MEMS工藝-表面微機械加工技術

匯報人：胡文艷時間：第11章外表微機械加工01相關基本概念介紹-02表面微機械加工基本工藝介紹-03結構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-05粘附機制和抗粘附的方法——與烘干工藝相關的失效以及改進方法-Contents目錄微機械加工微機械加工技術是加工微米量級機械的技術，即是為微傳感器、微執(zhí)行器和微電子機械系統(tǒng)制作微機械部件和結構的加工技術。按加工類型分類體微機械加工表面微機械加工復合微機械加工按加工材料分類硅基微機械加工非硅基微機械加工分類方法根本概念在工藝中經常同時使用微機械加工工藝體微機械加工表面微機械加工復合微機械加工定義：能夠制造附著于襯底外表附近的微結構的工藝。與體微機械加工不同，外表微機械加工沒有移除或刻蝕體襯底材料。外表微機械加工的定義外表微機械加工和體微機械加工工藝特點：表面微機械加工體微機械加工優(yōu)點充分利用了現有的IC生產工藝，對機械零部件尺度的控制與IC一樣好,因此這種技術和IC完全兼容?？梢韵鄬θ菀椎刂圃斐龃筚|量的零部件。缺點1.機械加工層越多微型元件的布局問題、平面化問題和減小殘余應力問題也更難解決。1.很難制造精細靈敏的懸掛系統(tǒng)。2.它制造的機械結構基本上都是二維，因為機械結構的厚度完全受限于沉積薄膜的厚度。2.由于體微機械加工工藝無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構層薄膜圖形化結構層薄膜去除犧牲層，釋放結構層形成最終結構舉例：方案一——微型馬達根本制造工藝流程在硅片上淀積一層犧牲層。淀積多晶硅作為結構層材料，制造轉子。光刻膠作掩膜，反響離子刻蝕使圖形轉移到多晶硅結構層上。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，限制轉子的側向平移〕沉積第二層結構層，該結構層通過錨區(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構形狀。浸入氫氟酸刻蝕液以除去兩層犧牲層。方案一帶來的問題：定子轉子襯底轉子在重力作用下很容易落在襯底上，產生大面積接觸。轉子在高速轉動過程中會與定子產生接觸，產生額外的摩擦和磨損。方案二——微型馬達制造工藝流程改進和方案一最主要的不同之處是第二層結構層(定子)的材料用氮化硅取代了多晶硅。產生的問題：轉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上。淀積第二層結構方案三——微型馬達制造工藝流程改進為了解決上述由于轉子和定子的接觸而產生額外摩擦問題，這里采用氮化硅作為接觸面以降低轉子和定子間的摩擦系數。定子的側壁具有摩擦控制層，底槽區(qū)域內沉積的氮化硅可以防止定子落到襯底外表。工藝材料選擇標準：理想工藝規(guī)那么：將結構層淀積在犧牲層上時，不能導致犧牲層熔化、溶解、開裂、分解、變得不穩(wěn)定或其他形式毀壞。用于結構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、損壞結構層和襯底。多重結構層和犧牲層規(guī)那么〔如前述微型馬達工藝流程〕：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。將犧牲層或者結構層圖形化的任何工藝過程，不能刻蝕損壞現存硅片上的其它層材料。三、結構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，還要考慮一些其他因素：刻蝕速率和刻蝕選擇性?？傻竭_的薄膜厚度。材料的沉積溫度。結構層本征內應力。外表光滑度。材料和工藝的本錢。Q&A：這個比值應該盡可能的大還是??？在進行犧牲層刻蝕時，有一個重要的參數：即刻蝕選擇性=刻蝕劑對犧牲層的刻蝕速率刻蝕劑對結構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程的時間減少。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，那么在選擇方案時應考慮其他因素。綜上，可以看出，刻蝕選擇性應當盡可能地大?？涛g選擇性=實際中廣泛應用到的結構層和犧牲層材料的淀積方法是化學氣相沉積〔CVD〕，根據提供能量不同有如下分類：能量僅由熱能提供且反應在低壓中進行低壓化學氣相沉積（LPCVD）能量由等離子能源提供等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）LPCVD沉積腔（多個溫度區(qū)用于提高材料生長的均勻性）結構層和犧牲層材料的制備方法在MEMS中應用的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材料反應溫度化學反應方程式其他性質及其他多晶硅580℃~620℃SiH4=Si+2H2保形性保形覆蓋的目的是覆蓋三維結構的圖形應力對于螺母結構：會引起扣住的現象對于懸臂梁結構：厚度方向的梯度應力會引起形變刻蝕速率在氫氟酸刻蝕犧牲層時的低刻蝕速率氮化硅800℃3SiH4+4NH3=Si3N4+24H絕緣的電解質，具有本征張應力。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。其他外表微機械加工材料與工藝：其他材料及其優(yōu)點：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。采用更簡單的設備進行沉積。其他工藝對于聚合物材料：旋涂、汽相涂覆、噴涂和電鍍。對于金屬元素：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方法一：以上圖磁執(zhí)行器為例，每個板由兩個懸臂梁支撐，板上的四個刻蝕孔使得犧牲層鉆蝕不但可以在板的邊緣發(fā)生，而且可以在其內部進行。這種方法可以大大減少刻蝕所需時間。右圖為刻蝕孔的顯微照片。大多數情況下，刻蝕孔應當比較小，以免在器件工作時產生不良影響。方法二：改變刻蝕方法和刻蝕材料在某些應用中，刻蝕孔對器件性能有一定的影響。例如，光反射器上的刻蝕孔不但會降低反射系數，而且會導致衍射的發(fā)生。所以除此方法外，據研究說明，以下材料具有非?？斓目涛g速率和很高的刻蝕選擇性：樹狀聚合物，例如超分支聚合物。氧化鋅薄層。假設犧牲層是金屬，可通過加偏壓使其在電解液中溶解的方法來加速鉆蝕。使用自組裝的單分子層來釋放大面積的微器件而不需要采用化學濕法刻蝕。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。因為孔尺寸到達納米量級，所以它們對器件的工作影響很小。五、粘附機制和抗粘附的方法——與烘干工藝相關的失效以及改進方法犧牲層去除常常采用化學溶劑來完成，因為其刻蝕速率高，設備簡單刻蝕選擇性好。它常需要采用自然蒸發(fā)或強制蒸發(fā)的后處理方法對圓片和芯片進行枯燥。具體情況如以下圖?；瘜W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蒸發(fā)的方式被去除，微結構頂部外表最先被暴露在空氣中。困在懸臂梁微結構下的液體需要更多的時間去除。外表張力作用在液體和空氣的界面上，對于大尺寸器件而言，外表張力作用可以忽略并且不會造成顯著的變形。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構產生顯著的變形，常常會造成微結構與襯底相接觸。懸浮結構與襯底的接觸會導致不可逆的損壞。一旦接觸，強大的分子力〔例如范德華力〕會加強懸浮結構和襯底間的吸引。另外，由于存在新的反響副產品，很可能會產生固體橋接。微結構的這種失效模式稱為粘附(stiction)。粘附(stiction)=粘連(sticking)＋摩擦(friction)解決粘附問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性質以減小毛細吸引力。防止產生過大的結合力，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構，這些方法可以局部進行也可以整體進行。為機械結構提供反向力以防止其相互接觸，如利用本征應力引起的彎曲現象。下面詳細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反向外表張力，超臨界相出現在高溫高壓的環(huán)境下。以下圖為超臨界相技術的典型烘干工藝。1231、將帶有釋放微結構的芯片浸入液體中并置于適宜的壓強和室溫下。初始狀態(tài)在相圖中用點1表示。2、增加液體的溫度并保持壓強不變，溶劑從液相轉變?yōu)槌R界相〔點2〕3、降低超臨界相流體的壓力，使得超臨界流體轉變?yōu)槠唷颤c3〕優(yōu)點：從液相轉變?yōu)槌R界相以及從超臨界相轉變?yōu)槠嗟倪^程中不存在外表張力。方法二：采用疏水涂層在微結構和襯底上采用疏水涂層可以降低結合能，從而降低粘附。外表覆蓋一層自組裝的長鏈分子，這種長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用于其他領域。例如：采用疏水的圖形化區(qū)域降低了外表結合能，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行自動組裝。01相關基本概念介紹-02表面微機械加工基本工藝介紹-