MEMS工艺

1MEMS工艺1.当今重要的机械和电子系统进一步向微小型化和多功能化方向发展，进而对相当于感觉器官的传感器和运动器官的执行器提出了微小型化和多功能化的要求2.半导体硅微细加工技术的日益成熟和完善为这一发展提供了技术基础3.在这种情况下诞生了微电子机械系统(MEMS)这一新型学科4.MEMS是微电子技术与机械、光学领域结合而产生的，是20世纪90年代初兴起的新技术，是微电子技术应用的又一次革命。2MEMS加工工艺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3Bulkmicromachining~1960FSFx+Deepreactive-ionetching~1995Surfacemicromachining~1986LIGA~1978MEMS加工技术的种类4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5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6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7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8分类•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。9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.102)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)=10~35:1113)硅的各向异性停蚀技术12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。13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。14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15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16•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工艺的兼容性好;器件可以做得很小•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。1718关键技术薄膜应力控制技术防粘连技术牺牲层技术19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。要求在腐蚀牺牲层的同时几乎不腐蚀上面的结构层和下面的衬底。牺牲层技术的关键在于选择牺牲层的材料和腐蚀液20常用的牺牲层材料、腐蚀液及结构材料21在硅衬底上淀积一层牺牲层（横截面）在牺牲层上部淀积一层结构层（横截面）释放后的悬臂梁按设计方案蚀刻结构层锚接区悬臂梁横截面顶视图一种最简单的悬臂梁工艺22淀积牺牲层确定锚接区域锚接在衬底上溶掉牺牲层后工艺过程示意图23附加凸起点工艺与凸点匹配的凹坑凸起点2425薄膜应力控制技术薄膜的内应力和应力梯度是表面微机械中的重要参数，对机械结构的性能和形变影响很大，往往是表面微结构制作失败的原因26防粘连技术粘连是指牺牲层腐蚀后，在硅片干燥过程中，应该悬空的梁、膜或者可动部件等表面微结构，受液体流动产生的表面张力、静电力、范得华力等作用而与衬底发生牢固得直接接触，从而导致器件失效防止方法：•设计特殊结构•改进释放方法•做表面处理27键合(bonding)技术在微型机械的制作工艺中，键合技术十分重要。键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。在MEMS工艺中，最常用的是硅/硅直接键合和硅/玻璃静电键合技术，最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。固相键合是将两块固态材料键合在一起，其间不用液态的粘结剂，键合过程中材料始终处于固态，键合界面有很好的气密性和长期稳定性。28硅—玻璃静电键合技术静电键合（阳极键合、场助键合）主要是利用玻璃在电场作用下在表面形成的电荷积累原理而实现的一种键合方式。V加热板Si玻璃29/EVd2210/2FVd设高阻层厚度为d，电压为V，则高阻层内电场强度：硅片与玻璃之间单位面积的静电吸引力为当高阻层厚度d小于1um时，硅与玻璃间的吸引力达几百公斤/平方厘米最好在界面处形成Si-O健30材料要求：•硅片和玻璃片表面要抛光成镜面•玻璃片中要含有足够量的Na+•玻璃的热膨胀系数与硅相近。Pgrex7740，95#玻璃31硅—硅直接键合技术指两硅片通过高温处理直接键合在一起的技术键合工艺步骤：1).将两抛光的硅片（氧化或未氧化）先经含OH-的溶液浸泡处理2).在室温下将亲水的两硅片面对面贴合在一起，称为预键合3).在O2或N2环境中经数小时高温（800oC以上）处理后，就形成了牢固的键合。32接触前硅片表面有OH基预键合形成氢键高温处理脱水形成氢键键合机理：预键合时硅与硅表面之间产生的键合力是由于亲水表面的OH-之间吸引力的作用形成了氢键。进一步的高温处理可以产生脱水效应，而在硅片之间形成氧键，键合强度增大。33P型(100)硅片外延n型硅膜n型(100)硅片电阻抛光削薄第二片硅，形成压力传感器芯片压力传感器芯片34其他电子束光刻提供了小至纳米尺寸分辩力的聚合物抗蚀剂图形转印的一种灵活的曝光设备，远远地超过了目前光学系统的分辨力范围聚焦离子束光刻利用聚焦离子束设备修复光掩模和集成电路芯片扫描探针加工技术（SPL）一种无掩模的加工手段，可以作刻蚀或者淀积加工，甚至可以用来操纵单个原子和分子35•激光微机械加工技术•LIGA加工技术•深等离子体刻蚀技术非硅基微机械加工技术•紫外线厚胶刻蚀技术36LIGA工艺1.LIthograpie（制版术），Gavanoformung(电铸)，Abformung(塑铸)2.LIGA工艺于20世纪80年代初创于德国的卡尔斯鲁厄原子核研究所，是为制造微喷嘴而开发出来的3.LIGA技术开创者WolfgangEhrfeld领导的研究小组曾提出，可以用LIGA制作厚度超高其长宽尺寸的各种微型构件。37•LIGA技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，较硅材料加工技术有一个很大的飞跃•LIGA技术可以制造具有很大纵横比的平面图形复杂的三维结构，尺寸精度达亚微米级，有很高的垂直度、平行度和重复精度，设备投资大•能实现高深宽比的三维结构，其关键是深层光刻技术。为实现高深宽比，纵向尺寸达到数百微米的深度刻蚀，并且侧壁光滑，垂直，要求：1.一方面需要高强度，平行性很好的光源，这样的光源只有用同步辐射Ｘ光才能满足；2.另一方面要求用于ＬＩＧＡ技术的抗蚀剂必须有很好的分辩力，机械强度，低应力，同时还要求基片粘附性好38三步关键工艺:1.深层同步辐射X射线光刻利用同步辐射Ｘ射线透过掩膜对固定于金属基底上的厚度可高达几百微米的X射线抗蚀层进行曝光。将其显影制成初级模板。同步辐射X射线优点：波长短、分辨率高、穿透力强几乎是完全平行的X射线辐射高辐射强度宽的发射频带曝光时间短，生产率高，时间上具有准均匀辐射特性392.电铸成形1.电铸成形是根据电镀原理，在胎膜上沉积相当厚度金属以形成零件的方法。胎膜为阴极、要电铸的金属作阳极。2.利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具。3.在LIGA工艺技术中，把初级模板（抗蚀剂结构）膜腔底面上利用电镀法形成一层镍或其他金属层，形成金属基底作为阴极，所要成形的微结构金属的供应材料（如镍、铜、银）作为阳极4.电铸时，直到电铸形成的结构刚好把抗蚀剂模板的型腔填满5.将整个浸入剥离溶剂中，对抗蚀剂形成的初级模板进行腐蚀剥离，剩下的金属结构即为所需求的微结构件403.注塑1.利用微塑铸制备微结构2.将电铸制成的金属微结构作为二级模板3.将塑性材料注入二级模板的膜腔，形成微结构塑性件，从金属模中提出4.也可用形成的塑性件作为模板再进行电铸，利用LIGA技术进行三维微结构件的批量生产41优势1.深宽比大，准确度高。所加工的图形准确度小于0.5μｍ，表面粗糙度仅10nm，侧壁垂直度89.9°，纵向高度可达500μｍ以上2.用材广泛。从塑料（PMMA、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等）到金属（Au、Ag、Ni、Cu）到陶瓷（ZnO2）等，都可以用LIGA技术实现三维结构3.由于采用微复制技术，可降低成本，进行批量生产工艺流程图同步辐射X光(波长1nm)Au掩膜版PMMA光刻胶(厚达1000um)电铸塑铸深宽比可超过100亚微米精度的微结构光刻LIGA工艺基本流程图生产周期较长生产成本高常规紫外光(波长几百nm)标准Cr掩膜版聚酰亚胺光刻胶(厚300um)电铸塑铸深宽比常为几十微米精度微结构光刻准LIGA工艺基本流程图生产周期较短生产成本较低44镀金区X射线基底光刻胶(PMMA)掩膜(Si3N4),1~1.5um需要用产品：一根管子基底光刻胶(PMMA)45工艺流程46基片附着层电铸镍钛分离层PMMA胶(X光刻图)LIGA电铸后的剖面结构优点：加工材料可以是金属、塑料和陶瓷.器件结构深刻比高，厚度大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑缺点：需要同步辐射Ｘ射线光源；掩膜板制造困难。大部分只能使用单个掩膜版制造结构，难以制造复杂3D结构。适于制造小零件，但大部分器件需要装配,难与IC兼容。48•激光微机械加工技术激光微机械加工技术依靠改变激光束的强度和扫描幅度对涂在基片上的光刻胶进行曝光，然后进行显影，最后采用反应离子刻蚀技术，按激光束光刻胶模型加工成微机械结构。激光光刻技术比Ｘ射线光刻的工艺要简单的多。将其与各向异性腐蚀工艺结合就可用于加工三维结构。49•