MEMS工藝-表面微機(jī)械加工技術(shù)

匯報(bào)人：胡文艷時(shí)間：第11章外表微機(jī)械加工01相關(guān)基本概念介紹-02表面微機(jī)械加工基本工藝介紹-03結(jié)構(gòu)層材料和犧牲層材料的選擇-04加速犧牲層刻蝕的方法——鉆蝕釋放速度的技術(shù)-05粘附機(jī)制和抗粘附的方法——與烘干工藝相關(guān)的失效以及改進(jìn)方法-Contents目錄微機(jī)械加工微機(jī)械加工技術(shù)是加工微米量級(jí)機(jī)械的技術(shù)，即是為微傳感器、微執(zhí)行器和微電子機(jī)械系統(tǒng)制作微機(jī)械部件和結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)。按加工類(lèi)型分類(lèi)體微機(jī)械加工表面微機(jī)械加工復(fù)合微機(jī)械加工按加工材料分類(lèi)硅基微機(jī)械加工非硅基微機(jī)械加工分類(lèi)方法根本概念在工藝中經(jīng)常同時(shí)使用微機(jī)械加工工藝體微機(jī)械加工表面微機(jī)械加工復(fù)合微機(jī)械加工定義：能夠制造附著于襯底外表附近的微結(jié)構(gòu)的工藝。與體微機(jī)械加工不同，外表微機(jī)械加工沒(méi)有移除或刻蝕體襯底材料。外表微機(jī)械加工的定義外表微機(jī)械加工和體微機(jī)械加工工藝特點(diǎn)：表面微機(jī)械加工體微機(jī)械加工優(yōu)點(diǎn)充分利用了現(xiàn)有的IC生產(chǎn)工藝，對(duì)機(jī)械零部件尺度的控制與IC一樣好,因此這種技術(shù)和IC完全兼容。可以相對(duì)容易地制造出大質(zhì)量的零部件。缺點(diǎn)1.機(jī)械加工層越多微型元件的布局問(wèn)題、平面化問(wèn)題和減小殘余應(yīng)力問(wèn)題也更難解決。1.很難制造精細(xì)靈敏的懸掛系統(tǒng)。2.它制造的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本上都是二維，因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)的厚度完全受限于沉積薄膜的厚度。2.由于體微機(jī)械加工工藝無(wú)法做到零部件的平面化布局，因此它不能夠和微電子線路直接兼容。二、根本工藝流程在硅片上淀積一層犧牲層光刻定義圖形層淀積結(jié)構(gòu)層薄膜圖形化結(jié)構(gòu)層薄膜去除犧牲層，釋放結(jié)構(gòu)層形成最終結(jié)構(gòu)舉例：方案一——微型馬達(dá)根本制造工藝流程在硅片上淀積一層犧牲層。淀積多晶硅作為結(jié)構(gòu)層材料，制造轉(zhuǎn)子。光刻膠作掩膜，反響離子刻蝕使圖形轉(zhuǎn)移到多晶硅結(jié)構(gòu)層上。硅片外表沉積另一層氧化物犧牲層〔材料可能與前一層不同，常選擇LPCVD二氧化硅〕加工出與襯底相連的錨區(qū)窗口〔為了制造定子，限制轉(zhuǎn)子的側(cè)向平移〕沉積第二層結(jié)構(gòu)層，該結(jié)構(gòu)層通過(guò)錨區(qū)窗口與襯底相連〔制造定子〕再次涂敷光刻膠用于光刻第二層結(jié)構(gòu)形狀。浸入氫氟酸刻蝕液以除去兩層犧牲層。方案一帶來(lái)的問(wèn)題：定子轉(zhuǎn)子襯底轉(zhuǎn)子在重力作用下很容易落在襯底上，產(chǎn)生大面積接觸。轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)與定子產(chǎn)生接觸，產(chǎn)生額外的摩擦和磨損。方案二——微型馬達(dá)制造工藝流程改進(jìn)和方案一最主要的不同之處是第二層結(jié)構(gòu)層(定子)的材料用氮化硅取代了多晶硅。產(chǎn)生的問(wèn)題：轉(zhuǎn)子和襯底仍有可能粘連，但接觸的可能性減小到微小的凸點(diǎn)上。淀積第二層結(jié)構(gòu)方案三——微型馬達(dá)制造工藝流程改進(jìn)為了解決上述由于轉(zhuǎn)子和定子的接觸而產(chǎn)生額外摩擦問(wèn)題，這里采用氮化硅作為接觸面以降低轉(zhuǎn)子和定子間的摩擦系數(shù)。定子的側(cè)壁具有摩擦控制層，底槽區(qū)域內(nèi)沉積的氮化硅可以防止定子落到襯底外表。工藝材料選擇標(biāo)準(zhǔn)：理想工藝規(guī)那么：將結(jié)構(gòu)層淀積在犧牲層上時(shí)，不能導(dǎo)致?tīng)奚鼘尤刍?、溶解、開(kāi)裂、分解、變得不穩(wěn)定或其他形式毀壞。用于結(jié)構(gòu)層圖形化的工藝不能破壞犧牲層和襯底上已有的其他薄層。用于除去犧牲層的工藝不能侵蝕、溶解、損壞結(jié)構(gòu)層和襯底。多重結(jié)構(gòu)層和犧牲層規(guī)那么〔如前述微型馬達(dá)工藝流程〕：淀積的材料層不能破壞其底層材料。犧牲層刻蝕工藝中不能破壞硅片上的其他任何材料。將犧牲層或者結(jié)構(gòu)層圖形化的任何工藝過(guò)程，不能刻蝕損壞現(xiàn)存硅片上的其它層材料。三、結(jié)構(gòu)層材料和犧牲層材料上述原那么適用于LPCVD材料，而在使用其他材料時(shí)，還要考慮一些其他因素：刻蝕速率和刻蝕選擇性?？傻竭_(dá)的薄膜厚度。材料的沉積溫度。結(jié)構(gòu)層本征內(nèi)應(yīng)力。外表光滑度。材料和工藝的本錢(qián)。Q&A：這個(gè)比值應(yīng)該盡可能的大還是??？在進(jìn)行犧牲層刻蝕時(shí)，有一個(gè)重要的參數(shù)：即刻蝕選擇性=刻蝕劑對(duì)犧牲層的刻蝕速率刻蝕劑對(duì)結(jié)構(gòu)層的刻蝕速率理想情況下，較高的犧牲層刻蝕速率rsa意味著完成犧牲層刻蝕過(guò)程的時(shí)間減少。如果兩種備選方案具有相同的刻蝕選擇性，那么具有較高犧牲層刻蝕速率rsa的方案更受青睞。如果其中的一種方案對(duì)犧牲層的刻蝕速率較慢但是比另一種方案的刻蝕選擇性高，那么在選擇方案時(shí)應(yīng)考慮其他因素。綜上，可以看出，刻蝕選擇性應(yīng)當(dāng)盡可能地大?？涛g選擇性=實(shí)際中廣泛應(yīng)用到的結(jié)構(gòu)層和犧牲層材料的淀積方法是化學(xué)氣相沉積〔CVD〕，根據(jù)提供能量不同有如下分類(lèi)：能量?jī)H由熱能提供且反應(yīng)在低壓中進(jìn)行低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）能量由等離子能源提供等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）LPCVD沉積腔（多個(gè)溫度區(qū)用于提高材料生長(zhǎng)的均勻性）結(jié)構(gòu)層和犧牲層材料的制備方法在MEMS中應(yīng)用的LPCVD材料主要有三種：多晶硅、氮化硅和二氧化硅：除LPCVD外的其他方法：PECVD硅、氧化硅、氮化硅濺射多晶硅LPCVD材料反應(yīng)溫度化學(xué)反應(yīng)方程式其他性質(zhì)及其他多晶硅580℃~620℃SiH4=Si+2H2保形性保形覆蓋的目的是覆蓋三維結(jié)構(gòu)的圖形應(yīng)力對(duì)于螺母結(jié)構(gòu)：會(huì)引起扣住的現(xiàn)象對(duì)于懸臂梁結(jié)構(gòu)：厚度方向的梯度應(yīng)力會(huì)引起形變刻蝕速率在氫氟酸刻蝕犧牲層時(shí)的低刻蝕速率氮化硅800℃3SiH4+4NH3=Si3N4+24H絕緣的電解質(zhì)，具有本征張應(yīng)力。二氧化硅500℃SiH4+O2=SiO2+2H2附加的磷化氫氣體摻入LTO（低溫氧化硅，即沒(méi)有被摻雜的二氧化硅），可生成磷硅玻璃（PSG），摻入磷原子可加速二氧化硅在氫氟酸中的刻蝕速率。其他外表微機(jī)械加工材料與工藝：其他材料及其優(yōu)點(diǎn)：鍺硅及多晶鍺：較低的加工溫度〔多晶硅580℃，鍺硅工藝溫度只有450℃〕與多晶硅相比，鍺硅的生長(zhǎng)速率更高。聚合物及金屬薄膜：在更低的溫度下加工。采用更簡(jiǎn)單的設(shè)備進(jìn)行沉積。其他工藝對(duì)于聚合物材料：旋涂、汽相涂覆、噴涂和電鍍。對(duì)于金屬元素：蒸發(fā)及濺射：沉積薄金屬膜〔小于1μm〕電鍍：制造厚金屬膜〔大于2μm〕四、加速犧牲層刻蝕的方法——鉆蝕釋放速度的技術(shù)方法一：以上圖磁執(zhí)行器為例，每個(gè)板由兩個(gè)懸臂梁支撐，板上的四個(gè)刻蝕孔使得犧牲層鉆蝕不但可以在板的邊緣發(fā)生，而且可以在其內(nèi)部進(jìn)行。這種方法可以大大減少刻蝕所需時(shí)間。右圖為刻蝕孔的顯微照片。大多數(shù)情況下，刻蝕孔應(yīng)當(dāng)比較小，以免在器件工作時(shí)產(chǎn)生不良影響。方法二：改變刻蝕方法和刻蝕材料在某些應(yīng)用中，刻蝕孔對(duì)器件性能有一定的影響。例如，光反射器上的刻蝕孔不但會(huì)降低反射系數(shù)，而且會(huì)導(dǎo)致衍射的發(fā)生。所以除此方法外，據(jù)研究說(shuō)明，以下材料具有非常快的刻蝕速率和很高的刻蝕選擇性：樹(shù)狀聚合物，例如超分支聚合物。氧化鋅薄層。假設(shè)犧牲層是金屬，可通過(guò)加偏壓使其在電解液中溶解的方法來(lái)加速鉆蝕。使用自組裝的單分子層來(lái)釋放大面積的微器件而不需要采用化學(xué)濕法刻蝕。這些孔可以使其下的犧牲層被快速移除而不需要借助大尺寸的刻蝕孔。因?yàn)榭壮叽绲竭_(dá)納米量級(jí)，所以它們對(duì)器件的工作影響很小。五、粘附機(jī)制和抗粘附的方法——與烘干工藝相關(guān)的失效以及改進(jìn)方法犧牲層去除常常采用化學(xué)溶劑來(lái)完成，因?yàn)槠淇涛g速率高，設(shè)備簡(jiǎn)單刻蝕選擇性好。它常需要采用自然蒸發(fā)或強(qiáng)制蒸發(fā)的后處理方法對(duì)圓片和芯片進(jìn)行枯燥。具體情況如以下圖。化學(xué)容器懸臂梁液態(tài)刻蝕溶液被困液體表面張力隨著液體通過(guò)蒸發(fā)的方式被去除，微結(jié)構(gòu)頂部外表最先被暴露在空氣中。困在懸臂梁微結(jié)構(gòu)下的液體需要更多的時(shí)間去除。外表張力作用在液體和空氣的界面上，對(duì)于大尺寸器件而言，外表張力作用可以忽略并且不會(huì)造成顯著的變形。但是，由于微尺寸器件常常采用柔性材料并包含微小的間隙，外表張力能夠使外表微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的變形，常常會(huì)造成微結(jié)構(gòu)與襯底相接觸。懸浮結(jié)構(gòu)與襯底的接觸會(huì)導(dǎo)致不可逆的損壞。一旦接觸，強(qiáng)大的分子力〔例如范德華力〕會(huì)加強(qiáng)懸浮結(jié)構(gòu)和襯底間的吸引。另外，由于存在新的反響副產(chǎn)品，很可能會(huì)產(chǎn)生固體橋接。微結(jié)構(gòu)的這種失效模式稱(chēng)為粘附(stiction)。粘附(stiction)=粘連(sticking)＋摩擦(friction)解決粘附問(wèn)題的方法均源于以下四種途徑之一：改變固體與液體界面的化學(xué)性質(zhì)以減小毛細(xì)吸引力。防止產(chǎn)生過(guò)大的結(jié)合力，如提高溶液溫度或減少外表接觸面積。采用各種形式的能量輸入釋放粘附在襯底上的結(jié)構(gòu)，這些方法可以局部進(jìn)行也可以整體進(jìn)行。為機(jī)械結(jié)構(gòu)提供反向力以防止其相互接觸，如利用本征應(yīng)力引起的彎曲現(xiàn)象。下面詳細(xì)介紹利用上述途徑的兩種典型方法。方法一：超臨界流體烘干可以防止液體與空氣界面處出現(xiàn)反向外表張力，超臨界相出現(xiàn)在高溫高壓的環(huán)境下。以下圖為超臨界相技術(shù)的典型烘干工藝。1231、將帶有釋放微結(jié)構(gòu)的芯片浸入液體中并置于適宜的壓強(qiáng)和室溫下。初始狀態(tài)在相圖中用點(diǎn)1表示。2、增加液體的溫度并保持壓強(qiáng)不變，溶劑從液相轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界相〔點(diǎn)2〕3、降低超臨界相流體的壓力，使得超臨界流體轉(zhuǎn)變?yōu)槠唷颤c(diǎn)3〕優(yōu)點(diǎn)：從液相轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界相以及從超臨界相轉(zhuǎn)變?yōu)槠嗟倪^(guò)程中不存在外表張力。方法二：采用疏水涂層在微結(jié)構(gòu)和襯底上采用疏水涂層可以降低結(jié)合能，從而降低粘附。外表覆蓋一層自組裝的長(zhǎng)鏈分子，這種長(zhǎng)鏈分子叫做單層疏水自組裝。除了用于防粘附涂層外，疏水外表處理還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。例如：采用疏水的圖形化區(qū)域降低了外表結(jié)合能，就可以不采用犧牲層濕法刻蝕便從模具中提起圓片級(jí)尺度的器件；局部疏水處理可以使小部件按照自組織方式進(jìn)行自動(dòng)組裝。01相關(guān)基本概念介紹-02表面微機(jī)械加工基本工藝介紹-