xué)自停止刻蝕自停止刻蝕1、薄膜自停止刻蝕 薄膜自停止刻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、聚酰亞胺，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)力問題，因?yàn)閼?yīng)力太大將使薄膜發(fā)生破裂。2 、重?fù)诫s自停止刻蝕技術(shù) KOH對(duì)硅的腐蝕在摻雜濃度超過閾值濃N0(約為51019CM-3)時(shí)，刻蝕速率很小，輕摻雜與重?fù)诫s硅的刻蝕速率之

10、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。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硼的硅刻蝕自停止效應(yīng)比重?fù)诫s磷的硅明顯，所以工藝中常采用硼重?fù)诫s硅作為硅刻蝕的自停止材料。3、（111）面自停止刻蝕 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）面作為停止刻蝕的晶面。4、電化學(xué)自停止刻蝕 電化學(xué)自停止刻蝕技術(shù)不需要重?fù)诫s層，由于用了外延技術(shù)，因此刻蝕自停止層可以做的很厚?？涛g保護(hù)技術(shù)刻蝕保護(hù)技術(shù) 如果硅晶片表面已經(jīng)形成一些圖案，其中部分薄膜會(huì)被刻蝕液所影響，所以必須利用刻蝕保護(hù)技術(shù)來保

11、護(hù)已完成的結(jié)構(gòu)。 目前常用的保護(hù)技術(shù)有兩種： 一是制作夾具或用膠將整個(gè)面保護(hù)??； 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濕法刻蝕的缺點(diǎn)：圖形受晶向限制，深寬比較差，傾斜側(cè)壁，小結(jié)構(gòu)粘附。三、干法刻蝕 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(xué)過程對(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、各向異性刻蝕能力強(qiáng)、腐蝕的選擇比大、能進(jìn)行自動(dòng)化操作等 干法刻蝕的過程： 刻蝕性氣體離子的產(chǎn)生 離子向襯底的傳輸 吸附及反應(yīng) 襯底表面的刻蝕 鈍化及去除

12、刻蝕反應(yīng)物的排除 干法腐蝕的主要形式：*純化學(xué)過程：（等離子體刻蝕)*純物理過程： (離子刻蝕、離子束刻蝕）*物理化學(xué)過程：反應(yīng)離子刻蝕RIE ，感應(yīng)耦合等離子體刻蝕ICP. 在物理刻蝕方法中，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，刻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(xué)刻蝕中，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），然后與被刻蝕材料起反應(yīng)形成揮發(fā)性物質(zhì)； 在物理化學(xué)結(jié)合的方法中，既有粒子與被刻蝕材料的碰撞，又有惰性氣體與被刻蝕材料的反應(yīng)。反應(yīng)離子刻蝕 反應(yīng)離子刻蝕（Reactive ion etch）是在等離子中發(fā)生的。 隨著材料

13、表層的“反應(yīng)剝離排放”周期循環(huán)，材料被逐層刻蝕到制定深度。 衡量反應(yīng)離子刻蝕的指標(biāo)： 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刻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)，與被刻蝕的固體材料作用，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。 離子轟擊的作用：DRIE、ICP刻蝕工藝刻蝕工藝1.現(xiàn)象現(xiàn)象（1）各向同性刻蝕刻蝕（2）各向異性刻蝕刻蝕（3）濺射刻蝕刻蝕等離子體刻蝕的主要現(xiàn)象和特點(diǎn) （1）速率高 （2）環(huán)境清潔，工藝兼容性好。（3）掩膜選擇性好 30：1（4）表面光潔度好，應(yīng)力集中少（5

14、）無晶向限制主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)min/7:mER（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。適應(yīng)性適應(yīng)性反應(yīng)離子深刻蝕 改善刻蝕的方向性，即各向異性，一直是反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)發(fā)展過程中不懈追求的目標(biāo)。 完全化學(xué)刻蝕是各向同性的，完全的物理刻蝕雖然有很好的方向性，但有很差的選擇性，即掩模本身經(jīng)受不了長時(shí)間的刻蝕。 電感耦合等離子體（ICP），Bosch工藝 反應(yīng)離子深刻蝕的要求： 需要較高的刻蝕速率，否則刻穿500um厚的硅片需要太長的時(shí)間； 需要極好的各向異性，即刻蝕的邊

15、壁垂直。 除了離子物理濺射之外，反應(yīng)離子刻蝕從本質(zhì)上是各向同性，為了阻止或減弱側(cè)向刻蝕，只有設(shè)法在刻蝕的側(cè)向邊壁沉積一層抗刻蝕的膜。離子濺射刻蝕 離子濺射刻蝕是純粹的物理刻蝕過程，氬氣是最通用的離子源氣體。反應(yīng)氣體刻蝕 利用二氟化氙XeF2在氣態(tài)可以直接與硅反應(yīng)生成揮發(fā)性SiF4產(chǎn)物的性質(zhì)，可以對(duì)硅表面進(jìn)行各向同性刻蝕。干法刻蝕與濕法腐蝕對(duì)比3.2 表面微加工技術(shù) 硅表面微機(jī)械加工是微機(jī)械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一種加工技術(shù)。 一般來講，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：多晶硅、氮化硅、氧化硅、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、硼硅酸玻璃(BSG)和金屬。 表面微加工

16、表面微加工技術(shù)主要靠在基底上逐層添加材料而構(gòu)造微結(jié)構(gòu) 表面微加工器件是由三種典型的部件組成：犧牲層；微結(jié)構(gòu)層；絕緣層部分 基本概念 在微機(jī)械加工中，通常將兩層薄膜中的下面一層腐蝕掉，只保留上面的一層，這種技術(shù)稱為犧牲層腐蝕，又稱為分離層腐蝕。 利用犧牲層腐蝕技術(shù)直接在襯底表面制作微機(jī)械元件結(jié)構(gòu)的技術(shù)被稱為“硅表面微機(jī)械加工技術(shù)”。MEMS 器件的加工 裸片 淀積薄膜 利用光刻圖形化利用光刻圖形化 淀積犧牲層膜 圖形化犧牲層 淀積機(jī)結(jié)構(gòu)械薄膜 圖形化釋放結(jié)構(gòu)表面微機(jī)械加工流程表面微機(jī)械加工流程體硅與表面微機(jī)械技術(shù)的比較犧牲層材料對(duì)比材材料料用用 途途特特 點(diǎn)點(diǎn)腐腐蝕蝕劑劑腐腐蝕蝕速速率率( m/

17、min)HF1.4二氧化硅釋放多晶硅結(jié)構(gòu)回火中收縮率低、薄膜穩(wěn)定度高、腐蝕速率低5:1BHF0.12HF3.6磷硅玻璃釋放多晶硅結(jié)構(gòu)腐蝕速率高、內(nèi)應(yīng)力?。惑w積穩(wěn)定度低5:1BHF4.4鋁釋放有機(jī)結(jié)構(gòu) 與CMOS工藝兼容HF或H3PO440鈦用于LIGA中釋放電鑄結(jié)構(gòu)HF很快常用犧牲層材料常用犧牲層材料表面微加工中的力學(xué)問題 表面微加工技術(shù)存在著三個(gè)主要的力學(xué)問題：層間黏附；界面應(yīng)力；靜態(tài)阻力 界面應(yīng)力在雙層結(jié)構(gòu)中有三種典型的應(yīng)力 1.材料的熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱應(yīng)力 雙層結(jié)構(gòu)達(dá)到非常高的操作溫度時(shí)，劇烈的熱應(yīng)力會(huì)使SiO2薄層從Si基底脫離 2.殘余應(yīng)力在微機(jī)械加工中是固有的 3.存在于薄膜

18、結(jié)構(gòu)中本身的應(yīng)力 由微加工過程中原子結(jié)構(gòu)局部變化產(chǎn)生的 例如，過量摻雜會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在表面微加工后產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力 粘連 兩個(gè)分離薄片粘附在一起的現(xiàn)象稱為粘連； 粘連是表面微加工中最嚴(yán)重的問題； 在犧牲層從被分離的材料層中去除時(shí)發(fā)生 解決方法 1、最簡(jiǎn)單的方法式在漂洗和吹干期間，盡量防止微器件與基體的接觸，從液體中抽出器件時(shí)盡量減少器件上的作用力，在最后一道工序中采用低表面張力的液體。 2、超臨界干燥 3、低于三相點(diǎn)表面微機(jī)械加工的特點(diǎn) 1、在表面微機(jī)械加工中，硅片本身不被刻蝕，沒有穿過硅片，硅片背面也無凹坑。 2、表面微機(jī)械加工適用于微小構(gòu)件的加工，結(jié)構(gòu)尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反應(yīng)離子

19、刻蝕工藝。 3、形成層狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為微器件設(shè)計(jì)提供較大的靈活性。 4、可實(shí)現(xiàn)微小可動(dòng)部件的加工。 5、與IC工藝兼容性好。silicon substrate base:ABDEFSilicon constraint baseMask 1for etchingMask 2for depositionPSGSacrificialLayerSilicon constraint baseAfter etching of sacrificial layer Deposit a sacrificial layer of PSG (Phosphosilicateglass) using LPCVD proc

20、ess. Cover the PSG layer with Mask 1 (made of Si3N4)for subsequent etching away the PSG for beamssupport area as shown in Step C.C Produce a Mask 2 (Si3N4) with openingof the size of the beam length and width.Cover this Mask on top of the PSG layer. Deposit polysilicon over the masked regionusing CV

21、D to thickness of the beam. Remove the sacrificial PSG by etching (see blow)and creates the free-standing cantilever beam.Surface Micromachining ContdGeneral description of processIllustration of micromachining process creation of a polysilicon cantilever beam on多層表面工藝 German acronym for (LIthograpie, Galvanoformung, Abformung), lithography, electroplating / electrodeposition ,