第5章_MEMS工艺.

第九章MEMS工艺——表面硅加工技术典型微加工工艺微加工工艺分类硅工艺平面工艺体工艺特种加工工艺LIGA工艺准分子激光加工工艺其它工艺二、表面微加工技术表面微机械加工以硅片为基体，通过多层膜淀积和图形加工制备三维微机械结构。硅片本身不被加工，器件的结构部分由淀积的薄膜层加工而成，结构与基体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用是支撑结构层，并形成所需要形状的最基本过程，在微器件制备的最后工艺中去除牺牲层。表面微加工过程特点：添加——图形——去除添加：薄膜沉积技术图形：光刻去除：腐蚀技术表面微加工和IC工艺的区别：形成机械结构！硅表面微机械加工是微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种加工技术。一般来讲，微机械结构常用薄膜材料层来制作，常用的薄膜层材料有：多晶硅、氮化硅、氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼硅酸玻璃(BSG)和金属。表面微加工表面微加工技术主要靠在基底上逐层添加材料而构造微结构。表面微加工器件是由三种典型的部件组成：⑴牺牲层；⑵微结构层；⑶绝缘层部分基本概念在微机械加工中，通常将两层薄膜中的下面一层腐蚀掉，只保留上面的一层，这种技术称为牺牲层腐蚀，又称为分离层腐蚀。利用牺牲层腐蚀技术直接在衬底表面制作微机械元件结构的技术被称为“硅表面微机械加工技术”。MEMS器件的加工裸片淀积薄膜利用光刻图形化淀积牺牲层膜图形化牺牲层淀积机结构械薄膜图形化释放结构硅表面微机械加工流程体硅与表面微机械技术的比较特点体硅加工表面微机械核心材料硅多晶硅牺牲层PSG、(SiO2)尺寸大（典型的空腔尺寸为几百um）小（精确控制膜厚，典型尺寸为几个um）工艺要素单或双面工艺材料选择性刻蚀刻蚀：各向异性刻蚀停止图形加工单面工艺（正面）材料选择性刻蚀刻蚀：各向同性残余应力（取决于淀积、掺杂、退火）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。采用此种方法可制成具有活动部件的微机械结构。牺牲层材料度热氧化SiO2低氧扩磷低氧淀积SiOSiO227060504030201001020304050600腐蚀时间(min)深腐蚀横向牺牲层材料对比材料用途特点腐蚀剂腐蚀速率(m/min)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HF1.45:1BHF0.12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HF3.65:1BHF4.4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。硅二氧化硅多晶硅表面微加工中的力学问题表面微加工技术存在着三个主要的力学问题：⑴层间黏附；⑵界面应力；⑶静态阻力界面应力在双层结构中有三种典型的应力1.材料的热膨胀系数不匹配引起的热应力双层结构达到非常高的操作温度时，剧烈的热应力会使SiO2薄层从Si基底脱离2.残余应力在微机械加工中是固有的3.存在于薄膜结构中本身的应力由微加工过程中原子结构局部变化产生的例如，过量掺杂会导致结构在表面微加工后产生很大的残余应力粘连两个分离薄片粘附在一起的现象称为粘连；粘连是表面微加工中最严重的问题；在牺牲层从被分离的材料层中去除时发生解决方法1、最简单的方法是在漂洗和吹干期间，尽量防止微器件与基体的接触，从液体中抽出器件时尽量减少器件上的作用力，在最后一道工序中采用低表面张力的液体。2、超临界干燥，在通过压力和温度的控制，使液体在干燥过程中达到其本身的临界点，完成液相至气相的超临界转变。3、低于三相点表面微机械加工的特点1、在表面微机械加工中，硅片本身不被刻蚀，没有穿过硅片，硅片背面也无凹坑。2、表面微机械加工适用于微小构件的加工，结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反应离子刻蚀工艺。3、形成层状结构的特点为微器件设计提供较大的灵活性。4、可实现微小可动部件的加工。5、与IC工艺兼容性好。利用牺牲层制造硅梁的过程A、淀积Si3N4并刻窗口在硅衬底上淀积一层Si3N4膜，作为多晶硅梁的绝缘支撑，并有选择地腐蚀出窗口B、局部氧化生成SiO2利用局部氧化技术，在窗口处生成一层SiO2膜，作为牺牲层。C、淀积多晶硅并刻微梁在SiO2层及剩下的Si3N4层上淀积一层多晶硅膜，厚约2umD、横向腐蚀形成空腔腐蚀掉SiO2形成空腔，即得到多晶硅桥式可活动的硅梁多层表面工艺1）、多晶硅材料的主要特点（1）多晶硅薄膜的生长温度低，一般为几百度，最低才200C左右。这样的低温工艺过程，不仅省能，而且在集成电路或集成传感器的制作中不会对前期工艺制作的有源区边界及杂质分布产生影响。多晶硅材料的主要特点（2）多晶硅薄膜对生长衬底的选择不苛刻。衬底只要有一定的硬度、平整度及能耐受住生长工艺温度即可。（3）可以通过对生长条件及后工艺的控制来调整多晶硅薄膜的电阻率，使它成为绝缘体、导体或半导体，从而适应不同器件或器件不同部分的需要。多晶硅材料的主要特点（4）多晶硅薄膜作为半导体材料可以像单晶硅那样通过生长、扩散或离子注入进行掺杂，形成N型或P型半导体，制成p-n结；可以采用硅平面工艺进行氧化、光刻、腐蚀等加工。多晶硅材料的主要特点（5）由于生长的膜厚可以较好的控制，与其他薄膜有良好的相容性，有利于制造多层膜结构，给器件设计带来较大的灵活性。（6）生长工艺的进步使得多晶硅薄膜不仅可以大批量生长，而且可以大面积生长，因而成本低，易于扩大应用。2）多晶硅的淀积方法：低压化学气相淀积（LPCVD）常压化学气相淀积（APCVD）等离子体增强化学气相淀积（PECVD）分子束淀积2、二氧化硅二氧化硅当然是硅加工实验室中最常用的介质。它可以自身生长，也可以淀积，有无掺杂剂都行，既使掺杂后仍然绝缘。热生长型SiO2常用作MOS门绝缘层。如果淀积的SiO2中掺入磷，那就叫做磷硅玻璃、“P玻璃”或PSG，它常用作最终钝化层；如果掺入硼，那就叫做硼硅玻璃或BSG；如果在玻璃中掺入磷和硼的混合物，则常称为BPSG或低温氧化物（LTO），它具有良好的低温回流特性，可使高深宽比表面结构“光洁化”或平面化。在IC工艺中，SiO2是一种多用途的基本材料，它通过热氧化生长和为满足不同要求采用不同工艺淀积获得。在多晶硅表面微机械中，SiO2的应用主要是作为牺牲层材料，另一个用途是作为多晶硅厚膜图形的刻蚀掩模，或者作为传感器自身结构的一部分。二氧化硅在较大的波长范围内具有透光性，这使它在许多微机械光学器件中得到应用不同淀积方法生成的二氧化硅性质表。）淀积类型PECVDSi+O2TEOSSiCl2H2+N2O天然氧化物（热）典型温度200℃450℃700℃900℃1，100℃成分SiO1。9（H）SiO2（H）SiO2SiO2（Cl）SiO2台阶覆盖率可变(Adams说不一致)不一致一致一致一致热稳定性失氢热硬稳定失CL良好密度(g/cm3)2．32．12．22．22．2折射率1．471．441．461．461．46应力（Mpa）300（压）到300（拉）300（拉）100（压）300（压）300（压）电介质强度(106V/cm或102V/μm)3到68101010腐蚀速率(nm/min)(H2O:HF=100:1)4063333、氮化硅氮化硅是一种非常有用的电介质材料，但只能用沸腾的磷酸（H3PO4混合物）才能进行有效湿法腐蚀，所以通常需要用等离子腐蚀来成形。氮化硅可用作钝化层（对H2O和碱性离子有很好的阻挡作用），电容电介质、结构材料并可作为腐蚀和选择性氧化硅的掩膜。Si3N4在可见光区透明，在近中红外波段，它有一定的吸收性，此时其光波能量损失较大，但在许可范围之内。由于氮化硅的折射率与二氧化硅不同，两种材料匹配可以用来作增透膜、介质反射器和滤波器LPCVD和PECVD氮化硅性质比较表淀积类型LPCVDPEVCD常用温度700到800℃250到350℃成分Si3N4（H）SiNxHySi/N比率0.750.8到1.2氢的百分含量4到820到25折射率2.011.8到2.5密度（g/cm3）2.9到3.12.4到2.8体电阻率(.cm)1016106到1015介电强度(106V/cm或102V/μm)105能带（eV）54到5应力（MPa）拉应力1000（富硅膜可以近似为零）压应力200到拉应力500氮化硅是一种不活泼的致密材料，它的腐蚀较为困难，而且与生长技术有关。HF虽能腐蚀，但即使在高温时腐蚀速率还是很慢，以至于光刻胶在腐蚀过程中受到破坏。氮化硅也常做二氧化硅的覆盖层，但此时不能用HF腐蚀，因为他们能迅速溶解二氧化硅，从而造成严重的钻蚀。4、碳化硅由于碳化硅硬度高、耐化学腐蚀（但它却很容易用化学方法图形化），所以是一种非常有用的绝缘材料。它可以用PECVD工艺淀积，也可以自身生长。典型的淀积反应是：SiH4+CH4→SiC+4H2由于它极高的抗腐蚀和良好的机械特性，碳化硅可应用在许多微机械加工中。可以用来制造能在HF中连续工作的电化学传感器，也可以用来制造输送侵蚀性化学物质的密封液体管道，保护带有连接金属线的标准硅压力传感器，还可以用作玻璃的腐蚀掩膜。5、磷硅玻璃PSG磷硅玻璃是一种应用广泛的牺牲层材料，其淀积应力比二氧化硅小，其制备工艺：LPCVD采用SiO4,O和PH3PECVD应用SiH4,N2O和PH3或四乙原硅酸盐，三甲磷酸盐淀积而成。8、金属薄膜的微机械加工有许多金属薄膜用于微机械加工，它们用作导线、电阻、微机械元件、传感元件等。铝在传统集成电路制造中应用十分普遍，迄今为止，也是大部分半导体制造设备中最常用的金属，并在微机械加工中大量应用。金属淀积工艺有许多种，包括电热蒸镀、电子束蒸镀、溅射、磁控溅射淀积、CVD、激光辅助CVD和电淀积。第九章MEMS工艺——体硅微加工工艺（腐蚀）内容腐蚀工艺简介湿法腐蚀干法刻蚀其他类似加工工艺腐蚀工艺简介腐蚀是指一种材料在它所处的环境中由于另一种材料的作用而造成的缓慢的损害的现象。然而在不同的科学领域对腐蚀这一概念则有完全不同的理解方式。在微加工工艺中，腐蚀工艺是用来“可控性”的“去除”材料的工艺。大部分的微加工工艺基于“Top-Down”的加工思想。“Top-Down”加工思想：通过去掉多余材料的方法，实现结构的加工。（雕刻——泥人）腐蚀工艺简介——腐蚀工艺重要性作为实现“去除”步骤的腐蚀工艺是形成特定平面及三维结构过程中，最为关键的一步。腐蚀工艺作用掩模图形生成台阶结构生成衬底去除牺牲层去除清洁表面腐蚀工艺简介——腐蚀工艺作用硅腐蚀方法：干法和湿法腐蚀方向选择性：各向同性和各向异性腐蚀材料选择性：选择性刻蚀或非选择性刻蚀选择方法：晶向和掩模多种腐蚀技术的应用：体硅工艺（三维技术），表面硅工艺（准三维技术）湿法腐蚀湿法腐蚀——“湿”式腐蚀方法，基于溶液状态的腐蚀剂。湿法腐蚀工艺特点：设备简单，操作简便，成本低可控参数多，适于研发受外界环境影响大浓度、温度、搅拌、时间有些材料难以腐蚀湿法腐蚀——方向性各向同性腐蚀——腐蚀速率在不同方向上没有差别各向异性腐蚀——对不同的晶面的腐蚀速率有明显差别利用各向异性腐蚀特性，可以腐蚀出各种复杂的结构。各向异性腐蚀和各向同性腐蚀硅的各向异性腐蚀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(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（1：400）各向异性腐