MEMS加工工藝及表面加工

MEMS加工工藝MEMS加工工藝分類部件及子系統(tǒng)制造工藝

半導(dǎo)體工藝、集成光學(xué)工藝、厚薄膜工藝、微機(jī)械加工工藝等封裝工藝

硅加工技術(shù)、激光加工技術(shù)、粘接、共熔接合、玻璃封裝、靜電鍵合、壓焊、倒裝焊、帶式自動焊、多芯片組件工藝Bulkmicromachining~1960FSFx+Deepreactive-ionetching~1995Surfacemicromachining~1986LIGA~1978MEMS加工技術(shù)的種類大機(jī)械制造小機(jī)械，小機(jī)械制造微機(jī)械日本為代表，與集成電路技術(shù)幾乎無法兼容LIGA工藝Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄)Abformung(塑鑄)德國為代表，利用同步輻射X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和塑鑄形成高深寬比微結(jié)構(gòu)的方法。設(shè)備昂貴，需特制的X射線掩模版，加工周期長，與集成電路兼容性差硅微機(jī)械加工工藝：體硅工藝和外表犧牲層工藝美國為代表，伴隨硅固態(tài)傳感器的研究、開發(fā)而在集成電路平面加工工藝根底上開展起來的三維加工技術(shù)。具有批量生產(chǎn)，本錢低、加工技術(shù)可從IC成熟工藝轉(zhuǎn)化且易于與電路集成MEMS加工技術(shù)的種類硅基微機(jī)械加工技術(shù)體硅微機(jī)械加工技術(shù)硅各向異性化學(xué)濕法腐蝕技術(shù)熔接硅片技術(shù)反響離子深刻蝕技術(shù)外表微機(jī)械加工技術(shù)利用集成電路的平面加工技術(shù)加工微機(jī)械裝置整個(gè)工藝都基于集成電路制造技術(shù)與IC工藝完全兼容，制造的機(jī)械結(jié)構(gòu)根本上都是二維的復(fù)合微機(jī)械加工(如鍵合技術(shù))體硅微機(jī)械加工技術(shù)和外表微機(jī)械加工技術(shù)的結(jié)合，具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了二者的缺乏硅是最根本的微機(jī)械材料，微細(xì)加工技術(shù)一般都要涉及硅材料。針對微機(jī)械的微細(xì)加工也常被稱為硅微細(xì)加工(SiliconMicromachining)，它是微傳感器、微致動器乃至MEMS迅速開展的根底技術(shù)。作為硅集成電路制造技術(shù)的延伸，硅微細(xì)加工主要是指以硅材料為根底制作各種微機(jī)械零部件。它總體上可分為體加工和外表加工兩大類IC工藝與MEMS硅工藝的聯(lián)系IC工藝路線光刻工藝過程圖硅園片去掉光刻膠腐蝕硅片刻蝕光刻膠淀積光刻膠體硅微機(jī)械加工技術(shù)硅的體加工技術(shù)包括：去除加工〔腐蝕〕附著加工〔鍍膜〕改質(zhì)加工〔摻雜〕結(jié)合加工〔鍵合〕體硅加工涉及的加工方法特點(diǎn)：通過腐蝕的方法對襯底硅進(jìn)行加工，形成三維立體微結(jié)構(gòu)的方法加工對象通常就是單晶硅本身加工深度通常為幾十微米、幾百微米，甚至穿透整個(gè)硅片。與集成電路工藝兼容性差硅片兩個(gè)外表上的圖形通常要求有嚴(yán)格的幾何對應(yīng)關(guān)系，形成一個(gè)完整的立體結(jié)構(gòu)在以硅為根底的MEMS加工技術(shù)中，最關(guān)鍵的加工工藝主要包括深寬比大的各向異性腐蝕技術(shù)、鍵合技術(shù)和外表犧牲層技術(shù)等。體硅腐蝕技術(shù)是體硅微機(jī)械加工技術(shù)的核心，可分為各向同性腐蝕和各向異性腐蝕兩大類，按腐蝕劑是液體或氣體又可分為濕法和干法腐蝕。干法腐蝕干法腐蝕技術(shù)包括以物理作用為主的反響離子濺射腐蝕，以化學(xué)反響為主的等離子體腐蝕，以及兼有物理、化學(xué)作用的反響濺射腐蝕濕法腐蝕硅的濕法腐蝕是先將材料氧化，然后化學(xué)反響使一種或多種氧化物或絡(luò)合物溶解，包括濕法化學(xué)腐蝕和濕法電化學(xué)腐蝕腐蝕技術(shù)硅的濕法腐蝕1)硅的各向同性腐蝕腐蝕液對硅的腐蝕作用根本上不具有晶向依賴性.腐蝕設(shè)備及原理圖濕腐蝕是將與腐蝕的硅片置入具有確定化學(xué)成分和固定溫度的腐蝕液體里進(jìn)行的腐蝕。一般需要對溶液進(jìn)行超聲或攪拌。

各向同性腐蝕所用的化學(xué)試劑很多，多采用HF－HNO3腐蝕系統(tǒng)

對于HF和HNO3加H2O〔或CH3COOH〕腐蝕劑，硅外表的陽極反響為Si＋2e＋——>Si2+這里e＋表示空穴，即Si得到空穴后從原子升到氧化態(tài)腐蝕液中的水解離發(fā)生下述反響H2O＝〔OH〕－＋H＋HF－HNO3腐蝕系統(tǒng)

Si2+與〔OH〕－結(jié)合，成為：Si2+＋2〔OH〕－——>Si〔OH〕2接著Si〔OH〕2放出H2并形成SiO2，即：Si〔OH〕2——>SiO2＋H2由于腐蝕液中存在HF，所以SiO2立即與HF反響，反響式為：SiO2＋6HF——>H2SiF6＋2H2O通過攪拌可使絡(luò)合物H2SiF6遠(yuǎn)離硅片，因此稱這一反響為絡(luò)合化反響顯然，HF的作用在于促進(jìn)陽極反響，使陽極反響產(chǎn)物SiO2溶解掉，不然，所生成的SiO2就會阻礙硅與H2O的電極反響。HF的作用HF、HNO3可用H2O或CH3COOH稀釋。在HNO3溶液中HNO3幾乎全部電離，因此H＋濃度很高，而CH3COOH是弱酸，電離度較小，HNO3＋CH3COOH的溶液中，H＋與CH3COO－發(fā)生作用，生成CH3COOH分子，而且CH3COOH的介電場數(shù)〔6.15〕低于水的介電場數(shù)〔81〕，因此在HNO3＋CH3COOH混合液中H＋離子濃度低。與水相比，CH3COOH可在更廣泛的范圍內(nèi)稀釋而保持HNO3的氧化能力，因此腐蝕液的氧化能力在使用期內(nèi)相當(dāng)穩(wěn)定。同時(shí)減少H＋離子使陰極反響變慢，整個(gè)腐蝕速率也隨之變慢，有利于顯示。H＋離子濃度的影響1.如何選擇腐蝕劑？2.刻蝕的物理化學(xué)過程及優(yōu)化方法？思考與討論2)硅的各向異性腐蝕腐蝕液對硅的不同晶面有明顯的晶向依賴性，不同晶面具有不同的腐蝕速率EPW腐蝕液，晶向依賴性(100):(111)=35:1TMAH腐蝕液，(100):(111)=10~35:1各向異向腐蝕劑一般分為兩類：一類是有機(jī)腐蝕劑，包括EPW〔乙二胺、鄰苯二酸和水〕和聯(lián)胺等另一類是無機(jī)腐蝕劑，包括堿性腐蝕液，如KOH、NaOH、CsOH和NH4OH等。這兩類腐蝕劑具有非常類似的腐蝕現(xiàn)象。這里主要介紹EPW和KOH對硅的腐蝕特性，其余的僅列出其常用的腐蝕劑配比。各向異性腐蝕原理KOH腐蝕系統(tǒng)常用KOH、H2O和〔CH3〕2CHOH〔異丙醇，縮寫IPA〕的混合液除KOH外，類似的腐蝕劑還有NaOH、LiOH、CsOH和NH4OH腐蝕劑KOH系統(tǒng)

硅在KOH系統(tǒng)中的腐蝕機(jī)理，其腐蝕的反響式如下：KOH＋H2O＝K＋2OH－＋H＋Si＋2OH－＋4H2O＝Si〔OH〕62－即首先將硅氧化成含水的硅化物。腐蝕反響〔KOH〕乙二胺〔NH2〔CH2〕2NH2〕、鄰苯二酸〔C6H4〔OH〕2〕和水〔H2O〕，簡稱EPWEPW系統(tǒng)

電離過程：NH2〔CH2〕2NH2＋H2O——>NH2〔CH2〕2NH3+＋〔OH〕－氧化－復(fù)原過程：Si＋〔OH〕－＋4H2O——>Si〔OH〕62－＋2H2將上兩式合并2NH2〔CH2〕2NH2＋6H2O＋Si＝Si〔OH〕62－＋2NH2〔CH2〕2NH3+＋2H2硅的腐蝕過程反響用常規(guī)腐蝕液腐蝕硅一般是在EPW的沸點(diǎn)〔115℃〕下進(jìn)行的。假設(shè)溫度降低，會在硅外表產(chǎn)生一些不可溶解的殘留物。殘留物一旦出現(xiàn)就難以去除掉，使被腐蝕的硅外表平整度及光滑度受到影響。為了防止EPW沸點(diǎn)下因蒸發(fā)而導(dǎo)致腐蝕液的成分改變，腐蝕系統(tǒng)一般用制冷回流裝置。腐蝕系統(tǒng)可用磁攪拌方法控制腐蝕均勻性。由于蒸發(fā)后被冷凝的液體直接返回到容器會使腐蝕劑溫度改變，所以在冷凝液體流入容器前應(yīng)利用蒸發(fā)體進(jìn)行預(yù)加熱。EPW對硅的腐蝕過程本卷須知與{100}、{110}相比，{111}面有慢的腐蝕速率，所以經(jīng)過一段時(shí)間腐蝕后，所腐蝕的孔腔邊界就是{111}面

硅腐蝕速率與晶體取向的關(guān)系

各向異性腐蝕劑腐蝕出微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

凸角補(bǔ)償技術(shù)

自停止腐蝕技術(shù)

各向異性腐蝕劑腐蝕出微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)3)硅的各向異性停蝕技術(shù)各向異性腐蝕特點(diǎn)：有完整的表平面和定義明確的銳角?

影響各向異性腐蝕的主要因素(1)溶液及配比(2)溫度(3)摻雜濃度例如：當(dāng)硅片中摻B濃度增加到1020cm-3時(shí)，KOH溶液的腐蝕速率要降低到低摻雜濃度時(shí)的1/20,這樣實(shí)際上就可利用高B摻雜區(qū)作為腐蝕阻擋層。硅各向異性濕法腐蝕的缺點(diǎn)?

圖形受晶向限制?深寬比較差,結(jié)構(gòu)不能太小?

傾斜側(cè)壁?

難以獲得高精度的細(xì)線條。氣體中利用反響性氣體或離子流進(jìn)行的腐蝕稱為干腐蝕。干腐蝕刻蝕既可以刻蝕多種金屬，也可以刻蝕許多非金屬材料；既可以各向同性腐蝕，也可以各向異性刻蝕，是集成電路工藝或MEMS常用工藝。按照原理來分，可分為等離子體刻蝕〔PE：PlasmaEtching〕、反響離子刻蝕〔RIE：ReactionIonEtching〕和感應(yīng)等離子體刻蝕〔ICP：InductiveCouplingPlasmaEtching〕等幾種。

干腐蝕

干腐蝕裝置原理它是在等離子氣體中進(jìn)行化學(xué)反響產(chǎn)生的腐蝕。這時(shí)感光膜可以作掩膜，它與RIE相比材料的選擇性較好，腐蝕的速度較快可達(dá)15微米/min，通常用氧的等離子體去除感光膠〔特別是在大量磷注入的情況下〕等離子腐蝕〔各向同性腐蝕〕它的工作原理是，被腐蝕的基板側(cè)施加副壓，正離子加速飛向基板和它發(fā)生碰撞從而對基板進(jìn)行腐蝕。另一種工作原理是，離子源與腐蝕反響室相別離，用加速后的離子進(jìn)行腐蝕。這種裝置的特點(diǎn)是試料本身不帶電離子流腐蝕〔方向性腐蝕〕體硅的干法刻蝕?干法刻蝕體硅的專用設(shè)備:電感耦合等離子刻蝕機(jī)(ICP)?主要工作氣體：SF6,C4F8?刻蝕速率：2~3.5μm/min?深寬比：>10:1?刻蝕角度：90o±1o?掩膜：SiO2、Al、光刻膠微泵：具有兩個(gè)單向閥，當(dāng)電壓施加到極板上時(shí)，變形膜向上運(yùn)動，此時(shí)泵室體積增加，壓力減小，進(jìn)水閥翻開，液體流進(jìn)腔室。斷電后，相反。泵的根本參數(shù)：變形膜面積4×4mm2，厚度25微米，間隙4微米，工作頻率1～100Hz，典型值為25Hz，流量為70mL/min體硅工藝的典型應(yīng)用驅(qū)動局部：可根據(jù)各種不同的結(jié)構(gòu)采用高摻雜的硅膜、形狀記憶合金、金屬膜薄片等。腔體制備：采用雙面氧化的硅片，首先在硅片反面開出窗口〔正面用光刻膠保護(hù)〕，放入HF，去除SiO2，去掉光刻膠，放入KOH，腐蝕Si，直到要求的膜厚為止閥膜制備加工工藝路線對雙面氧化的硅片進(jìn)行雙面光刻腐蝕SiO2、去除光刻膠、清洗用KOH腐蝕硅片雙面，腐蝕深度10～15微米去除淺腐蝕面的SiO2〔將深腐蝕面保護(hù)〕去淺腐蝕面用于鍵合的金屬層用密閉良好的夾具將有金屬的一面保護(hù)，再用KOH進(jìn)行深度腐蝕，直到腐蝕穿透整個(gè)硅片。剩下的硅膜即為閥膜厚度最后將三局部鍵合到一起閥膜制備靜電微泵結(jié)構(gòu)思考與討論1.各向異性腐蝕劑如何選擇？2.影響各向異性腐蝕劑刻蝕的關(guān)鍵因素？外表微機(jī)械加工以硅片微基體，通過多層膜淀積和圖形加工制備三維微機(jī)械結(jié)構(gòu)。硅片本身不被加工，器件的結(jié)構(gòu)局部由淀積的薄膜層加工而成，結(jié)構(gòu)和基體之間的空隙應(yīng)用犧牲層技術(shù)，其作用是支持結(jié)構(gòu)層，并形成所需要的形狀的空腔尺寸，在微器件制備的最后工藝中溶解犧牲層外表工藝體與外表微機(jī)械技術(shù)的比較硅園片淀積結(jié)構(gòu)層刻蝕結(jié)構(gòu)層淀積犧牲層刻蝕犧牲層釋放結(jié)構(gòu)淀積結(jié)構(gòu)層刻蝕結(jié)構(gòu)層外表微機(jī)械加工技術(shù)?微加工過程都是在硅片外表的一些薄膜上進(jìn)行的，形成的是各種外表微結(jié)構(gòu)，又稱犧牲層腐蝕技術(shù)。?特點(diǎn)：在薄膜淀積的根底上，利用光刻，刻蝕等IC常用工藝制備多層膜微結(jié)構(gòu)，最終利用不同材料在同一腐蝕液中腐蝕速率的巨大差異，選擇性的腐蝕去掉結(jié)構(gòu)層之間的犧牲層材料，從而形成由結(jié)構(gòu)層材料組成的空腔或懸空及可動結(jié)構(gòu)。?

優(yōu)點(diǎn)：與常規(guī)IC工藝兼容性好;器件可做得很小?

缺點(diǎn)：這種技術(shù)本身屬于二維平面工藝，它限制了設(shè)計(jì)的靈活性。關(guān)鍵技術(shù)薄膜應(yīng)力控制技術(shù)防粘連技術(shù)犧牲層技術(shù)犧牲層技術(shù)外表犧牲層技術(shù)是外表微機(jī)械技術(shù)的主要工藝根本思路為：在襯底上淀積犧牲層材料→利用光刻、刻蝕形成一定的圖形→淀積作為機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料并光刻出所需要的圖形→將支撐結(jié)構(gòu)層的犧牲層材料腐蝕掉→形成了懸浮的可動的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。在腐蝕犧牲層同時(shí)幾乎不腐蝕上面結(jié)構(gòu)層和下面襯底，其關(guān)鍵在于選擇犧牲層的材料和腐蝕液常用的犧牲層材料、腐蝕液及結(jié)構(gòu)材料一種最簡單的懸臂梁工藝工藝過程示意圖附加凸起點(diǎn)工藝薄膜應(yīng)力控制技術(shù)薄膜的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力梯度是外表微機(jī)械中的重要參數(shù)，對機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能和形變影響很大，往往是外表微結(jié)構(gòu)制作失敗的原因防粘連技術(shù)粘連是指犧牲層腐蝕后，在硅片枯燥過程中，應(yīng)該懸空的梁、膜或者可動部件等外表微結(jié)構(gòu)，受液體流動產(chǎn)生的外表張力、靜電力、范得華力等作用而與襯底發(fā)生牢固得直接接觸，從而導(dǎo)致器件失效防止方法：設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)改進(jìn)釋放方法做外表處理鍵合(bonding)技術(shù)鍵合技術(shù)是指不利用任何粘合劑，只是通過化學(xué)鍵和物理作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其他材料緊密地結(jié)合起來的方法。鍵合技術(shù)雖然不是微機(jī)械結(jié)構(gòu)加工的直接手段，卻在微機(jī)械加工中有著重要的地位。它往往與其他手段結(jié)合使用，既可以對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐和保護(hù)，又可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間或機(jī)械結(jié)構(gòu)與集成電路之間的電學(xué)連接。在MEMS工藝中，最常用的是硅/硅直接鍵合和硅/玻璃靜電鍵合技術(shù)，最近又開展了多種新的鍵合技術(shù)，如硅化物鍵合、有機(jī)物鍵合等。

固相鍵合是將兩塊固態(tài)材料鍵合在一起，其間不用液態(tài)的粘結(jié)劑，鍵合過程中材料始終處于固態(tài)，鍵合界面有很好的氣密性和長期穩(wěn)定性。圓片級封裝鍵合低本錢高效率高可靠性圓片級鍵合劃片級鍵合陽極鍵合機(jī)性能：

電壓：0－2000V

溫度：20℃－500℃

控溫精度：±1%

溫度均勻性：±5℃功能：

可滿足2”

圓片的陽極鍵合 大氣或惰性氣體保護(hù)鍵合共晶鍵合裝置

多功能真空鍵合機(jī)性能：真空度：2×10E-4Pa溫度：20℃－550℃控溫精度：±0.5%溫度均勻性：±5℃加載壓力：5000N主要功能〔4”〕：硅－玻璃陽極鍵合;共晶鍵合;低溫焊料鍵合;真空回流焊接;……硅—玻璃靜電鍵合技術(shù)靜電鍵合〔陽極鍵合、場助鍵合〕主要是利用玻璃在電場作用下在外表形成的電荷積累原理而實(shí)現(xiàn)的一種鍵合方式。設(shè)高阻層厚度為d，電壓為V，那么高阻層內(nèi)電場強(qiáng)度：硅片與玻璃之間單位面積的靜電吸引力為當(dāng)高阻層厚度d小于1um時(shí)，硅與玻璃間的吸引力達(dá)幾百公斤/平方厘米最好在界面處形成Si-O健材料要求：?硅片和玻璃片外表要拋光成鏡面?玻璃片中要含有足夠量的Na+?玻璃的熱膨脹系數(shù)與硅相近。Pgrex7740，95#玻璃硅—硅直接鍵合技術(shù)指兩硅片通過高溫處理直接鍵合在一起的技術(shù)鍵合工藝步驟：1).將兩拋光的硅片〔氧化或未氧化〕先經(jīng)含OH-的溶液浸泡處理2).在室溫下將親水的兩硅片面對面貼合在一起，稱為預(yù)鍵合3).在O2或N2環(huán)境中經(jīng)數(shù)小時(shí)高溫〔800oC以上〕處理后，就形成了牢固的鍵合。