MEMS加工工艺

1MEMS加工工艺机械部分传感执行控制部分电子学MEMS微电子学3MEMS结构的特点可动三维微尺度形状复杂材料的多样性4MEMS加工工艺分类部件及子系统制造工艺半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等封装工艺硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯片组件工艺5Bulkmicromachining~1960FSFx+Deepreactive-ionetching~1995Surfacemicromachining~1986LIGA~1978MEMS加工技术的种类6大机械制造小机械，小机械制造微机械日本为代表，与集成电路技术几乎无法兼容LIGA工艺Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸)Abformung(塑铸)德国为代表，利用同步辐射X射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成高深宽比微结构的方法。设备昂贵，需特制的X射线掩模版，加工周期长，与集成电路兼容性差硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺美国为代表，伴随硅固态传感器的研究、开发而在集成电路平面加工工艺基础上发展起来的三维加工技术。具有批量生产，成本低、加工技术可从IC成熟工艺转化且易于与电路集成MEMS加工技术的种类7硅基微机械加工技术体硅微机械加工技术硅各向异性化学湿法腐蚀技术熔接硅片技术反应离子深刻蚀技术表面微机械加工技术利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置整个工艺都基于集成电路制造技术与IC工艺完全兼容，制造的机械结构基本上都是二维的复合微机械加工(如键合技术)体硅微机械加工技术和表面微机械加工技术的结合，具有两者的优点，同时也克服了二者的不足8硅是最基本的微机械材料，微细加工技术一般都要涉及硅材料。针对微机械的微细加工也常被称为硅微细加工(SiliconMicromachining)，它是微传感器、微致动器乃至MEMS迅速发展的基础技术。作为硅集成电路制造技术的延伸，硅微细加工主要是指以硅材料为基础制作各种微机械零部件。它总体上可分为体加工和表面加工两大类IC工艺与MEMS硅工艺的联系9IC工艺路线10光刻工艺过程图11硅园片去掉光刻胶腐蚀硅片刻蚀光刻胶淀积光刻胶体硅微机械加工技术12硅的体加工技术包括：去除加工（腐蚀）附着加工（镀膜）改质加工（掺杂）结合加工（键合）体硅加工涉及的加工方法13特点：1.通过腐蚀的方法对衬底硅进行加工，形成三维立体微结构的方法2.加工对象通常就是单晶硅本身3.加工深度通常为几十微米、几百微米，甚至穿透整个硅片。4.与集成电路工艺兼容性差5.硅片两个表面上的图形通常要求有严格的几何对应关系，形成一个完整的立体结构14在以硅为基础的MEMS加工技术中，最关键的加工工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术等。体硅腐蚀技术是体硅微机械加工技术的核心，可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀两大类，按腐蚀剂是液体或气体又可分为湿法和干法腐蚀。15干法腐蚀干法腐蚀技术包括以物理作用为主的反应离子溅射腐蚀，以化学反应为主的等离子体腐蚀，以及兼有物理、化学作用的反应溅射腐蚀湿法腐蚀硅的湿法腐蚀是先将材料氧化，然后化学反应使一种或多种氧化物或络合物溶解，包括湿法化学腐蚀和湿法电化学腐蚀腐蚀技术16硅的湿法腐蚀1)硅的各向同性腐蚀腐蚀液对硅的腐蚀作用基本上不具有晶向依赖性.17腐蚀设备及原理图湿腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液体里进行的腐蚀。一般需要对溶液进行超声或搅拌。各向同性腐蚀所用的化学试剂很多，多采用HF－HNO3腐蚀系统18对于HF和HNO3加H2O（或CH3COOH）腐蚀剂，硅表面的阳极反应为Si＋2e＋——Si2+这里e＋表示空穴，即Si得到空穴后从原子升到氧化态腐蚀液中的水解离发生下述反应H2O＝（OH）－＋H＋HF－HNO3腐蚀系统19Si2+与（OH）－结合，成为：Si2+＋2（OH）－——Si（OH）2接着Si（OH）2放出H2并形成SiO2，即：Si（OH）2——SiO2＋H2由于腐蚀液中存在HF，所以SiO2立即与HF反应，反应式为：SiO2＋6HF——H2SiF6＋2H2O通过搅拌可使络合物H2SiF6远离硅片，因此称这一反应为络合化反应20显然，HF的作用在于促进阳极反应，使阳极反应产物SiO2溶解掉，不然，所生成的SiO2就会阻碍硅与H2O的电极反应。HF的作用21HF、HNO3可用H2O或CH3COOH稀释。在HNO3溶液中HNO3几乎全部电离，因此H＋浓度很高，而CH3COOH是弱酸，电离度较小，HNO3＋CH3COOH的溶液中，H＋与CH3COO－发生作用，生成CH3COOH分子，而且CH3COOH的介电场数（6.15）低于水的介电场数（81），因此在HNO3＋CH3COOH混合液中H＋离子浓度低。与水相比，CH3COOH可在更广泛的范围内稀释而保持HNO3的氧化能力，因此腐蚀液的氧化能力在使用期内相当稳定。同时减少H＋离子使阴极反应变慢，整个腐蚀速率也随之变慢，有利于显示。H＋离子浓度的影响221.如何选择腐蚀剂？2.刻蚀的物理化学过程及优化方法？思考与讨论232)硅的各向异性腐蚀腐蚀液对硅的不同晶面有明显的晶向依赖性，不同晶面具有不同的腐蚀速率EPW腐蚀液，晶向依赖性(100):(111)=35:1TMAH腐蚀液，(100):(111)=10~35:124各向异向腐蚀剂一般分为两类：一类是有机腐蚀剂，包括EPW（乙二胺、邻苯二酸和水）和联胺等另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如KOH、NaOH、CsOH和NH4OH等。这两类腐蚀剂具有非常类似的腐蚀现象。这里主要介绍EPW和KOH对硅的腐蚀特性，其余的仅列出其常用的腐蚀剂配比。各向异性腐蚀原理25KOH腐蚀系统常用KOH、H2O和（CH3）2CHOH（异丙醇，缩写IPA）的混合液除KOH外，类似的腐蚀剂还有NaOH、LiOH、CsOH和NH4OH腐蚀剂KOH系统26硅在KOH系统中的腐蚀机理，其腐蚀的反应式如下：KOH＋H2O＝K＋2OH－＋H＋Si＋2OH－＋4H2O＝Si（OH）62－即首先将硅氧化成含水的硅化物。腐蚀反应（KOH）27乙二胺（NH2（CH2）2NH2）、邻苯二酸（C6H4（OH）2）和水（H2O），简称EPWEPW系统28电离过程：NH2（CH2）2NH2＋H2O——NH2（CH2）2NH3+＋（OH）－氧化－还原过程：Si＋（OH）－＋4H2O——Si（OH）62－＋2H2将上两式合并2NH2（CH2）2NH2＋6H2O＋Si＝Si（OH）62－＋2NH2（CH2）2NH3+＋2H2硅的腐蚀过程反应29用常规腐蚀液腐蚀硅一般是在EPW的沸点（115℃）下进行的。若温度降低，会在硅表面产生一些不可溶解的残留物。残留物一旦出现就难以清除掉，使被腐蚀的硅表面平整度及光滑度受到影响。为了防止EPW沸点下因蒸发而导致腐蚀液的成分改变，腐蚀系统一般用制冷回流装置。腐蚀系统可用磁搅拌方法控制腐蚀均匀性。由于蒸发后被冷凝的液体直接返回到容器会使腐蚀剂温度改变，所以在冷凝液体流入容器前应利用蒸发体进行预加热。EPW对硅的腐蚀过程注意事项30与{100}、{110}相比，{111}面有慢的腐蚀速率，所以经过一段时间腐蚀后，所腐蚀的孔腔边界就是{111}面硅腐蚀速率与晶体取向的关系31各向异性腐蚀剂腐蚀出微结构的特点凸角补偿技术自停止腐蚀技术各向异性腐蚀剂腐蚀出微结构的特点323)硅的各向异性停蚀技术33各向异性腐蚀特点：有完整的表平面和定义明确的锐角•影响各向异性腐蚀的主要因素(1)溶液及配比(2)温度(3)掺杂浓度例如：当硅片中掺B浓度增加到1020cm-3时，KOH溶液的腐蚀速率要降低到低掺杂浓度时的1/20,这样实际上就可利用高B掺杂区作为腐蚀阻挡层。34硅各向异性湿法腐蚀的缺点•图形受晶向限制•深宽比较差,结构不能太小•倾斜侧壁•难以获得高精度的细线条。35气体中利用反应性气体或离子流进行的腐蚀称为干腐蚀。干腐蚀刻蚀既可以刻蚀多种金属，也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性腐蚀，也可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或MEMS常用工艺。按照原理来分，可分为等离子体刻蚀（PE：PlasmaEtching）、反应离子刻蚀（RIE：ReactionIonEtching）和感应等离子体刻蚀（ICP：InductiveCouplingPlasmaEtching）等几种。干腐蚀36干腐蚀装置原理37它是在等离子气体中进行化学反应产生的腐蚀。这时感光膜可以作掩膜，它与RIE相比材料的选择性较好，腐蚀的速度较快可达15微米/min，通常用氧的等离子体去除感光胶（特别是在大量磷注入的情况下）等离子腐蚀（各向同性腐蚀）38它的工作原理是，被腐蚀的基板侧施加副压，正离子加速飞向基板和它发生碰撞从而对基板进行腐蚀。另一种工作原理是，离子源与腐蚀反应室相分离，用加速后的离子进行腐蚀。这种装置的特点是试料本身不带电离子流腐蚀（方向性腐蚀）39体硅的干法刻蚀•干法刻蚀体硅的专用设备:电感耦合等离子刻蚀机(ICP)•主要工作气体：SF6,C4F8•刻蚀速率：2~3.5µm/min•深宽比：10:1•刻蚀角度：90o±1o•掩膜：SiO2、Al、光刻胶40微泵：具有两个单向阀，当电压施加到极板上时，变形膜向上运动，此时泵室体积增加，压力减小，进水阀打开，液体流进腔室。断电后，相反。泵的基本参数：变形膜面积4×4mm2，厚度25微米，间隙4微米，工作频率1～100Hz，典型值为25Hz，流量为70mL/min体硅工艺的典型应用41驱动部分：可根据各种不同的结构采用高掺杂的硅膜、形状记忆合金、金属膜薄片等。腔体制备：采用双面氧化的硅片，首先在硅片背面开出窗口（正面用光刻胶保护），放入HF，去除SiO2，去掉光刻胶，放入KOH，腐蚀Si，直到要求的膜厚为止阀膜制备加工工艺路线42对双面氧化的硅片进行双面光刻腐蚀SiO2、去除光刻胶、清洗用KOH腐蚀硅片双面，腐蚀深度10～15微米去除浅腐蚀面的SiO2（将深腐蚀面保护）去浅腐蚀面用于键合的金属层用密闭良好的夹具将有金属的一面保护，再用KOH进行深度腐蚀，直到腐蚀穿透整个硅片。剩下的硅膜即为阀膜厚度最后将三部分键合到一起阀膜制备43静电微泵结构44思考与讨论1.各向异性腐蚀剂如何选择？2.影响各向异性腐蚀剂刻蚀的关键因素？45表面微机械加工以硅片微基体，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，结构和基体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用是支持结构层，并形成所需要的形状的空腔尺寸，在微器件制备的最后工艺中溶解牺牲层表面工艺46体与表面微机械技术的比较47硅园片淀积结构层刻蚀结构层淀积牺牲层刻蚀牺牲层释放结构淀积结构层刻蚀结构层表面微机械加工技术48•微加工过程都是在硅片表面的一些薄膜上进行的，形成的是各种表面微结构，又称牺牲层腐蚀技术。•特点：在薄膜淀积的基础上，利用光刻，刻蚀等IC常用工艺制备多层膜微结构，最终利用不同材料在同一腐蚀液中腐蚀速率的巨大差异，选择性的腐蚀去掉结构层之间的牺牲层材料，从而形成由结构层材料组成的空腔或悬空及可动结构。•优点：与常规IC工艺兼容性好;器件可做得很小•缺点：这种技术本身属于二维平面工艺，它限制了设计的灵活性。4950关键技术薄膜应力控制技术防粘连技术牺牲层技术51牺牲层技术表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺基本思路为：在衬底上淀积牺牲层材料→利用光刻、刻蚀形成一定的图形→淀积作为机械结构的材料并光刻出所需要的图形→将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉→形成了悬浮的可动的微机械结构部件。在腐蚀牺牲层同时几乎不腐蚀上面结构层和下面衬底，其关键在于选择牺牲层的材料和腐蚀液52常用的牺牲层材料、腐蚀