第三章-MEMS制造技术-1

第三章MEMS制造技术3.1集成电路基本制造技术3.2体微加工技术3.3表面微加工技术3.4其他微加工技术内容提要简介•集成电路简史•集成电路制造概述•MEMS制造概述•集成电路与MEMS制造比较集成电路简史•电子技术的发展是以电子器件的发展而发展起来的。•电子器件的发展，历经近百年，经历了四个阶段的更新换代：电子管晶体管集成电路超大规模集成电路•历次变革都引发了电子技术和信息技术的革命。•以下为电子器件发展年表：•1906年：第一只电子管诞生•1912年前后：电子管的制造日趋成熟引发了无线电技术的发展•1918年前后：逐步发现了有一类半导体材料•1920年：发现半导体材料所具有的光敏特性集成电路简史•1924年：发现半导体与金属接触时具有的整流特性•1932年前后：运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象。•1940年：对半导体的理性研究有文章成果发表•1943年：研制出硅点接触整流二极管-美国贝尔实验室•1943年前后：电子管已成为电信息处理和传输设备的主体•1945年：第一台[电子管电子数字积分计算机（ENIAC）]诞生集成电路简史•1947年12月：肖克莱和巴登等人发明半导体锗点接触三极管•1948年：提出半导体的PN结理论并制成硅结型晶体三极管•1955年：硅结形场效应晶体管问世•1956年：硅台面晶体管问世•1956年：肖克莱因在半导体领域的系列成就获诺贝尔奖•1956年：肖克莱半导体实验室成立•1957年：美国仙童半导体公司成立（由肖克莱半导体实验室解体而成）Intel公司总裁葛洛夫为仙童半导体公司的创始人之一集成电路简史•1958年：超高频硅微波晶体管问世•1959年：提出汽相制备单晶硅晶层的设想并或成功•1959年：硅与锗等主要半导体材料的氧化物特性数据•1959年：德州仪器建成世界第一条集成电路生产线•1960年：发明以硅外延平面结构为架构模式的晶体管制造技术，被后人称为硅外延平面工艺技术。该技术虽经不断完善，但其思路的实质未变，沿用至今。该技术解决了此前无法解决的晶体管性能上的若干矛盾，为晶体管由分立的模式集成电路制造概述•超净间(Cleanroom)亦称为无尘室或清净室。•“超净间”是指将一定空间范围内之空气中的微粒子、有害空气、细菌等之污染物排除，并将室内之温度、洁净度、室内压力、气流速度与气流分布、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围内，而所给予特别设计之房间。亦即是不论外在之空气条件如何变化，其室内均能俱有维持原先所设定要求之洁净度、温湿度及压力等性能之特性。超净间最主要之作用在于控制产品(如硅芯片等)所接触之大气的洁净度日及温湿度，使产品能在一个良好之环境空间中生产、制造，此空间我们称之为“超净间”。•超净间(Cleanroom)按用途分类（可分为两大类）•工业超净间•以无生命微粒的控制为对象。主要控制空气尘埃微粒对工作对象的污染，内部一般保持正压状态。它适用于精密机械工业、电子工业（半导体、集成电路等）宇航工业、高纯度化学工业、原子能工业、光磁产品工业（光盘、胶片、磁带生产）LCD（液晶玻璃）、电脑硬盘、电脑磁头生产等多行业。•生物超净间•主要控制有生命微粒（细菌）与无生命微粒（尘埃）对工作对象的污染。•超净间构成•超净间并非简单的净化环境，还需要配合过渡间1（更衣间）、过渡间2，风淋室、工作间1、工作间2和传递间等。•洁净度标准：每立方米体积内大于0.5微米颗粒数的平均值作为评判标准，具体级别划分如下MEMS制造概述•典型MEMS器件•加速度传感器(ASXL202Accelerometer)•平面工艺＋3Dtechnology基础电路与MEMS制造比较•集成电路领域已经非常成熟•集成电路制造技术成熟、标准化•高层次设计工具•设计与制造完全分立•MEMS远未成熟•没有标准的MEMS制造技术•没有高层次设计工具•设计任何一个简单的MEMS器件，都需要对制造有深入的理解•MEMS发展的主要限制在于制造•Andsowebegin…集成电路制造程序3.1集成电路基本制造技术测试切割刻蚀光刻薄膜制备掩膜制造掺杂封装硅片集成电路制造程序分单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅具有优良的物理性质，其机械稳定性能良好，滞后和蠕变极小，质量轻，密度小。力学性能好，具有高的强度密度比和高的刚度密度比。表3.1各向异性：硅属于立方晶体结构。硅单晶在晶面上的原子密度是以（111）（110）（100）的次序递减，因此扩散速度是以（111）（110）（100）方向递增.腐蚀速度也是以（111）（110）（100）的顺序而增加3.1.1集成电路使用的材料硅材料多晶硅单晶硅是指整个晶体内原子都是周期性的规则排列,而多晶是指在晶体内各个局部区域里原子是周期性的规则排列,但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同。因此多晶体也看作是由许多取向不同的小单晶体组成的，如图所示。多晶硅薄膜具有与单晶硅相近的敏感特性、机械特性，它在微机械加工技术中多用于作为中间加工层材料。在工艺上可与单晶硅工艺相容，又能进行精细加工，而且还可以根据器件的需要充当绝缘体、导体和半导体。随着单晶硅园片直径越来越大，制造集成电路会出现以下问题（1）硅片电参数径向均匀性质差（2）硅片平整度的问题（3）采用低温加工环境硅片制造单晶生长工业上使用的单晶炉，普遍采用石墨电阻加热式单晶炉。其组成部分有炉腔部分、提升机构，气参控制、电子控制和电源。拉晶过程中必须在真空或高纯惰性气氛中进行，以免熔硅和石墨在高温下氧化。可供选择的惰性气体有氦或氩。拉晶过程位错通过悬挂链和应力场的作用，直接影响载流子的传导过程，因此集成电路制造中应当采用无位错或少位错的硅单晶。从单晶硅锭到硅片抛光需要经过多次机械加工和化学腐蚀，表面抛光以及清洗，检测和若干其他辅助工艺。（1）晶向测定在籽晶切割，定位面研磨和切片操作之前，需要进行定向，使晶向及其偏差范围符合工艺规范要求，用X射线衍射定向法测定。（2）机械加工单晶硅外形整理，切割分段，外圆滚磨和定位面研磨等，然后进行切片。对于大直径单晶硅，应使用带式切割机切断。硅片制备（3）切片切片是硅片制备中重要工序，其四个重要工艺参数，即晶向、原度、平行度、翘度。抛光是硅片表面的最后一次重要加工，也是精细的表面加工，抛光后的硅片表面应当是结净的，无加工伤痕的，平整的和镜面光滑的。光刻工艺是一种图象复印同刻蚀(化学的、物理的、或两者兼而有之)相结合的综合性技术。它先用照相复印的方法，将光刻掩模的图形精确地复印到涂在待刻蚀材料（二氧化硅、铝、多晶硅等薄层）表面的光致抗蚀剂（亦称光刻胶）上面，然后在抗蚀剂的保护下对待刻材料进行选择性刻蚀，从而在待刻蚀材料上得到所需要的图形。3.1.2光刻工艺在光刻工艺中使用的光刻胶有两大类：一类叫负性光刻胶，其未感光部分能被适当的溶剂溶除，而感光的部分则留下，所得的图形与光刻掩模图形相反；另一类叫正性光刻胶，其感光部分能被适当的溶剂溶除而留下未感光的部分，所得的图形与光刻掩模图形相同。采用负性光刻胶制作图形是一种人们熟知而且容易控制的工艺。其涂层对环境因素不那么灵敏，且具有很高的感光速度，极好的粘附性和搞蚀能力，成本低，适用于工业化大生产。目前刻蚀5m左右线条主要使用负性光刻胶。负性光刻胶的主要缺点是分辨率较低，不适于细线条光刻。表面处理涂胶前烘曝光显影后烘腐蚀除胶光刻胶的性能指标有感光度、分辨率、粘附性、抗蚀性、针孔密度、留膜率、稳定性等。根据待加工材料的性质，加工图形的线宽及精度要求，曝光方式、腐蚀方法等正确选用光刻胶。(1)感光度感光度是表征光刻胶对光线敏感程度的性能指标。它既与光刻胶本身的性质有关，又与具体的光刻工艺条件有关光刻胶的主要性能（2）分辨率分辨率是光刻胶的又一项重要性能指标，它是指用某种光刻胶光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。分辨率通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示。（3）粘附性（4）抗蚀性湿法刻蚀二氧化硅或金属时，要求光刻胶本身能较长时间经受住酸、碱的浸蚀；干法刻蚀时，要求光刻胶能较长时间经受住等离子体的作用。（5）针孔密度单位面积上的针孔数称为针孔密度。光刻胶膜上的针孔在腐蚀过程中会传递到衬底上去，危害极大。（6）留膜率留膜率是指曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前胶膜厚度之比。留膜率除与光刻胶本身的性质有关外，还受光刻工艺条件的影响。如胶膜厚度、前烘温度、曝光气氛、曝光量、显影液成分等在硅片上制作器件或电路时，为进行定域掺杂与互连等，需要进行多次光刻，各次光刻的工艺条件略有差异，但一般都要经过涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀和去胶7个步骤。衬底材料对光刻工艺的影响衬底材料的表面清洁度，表面性质和平面度对光刻质量均有影响。光刻工艺增粘处理二氧化硅是主要的刻蚀对象。由于光刻胶与衬底之间的粘附力大小对光刻质量有极大影响，所以改善二氧化硅表面性质的处理方法，会提高粘附力涂胶涂胶就是将光刻胶均匀地涂敷在硅片的表面，其质量要求：膜厚符合设计要求，膜厚均匀，胶面上看不到干涉花纹。负胶的片内膜厚误差应小于5%，正胶应小于2%；胶层内无点缺陷；涂层表面没有尘埃碎屑。对位与曝光对位与曝光是光刻工艺中最关键的工序，它直接关系到光刻的分辨率、留膜率、条宽控制和套准精度。曝光的目的是用尽可能短的时间使光刻胶充分感光，在显影后得到尽可能高的留膜率，近似于垂直的光刻胶侧壁和可控的条宽。一般情况下，正胶和负胶显影后的侧壁形状都是梯形，正胶的侧壁较负胶的侧壁要陡直得多。曝光时间越长，光的衍射效应对光刻胶侧壁的影响越严重。除了曝光量以外，光刻胶的膜厚，衬底的反射，胶膜和掩模之间的间距，以及显影条件等因素都会影响条宽变化量。显影显影是用溶济除去未曝光部分（负胶）或曝光部分（正胶）的光刻胶，在硅片上形成所需的光刻胶图形。影响显影质量的因素显影液与分辨率对于负胶细线条（5μm）光刻来说，显影时光刻胶的膨胀是影响成象分辨率和线宽的主要原因。与负胶相比正胶显影液是含水的碱性溶液。它对光刻胶的渗透作用较小。未曝光部分的光刻胶不发生化学变化，表面仍呈疏水性。显影液对它的作用很小，因此正胶显影不存在光刻胶的膨胀问题，使正胶的分辨率可以做得很高。因此正胶广泛用微细加工。后烘后烘的目的是去除显影后胶层内残留的熔液，充分的后烘可提高光刻胶的粘附力和抗蚀性。后烘又称坚膜。在一些特殊场合，高温后烘时产生的塑性流动还可以封闭胶层的微小针孔，或者减小衬底的侧向腐蚀。湿法腐蚀腐蚀是为了去除显影扣裸露出来的介质层。覆盖在硅片上的介质主要有下面几种，SiO2、Si3N4等绝缘膜，多晶硅等半导体膜以及Al等金属膜。光刻过程的腐蚀，一般应考虑以下六个问题：①腐蚀均匀性；②腐蚀方向性；③腐蚀选择性；④腐蚀速度；⑤公害和安全措施；⑥经济性。其中最重要的问题是腐蚀方向性与腐蚀选择性。A．二氧化硅的腐蚀二氧化硅是IC制造中使用最多的一种绝缘介质，关于二氧化硅的湿化学腐蚀机理及NH4F对腐蚀的“缓冲”作用，许多书中都有叙述。B．氮化硅的腐蚀不含氧的纯Si3N4称为硬氮化硅，含氧与氢等的SiN4称为软氮化硅，两者蚀速不等，前者蚀速比后者小。氢氟酸对Si3N4的腐蚀比二氧化硅慢得多，而磷酸正好与之相反。因此，可以用热磷酸去除硅和二氧化硅上的Si3N4层。C．多晶硅腐蚀以往多晶硅多半用HF-HNO3-HAC（冰醋酸）的混合液进行腐蚀，由于腐蚀终点难于控制，腐蚀质量不佳，现已基本上采用干法腐蚀。D.铝腐蚀铝腐蚀液的种类较多，但使用效果最好的是由磷酸、硝酸、冰醋酸与水组成的混合腐蚀液。E.钝化膜腐蚀IC芯片的钝化普遍采用CVD生长的磷硅玻璃（PSG）。由于钝化腐蚀必然要接触铝表面，因此应尽量减少腐蚀液对铝膜的腐蚀与氧化作用。干法腐蚀法腐蚀具有分辨率高、各向异性，腐蚀能力强，不同材料的腐蚀选择比大，腐蚀均匀性重复性好，以及易于实现连续自动操作等优点，干法腐蚀已成为超大规模集成电路制造的标准腐蚀技术。（1）等离子体腐蚀等离子体腐蚀是依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀材料发生化学反应的一种选择性腐蚀方法。去胶当二氧化硅或铝等待刻蚀材料腐蚀完毕后，起