傳感器工藝中科大

傳感器工藝中科大典型的微傳感器加工技術(shù)以美國為代表的利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對硅材料進(jìn)行加工，形成硅基微傳感器；以日本為代表的利用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段，即利用大機(jī)器制造出小機(jī)器，再利用小機(jī)器制造出微機(jī)器的方法；以德國為代表的LIGA技術(shù)，它是利用X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和塑鑄形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。微傳感器制造工藝從工藝上講，微傳感器制造技術(shù)分為部件及子系統(tǒng)制造工藝和封裝工藝。前者包括半導(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，后者包括硅加工技術(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、多芯片組件工藝等。典型材料的微加工工藝選用合適的加工材料提高器件的可靠性；微傳感器的可靠性是設(shè)計(jì)出來的、生產(chǎn)出來的、使用出來的。X射線接近式曝光中的關(guān)鍵工藝是掩膜版的制備，由于接近式曝光采用的是1:1掩膜，即掩膜版的圖形和芯片上的圖形是一樣大的，因此要比投影縮小光刻需要的掩膜版的制備要困難的多。以美國為代表的利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對硅材料進(jìn)行加工，形成硅基微傳感器；③潔凈工作服:各類、各等級的潔凈服不得混用，并應(yīng)分別清洗、整理；典型的微傳感器加工技術(shù)潔凈室（區(qū)）與非潔凈室（區(qū)）之間必須設(shè)；ISO/TC209起草11項(xiàng)關(guān)于“潔凈室及其相關(guān)受控環(huán)境”的標(biāo)準(zhǔn)?；瘜W(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition，簡稱CVD)技術(shù)是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的工藝過程。它包括等離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、離子束化學(xué)刻蝕(CAIBE)、反應(yīng)離子刻蝕(RIBE)和離子研磨等。圖3-17Schematicdiagramofmicroassemblysystem因此兩種固體之間的共晶能將兩種固體緊密的鍵合在一起。潔凈室系指應(yīng)用空氣凈化技術(shù)改善生產(chǎn)、科研及其它工作環(huán)境，對空氣質(zhì)量及塵埃粒子、溫度、濕度、壓力、噪聲、照度、風(fēng)速和浮游菌等微環(huán)境進(jìn)行有效控制的相對密閉空間，分為百級區(qū)（潔凈度高）、千級區(qū)、萬級區(qū)和10萬級區(qū)（潔凈度低）。實(shí)現(xiàn)SIP的方法很多，主要包括多芯片組件技術(shù)和3D封裝兩大技術(shù)。1μｍ的跨越，出現(xiàn)了下一代光刻技術(shù)，如深紫外光刻(DUV)、電子束投影光刻(EBL)、X射線光刻(XRL)、離子束投影光刻(IBL)、極紫外光刻(EUV)和壓印光刻技術(shù)(NIL)。注：人頭發(fā)的直徑大約是70～80μm。頭發(fā)與MEMS蜘蛛腿與MEMS火柴與微汽車

3.1分離加工

3.1.1腐蝕工藝

主要有化學(xué)腐蝕（濕法）和離子刻蝕（干法）兩大類。⒈濕法腐蝕：包括各向異性化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、摻雜控制的選擇性腐蝕等。⒉干法腐蝕它是利用粒子轟擊對材料的某些部位進(jìn)行選擇性地剔除的一種工藝方法。它包括等離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、離子束化學(xué)刻蝕(CAIBE)、反應(yīng)離子刻蝕(RIBE)和離子研磨等。圖3-2濕法腐蝕圖3-3離子刻蝕3.1.2犧牲層技術(shù)

圖3-4犧牲層技術(shù)圖3-5硅微機(jī)械麥克風(fēng)敏感膜片結(jié)構(gòu)的一角3.2附加加工3.2.1薄膜工藝

在微型傳感器中，利用真空蒸鍍、濺射成膜、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積（CVD）、等離子化學(xué)氣相沉積等工藝，形成各種薄膜，如多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、金屬（合金）膜⒈化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition，簡稱CVD)技術(shù)是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的工藝過程。它一般包括三個步驟:①產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)；②將揮發(fā)性物質(zhì)輸運(yùn)到沉積區(qū)；③于基體上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成固態(tài)產(chǎn)物。前者包括半導(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，但未經(jīng)改性的環(huán)氧樹脂粘接劑脆性大，耐沖擊性能差，耐熱性能不夠理想等缺點(diǎn)，常需通過改性方法提高產(chǎn)品性能。圖3-14壓印工藝原理圖3-17Schematicdiagramofmicroassemblysystem在共晶點(diǎn)溫度下將能形成共晶的兩種固體相互接觸，經(jīng)過互擴(kuò)散后便可在其間形成具有共晶成份的液相合金。三維微幾何量測試的方法可以概括為兩類：一類是從傳統(tǒng)的幾何量檢測技術(shù)發(fā)展和改進(jìn)而來；濺射方式有射頻濺射、直流濺射和反應(yīng)濺射等多種，其中射頻濺射應(yīng)用廣泛。X射線接近式曝光中的關(guān)鍵工藝是掩膜版的制備，由于接近式曝光采用的是1:1掩膜，即掩膜版的圖形和芯片上的圖形是一樣大的，因此要比投影縮小光刻需要的掩膜版的制備要困難的多。由于具有較高的分辨率，SEM目前已成為微傳感器設(shè)計(jì)、制造中最常用的觀測儀器之一。它包括等離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、離子束化學(xué)刻蝕(CAIBE)、反應(yīng)離子刻蝕(RIBE)和離子研磨等。潔凈室（區(qū)）與非潔凈室（區(qū)）之間必須設(shè)；注：人頭發(fā)的直徑大約是70～80μm。目前在微傳感器設(shè)計(jì)、制造中比較常見的材料特性測量包括測量材料的斷裂模數(shù)、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變等。固體時無溶解度或只有部分溶解度的二元系相圖中往往有一個共晶點(diǎn)。圖3-17Schematicdiagramofmicroassemblysystem圖3-6開管法CVD反應(yīng)器圖3-7封管法CVD反應(yīng)器⒉真空蒸鍍真空蒸鍍是在高真空環(huán)境中，將蒸發(fā)材料加熱至蒸發(fā)溫度蒸發(fā)后而冷凝在要鍍膜的基體上的過程。大型蒸鍍設(shè)備主要由鍍膜室、工作架、真空系統(tǒng)、電器控制四部分組成。另一類則是根據(jù)被測件的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的，如基于計(jì)算機(jī)視覺的硅片厚度測量、實(shí)時蝕刻深度檢測等。實(shí)現(xiàn)SIP的方法很多，主要包括多芯片組件技術(shù)和3D封裝兩大技術(shù)。玻璃封接的溫度取決于密封玻璃的成份，一般在415℃和650℃之間。三維微幾何量測試的方法可以概括為兩類：一類是從傳統(tǒng)的幾何量檢測技術(shù)發(fā)展和改進(jìn)而來；微傳感器是電子和機(jī)械的有機(jī)結(jié)合，其可靠性主要包括機(jī)械、電子、材料以及機(jī)械與電子部分相互作用時的可靠性等，其失效分析手段比集成電路更為復(fù)雜。典型材料的微加工工藝前者包括半導(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，③潔凈工作服:各類、各等級的潔凈服不得混用，并應(yīng)分別清洗、整理；但未經(jīng)改性的環(huán)氧樹脂粘接劑脆性大，耐沖擊性能差，耐熱性能不夠理想等缺點(diǎn)，常需通過改性方法提高產(chǎn)品性能。《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》JGJ71-90。另一類則是根據(jù)被測件的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的，如基于計(jì)算機(jī)視覺的硅片厚度測量、實(shí)時蝕刻深度檢測等。潔凈室系指應(yīng)用空氣凈化技術(shù)改善生產(chǎn)、科研及其它工作環(huán)境，對空氣質(zhì)量及塵埃粒子、溫度、濕度、壓力、噪聲、照度、風(fēng)速和浮游菌等微環(huán)境進(jìn)行有效控制的相對密閉空間，分為百級區(qū)（潔凈度高）、千級區(qū)、萬級區(qū)和10萬級區(qū)（潔凈度低）。潔凈服更衣室的空氣潔凈度等級宜按低于相鄰潔凈室（區(qū)）1～2級。質(zhì)地光滑、不產(chǎn)生靜電、不脫落纖維和顆粒；潔凈室系指應(yīng)用空氣凈化技術(shù)改善生產(chǎn)、科研及其它工作環(huán)境，對空氣質(zhì)量及塵埃粒子、溫度、濕度、壓力、噪聲、照度、風(fēng)速和浮游菌等微環(huán)境進(jìn)行有效控制的相對密閉空間，分為百級區(qū)（潔凈度高）、千級區(qū)、萬級區(qū)和10萬級區(qū)（潔凈度低）。⒊濺射成膜工藝濺射方式有射頻濺射、直流濺射和反應(yīng)濺射等多種，其中射頻濺射應(yīng)用廣泛。圖3-8射頻磁控濺射設(shè)備示意圖圖3-9磁控濺射原理示意圖圖3-10激光層裂法測量薄膜附著力實(shí)驗(yàn)方案示意圖1.約束層2.能量3.基體4.薄膜3.2.2光刻技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)向特征尺寸為0.1μｍ的跨越，出現(xiàn)了下一代光刻技術(shù)，如深紫外光刻(DUV)、電子束投影光刻(EBL)、X射線光刻(XRL)、離子束投影光刻(IBL)、極紫外光刻(EUV)和壓印光刻技術(shù)(NIL)。⒈深紫外光刻圖3-11深紫外光刻工藝⒉電子束光刻圖3-12電子束投影光刻系統(tǒng)⒊X射線光刻⑴Ｘ射線源圖3-13三種點(diǎn)Ｘ射線源⑵Ｘ射線光刻的曝光方式①接近式曝光X射線接近式曝光中的關(guān)鍵工藝是掩膜版的制備，由于接近式曝光采用的是1:1掩膜，即掩膜版的圖形和芯片上的圖形是一樣大的，因此要比投影縮小光刻需要的掩膜版的制備要困難的多。②投影式曝光在投影光刻中，掩膜圖形投影成像在晶片平面上，由于常采用投影縮小的曝光方式，因此可提供比接近式曝光更高的分辨率，并且掩膜版圖形大于實(shí)際電路圖形也使掩膜版制作起來較為容易。⒋壓印光刻圖3-14壓印工藝原理3.2.3LIGA技術(shù)

圖3-15典型的LIGA工藝過程3.3輔助工藝軟封接、硬封接和裝配工藝。

粘接目前，大多應(yīng)用有溶劑的雙組分環(huán)氧樹脂粘接劑，固化后在-65℃到150℃使用，便有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂粘接劑被稱為“萬能膠”，它具有粘接強(qiáng)度高，耐化學(xué)介質(zhì)性能好，耐穩(wěn)性好，膠層收縮率小，可室溫固化，施工工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。但未經(jīng)改性的環(huán)氧樹脂粘接劑脆性大，耐沖擊性能差，耐熱性能不夠理想等缺點(diǎn)，常需通過改性方法提高產(chǎn)品性能。共晶鍵合固體時無溶解度或只有部分溶解度的二元系相圖中往往有一個共晶點(diǎn)。共晶點(diǎn)時三相共存。共晶成份的液相具有最低熔點(diǎn)。也就是說共晶點(diǎn)的溫度比兩種固體的熔點(diǎn)都低。在共晶點(diǎn)溫度下將能形成共晶的兩種固體相互接觸，經(jīng)過互擴(kuò)散后便可在其間形成具有共晶成份的液相合金。隨時間延長，液層不斷增厚。冷卻后液層又不斷交替析出兩種固相。每種固體一般又以自己的原始固相為基礎(chǔ)而發(fā)展壯大、結(jié)晶析出。因此兩種固體之間的共晶能將兩種固體緊密的鍵合在一起。因此兩種固體之間的共晶能將兩種固體緊密的鍵合在一起。以德國為代表的LIGA技術(shù)，它是利用X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和塑鑄形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。注：人頭發(fā)的直徑大約是70～80μm。在共晶點(diǎn)溫度下將能形成共晶的兩種固體相互接觸，經(jīng)過互擴(kuò)散后便可在其間形成具有共晶成份的液相合金。典型的微傳感器加工技術(shù)潔凈服洗滌室的空氣潔凈度等級不宜低于ISO8級（10萬級）。圖3-19倒裝焊芯片生產(chǎn)工藝流程示意圖所謂系統(tǒng)級封裝，是指將多個具有不同功能的有源組件與無源組件，以及諸如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、光學(xué)（Optics）元件等其它元件組合在同一封裝中，成為可提供多種功能的單顆標(biāo)準(zhǔn)封裝組件，形成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)。⒈濕法腐蝕：包括各向異性化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、摻雜控制的選擇性腐蝕等。微傳感器的可靠性是設(shè)計(jì)出來的、生產(chǎn)出來的、使用出來的。微傳感器的可靠性是設(shè)計(jì)出來的、生產(chǎn)出來的、使用出來的。無菌潔凈服必須包蓋全部頭發(fā)、胡須及腳部，并能滯留人體脫落物。于是兩個圓片便自然的連接在一起。ISO/TC209起草11項(xiàng)關(guān)于“潔凈室及其相關(guān)受控環(huán)境”的標(biāo)準(zhǔn)。圖3-4犧牲層技術(shù)玻璃密封玻璃密封廣泛的應(yīng)用于電子真空管中。玻璃封接的溫度取決于密封玻璃的成份，一般在415℃和650℃之間。陽極鍵合圖3-16靜電鍵合設(shè)備冷焊冷焊是指兩種金屬層在高壓、低溫下不熔融而相互連接起來。所需壓力隨層厚降低和溫度升高而降低。連接的質(zhì)量和持久性強(qiáng)烈依賴于表面的清潔度和加工質(zhì)量。釬焊與共晶鍵合相反，用軟焊料釬焊連接芯片時，硅不發(fā)生熔化。釬焊時，參與金屬化連接的兩金屬被焊劑浸潤再連接起來。釬焊時，原始的硅表面不能被焊劑所浸潤，因此必須對硅表面進(jìn)行金屬化處理。硅-硅直接鍵合硅-硅直接鍵合是硅片在高溫下的平面接合過程。鍵合時，將兩塊經(jīng)去離子水充分清洗干凈的硅拋光圓片再用處理，在無塵條件下接觸迭合在一起，放入1050℃的管式爐中加熱1小時后取出。于是兩個圓片便自然的連接在一起。微裝配圖3-17Schematicdiagramofmicroassemblysystem3.4封裝技術(shù)對于微電子來說，封裝的功能是對芯片和引線等內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供支持和保護(hù)，使之不受外部環(huán)境的干擾和腐蝕破壞；而對于微傳感器封裝來說，除了要具備以上功能以外，更重要的是微傳感器要和外部環(huán)境之間形成一個接觸界面而獲取非電信號。一般說來，微傳感器封裝比集成電路封裝昂貴得多，僅封裝成本就占總成本的70%以上。

封裝層次結(jié)構(gòu)圖3-18給出了機(jī)器或系統(tǒng)的封裝層次結(jié)構(gòu)

據(jù)《中國電子報》2009年7月9日報道，經(jīng)國家發(fā)改委批準(zhǔn)，以國內(nèi)集成電路封測領(lǐng)軍企業(yè)江蘇長電科技股份公司為依托，聯(lián)合中科院微電子研究所、清華大學(xué)微電子所，深圳微電子所、深南電路有限公司等5家機(jī)構(gòu)，共同組建的我國首家“高密度集成電路封裝技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室”，日前在位于無錫江陰的長電科技掛牌，這標(biāo)志著國家重點(diǎn)扶持的集成電路封裝技術(shù)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的工程實(shí)驗(yàn)平臺正式啟動。芯片級封裝引線鍵合是半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用最多、最廣泛的一種互連工藝。引線鍵合是將半導(dǎo)體芯片焊區(qū)與電子封裝外殼的輸入/輸出引線或基板上技術(shù)布線用金屬細(xì)絲連接起來的工藝技術(shù)。焊接方式主要有熱壓焊、超聲鍵合焊和金絲球焊。倒裝焊芯片生產(chǎn)工藝流程圖3-19倒裝焊芯片生產(chǎn)工藝流程示意圖3.4.2圓片級封裝圓片級封裝（WaferLevelPackage，簡稱WLP）是一種全新的封裝思想，和傳統(tǒng)的工藝將封裝的各個步驟分開來加工不同，WLP用傳統(tǒng)的IC工藝一次性完成后道幾乎所有的步驟，包括裝片、電連接、封裝、測試、老化，所有過程均在圓片加工過程中完成，之后再劃片，劃完的單個芯片即是已經(jīng)封裝好的成品；然后利用該芯片成品上的焊球陣列，倒裝焊到PCB板上實(shí)現(xiàn)組裝。系統(tǒng)級封裝所謂系統(tǒng)級封裝，是指將多個具有不同功能的有源組件與無源組件，以及諸如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、光學(xué)（Optics）元件等其它元件組合在同一封裝中，成為可提供多種功能的單顆標(biāo)準(zhǔn)封裝組件，形成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)SIP的方法很多，主要包括多芯片組件技術(shù)和3D封裝兩大技術(shù)。3.4質(zhì)量控制微傳感器的失效分析技術(shù)主要包括：光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、掃描激光顯微鏡、原子力顯微鏡、聚焦離子束、紅外顯微鏡等。微傳感器是電子和機(jī)械的有機(jī)結(jié)合，其可靠性主要包括機(jī)械、電子、材料以及機(jī)械與電子部分相互作用時的可靠性等，其失效分析手段比集成電路更為復(fù)雜。3.4.1微測試技術(shù)二維微幾何量檢測可以采用普通光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）。由于具有較高的分辨率，SEM目前已成為微傳感器設(shè)計(jì)、制造中最常用的觀測儀器之一。三維微幾何量測試的方法可以概括為兩類：一類是從傳統(tǒng)的幾何量檢測技術(shù)發(fā)展和改進(jìn)而來；另一類則是根據(jù)被測件的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的，如基于計(jì)算機(jī)視覺的硅片厚度測量、實(shí)時蝕刻深度檢測等。目前在微傳感器設(shè)計(jì)、制造中比較常見的材料特性測量包括測量材料的斷裂模數(shù)、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變等。3.4.2可靠性技術(shù)微傳感器的可靠性是設(shè)計(jì)出來的、生產(chǎn)出來