硅微MEMS加工工艺

硅微MEMS加工工艺王晓浩EMAIL：[e-mail]电话：62772232硅微MEMS发展里程碑•1987年UCBerkeley在硅片上制造出静电电机•90年代初ADI公司研制出低成本集成硅微加速度传感器，用于汽车气囊。•90年代末期美国Sandia实验室发表5层多晶硅工艺。硅微MEMS工艺发展趋势•表面牺牲层技术向多层、集成化方向发展；•体硅工艺主要表现为键合与深刻蚀技术的组合，追求大质量块和低应力；•表面工艺与体硅工艺进一步结合；•设计手段向专用CAD工具方向发展。硅微MEMS工艺主要手段微型制造技术精密加工微细超声加工微细电解加工微细电火花加工立体光刻能束加工激光加工电子束加工离子束加工硅微细加工光刻电铸加工准LIGA加工LIGA加工体硅加工硅表面微加工各向异性腐蚀自停止腐蚀深层离子刻蚀电化学腐蚀等离子及反应离子刻蚀淀积光刻牺牲层腐蚀扩散MEMS与IC工艺主要差别MEMSIC光刻技术需双面光刻技术单面光刻技术干法深层、高深宽比腐蚀一般薄膜腐蚀腐蚀技术湿法各向异性腐蚀、自停止技术、深层体硅腐蚀各向同性腐蚀、阳极腐蚀、电钝化腐蚀，限于表面加工牺牲层技术表面硅微加工工艺，与IC工艺兼容，用于制造表面活动结构不常用键合硅硅直接键合、硅玻璃阳极键合高温键合制作SOI材料LIGA制作高深宽比结构，成本高不用典型硅微MEMS工艺•体硅腐蚀•牺牲层技术•双面光刻•自停止腐蚀•深槽技术•LIGA技术•键合技术体硅各向异性腐蚀技术•各向异性(Anisotropy)–各向异性腐蚀液通常对单晶硅(111)面的腐蚀速率与(100)面的腐蚀速率之比很大，因为：•(111)面有较高的原子密度，水分子容易附着在(111)面上；•(100)面每个原子具有两个悬挂键，而(111)面每个原子只有一个悬挂键，移去(111)面的原子所需的能量比(100)面要高。体硅各向异性腐蚀•是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向腐蚀速率不同的特性，使用抗蚀材料作掩膜，用光刻、干法腐蚀和湿法腐蚀等手段制作掩膜图形后进行的较大深度的腐蚀。•机理：腐蚀液发射空穴给硅，形成氧化态Si+，而羟基OH-与Si+形成可溶解的硅氢氧化物的过程。各向异性腐蚀计算•设计公式：•a是腐蚀后坑底的边长，b是掩膜版上窗口的边长，d是腐蚀深度，=54.74，是(100)面和(111)面的夹角。是各向异性比，R(100)和R(100)分别是腐蚀液对(100)面和(111)面的腐蚀速率，和腐蚀液的种类及腐蚀条件有关。–腐蚀窗口短边存在最小尺寸：tan2sin2ddab)111()100(RR)1(cossin2mindb各向异性腐蚀液•腐蚀液：–无机腐蚀液：KOH,NaOH,LiOH,NH4OH等；–有机腐蚀液：EPW、TMAH和联胺等。•常用体硅腐蚀液：–氢氧化钾(KOH)系列溶液；–EPW(E：乙二胺，P：邻苯二酚，W：水)系列溶液。•乙二胺(NH2(CH2)2NH2)•邻苯二酚(C6H4(OH)2)•水(H2O)EPW腐蚀条件•腐蚀温度：115℃左右•反应容器在甘油池内加热，加热均匀；•防止乙二胺挥发，冷凝回流；•磁装置搅拌，保证腐蚀液均匀；•在反应时通氮气加以保护。•掩膜层：用SiO2，厚度4000埃以上。腐蚀设备继电器电源加热电炉搅拌器转子石英支架石英提篮硅片温控温度计磨沙密封口冷凝水入口冷凝水出口氮气入口氮气出口冷凝洄流管道甘油池腐蚀液冷凝水气体流量控制计氮气影响腐蚀质量因素•腐蚀液成分–新旧腐蚀液–试剂重复性•温度•保护•搅拌转子硅片低速区高速区容器表面流速A表面流速B深度A深度B腐蚀液牺牲层技术•属硅表面加工技术。•是加工悬空和活动结构的有效途径。•采用此种方法可无组装一次制成具有活动部件的微机械结构。•牺牲层材料牺牲层材料对比材料用途特点腐蚀剂腐蚀速率(m/min)HF1.4二氧化硅释放多晶硅结构回火中收缩率低、薄膜稳定度高、腐蚀速率低5:1BHF0.12HF3.6磷硅玻璃释放多晶硅结构腐蚀速率高、内应力小；体积稳定度低5:1BHF4.4铝释放有机结构与CMOS工艺兼容HF或H3PO440钛用于LIGA中释放电铸结构HF很快度热氧化SiO2低氧扩磷低氧淀积SiOSiO227060504030201001020304050600腐蚀时间(min)深腐蚀横向影响牺牲层腐蚀的因素•牺牲层厚度•腐蚀孔阵列•塌陷和粘连及防止方法–酒精、液态CO2置换水；–依靠支撑结构防止塌陷。多晶硅LTO典型牺牲层腐蚀工艺()氧化，做体硅腐蚀掩膜层；()光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口；()体硅腐蚀出所需底层结构；()去除SiO2；()生长或淀积牺牲层材料；()光刻牺牲层材料成所需结构；()生长结构材料；()光刻结构材料；()牺牲层腐蚀，释放结构层；()防粘结处理。硅二氧化硅多晶硅自停止腐蚀技术•机理：•EPW和KOH对硅的腐蚀在掺杂浓度小于11019cm-3时基本为常数，超过该浓度时，腐蚀速率与掺杂硼浓度的4次方成反比，达到一定的浓度时，腐蚀速率很小，甚至可以认为腐蚀“停止”。•腐蚀速率经验公式：•Ri为低速区的腐蚀速率，N0为阈值浓度，NB为掺杂浓度，a与腐蚀液的种类有关，用EPW腐蚀可取4。aaBiNNRR401自停止腐蚀典型工艺流程硅光刻胶扩散层二氧化硅工艺路线（1）工艺路线（2）双面光刻•MEMS器件的结构一般是平面化的三维结构，很多器件两面都有结构或图形，而且有对准要求，需要双面光刻。•设备：投影双面光刻机或红外双面光刻机。双面光刻制版问题•两面图形不同–考虑镜向问题正面版背面版正面图形背面图形双面光刻(两面图形不同)双面光刻制版问题•两面图形相同–子图形呈中心对称分布–子图形不左右对称分布，且两面的图形上下反对称分布，则整个硅片上所有芯片的图形应该都是从左向右或从右向左的；–子图形不左右对称分布，且两面的图形上下对称分布，则硅片上左右两半边的芯片图形应该是反向分布的，都指向中心或背向中心。芯片芯片上下反对称上下对称芯片芯片图形对称或(a)(c)(b)针孔问题•流程1（出现针孔）：•热氧化SiO2，LPCVDSi3N4；•背面光刻，腐蚀Si3N4和SiO2；•正面光刻，腐蚀Si3N4和SiO2；•)体硅腐蚀。•流程2（不出现针孔）：•热氧化SiO2，LPCVDSi3N4；•背面光刻，腐蚀Si3N4，不去胶；•正面光刻，腐蚀Si3N4和SiO2，去胶；•体硅腐蚀。硅光刻胶二氧化硅氮化硅工艺路线（1）工艺路线（2）凸角腐蚀补偿•凸角腐蚀是指在硅岛或硅梁的腐蚀成型过程中，凸角部分被腐蚀掉的现象，体硅各向异性腐蚀时经常出现，这是因为对(100)晶面的硅片体硅腐蚀时，凸角的边缘与[110]方向平行，而腐蚀液对此方向的腐蚀速度较快。若要腐蚀出带凸角的整齐的台面结构，必须采取凸角补偿。凸角腐蚀补偿•相关尺寸•补偿角及补偿岛ddd210120-110-210-120120210-210120-110-aba=18.43,b=53.16ooPDDLWa凸角腐蚀补偿•重掺杂自停止腐蚀法–当目标结构的厚度相对较薄时–在加工结构前先在硅片上扩散自停止层，深度达到所需结构厚度，光刻后用干法腐蚀出结构图形，然后体硅腐蚀，准确得到设计的结构。MEMS基本结构加工工艺