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第四章 MEMS 的 制造技术

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第四章 MEMS 的 制造技术

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  1. 第四章 MEMS的制造技术 MEMS的制造技术主要包括两类技术:体微加工和表面微加工。这两类加工技术的基本材料都用硅,而加工工艺的基础都是集成电路制造技术。 1.表面微加工技术,来自金属膜的概念。在硅腐蚀的基础上,采用不同薄膜淀积腐蚀方法,在硅片表面形成不同形状的层状微结构。 2. LIGA技术 3.键合工艺,按界面材料的性质,可分为两大类:(1)硅/硅基片的直接键合工艺;(2)硅/硅基片的间接键合

  2. 硅的体微加工技术包含硅的湿法和干法技术,硅刻蚀自终止技术、LIGA技术、以及DEM技术。硅的体微加工技术包含硅的湿法和干法技术,硅刻蚀自终止技术、LIGA技术、以及DEM技术。 4.1. 体微加工 4.1.1. 湿法刻蚀技术 • 技术原理:硅表面点作为随机分布的局部区域的阳极与阴极。由于这些局部区域化电解电池的作用,硅表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流,一般超过100A/cm2。 • 硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液所含的杂质、腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附过程等因素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大的影响。

  3. HF-HNO3(氢氟酸-硝酸)腐蚀系统(各向同性腐蚀)HF-HNO3(氢氟酸-硝酸)腐蚀系统(各向同性腐蚀) • HF-HNO3和H2O(或CH3COOH 乙酸) • 硅表面的阳极反应为Si+2h+ Si2+ h+表示空穴,即Si得到空穴后升至较高的氧化态 • 腐蚀液中的水解离发生下述反应: H2O=(OH)-+H+;Si+与(OH)-结合为: Si2+2(OH)- Si(OH)2接着Si(OH)2放出H2并形成SiO2,即 Si(OH)2 SiO2+ H2 • SiO2+6HF H2SiF6+2 H2O

  4. KOH、EDP腐蚀系统(各向异性腐蚀) • KOH、H2O和(CH3)2CHOH(异丙醇,即IPA) • 首先将硅氧化成含水的硅化合物 KOH+ H2O=K++2OH-+H+ Si+2OH-+4 H2O Si(OH)2- • 然后与异丙醇反应,形成可溶解的硅 • 络合物不断离开硅的表面

  5. 硅无论是在HF-HNO3腐蚀系统中,还是在KOH腐蚀系统中,其腐蚀过程既可受反应速率限制,也可受扩散限制. 如果腐蚀取决于化学反应速率,这种过程称为反应速率限制。如果腐蚀剂通过扩散转移到硅片表面的则称为扩散限制。与反应速率限制过程相比,扩散限制过程活化能较低,所以它对温度变化较为敏感.如果在腐蚀过程中腐蚀条件发生变化,例如温度和腐蚀液的化学成分发生变化,将会改变速率限制 。

  6. 如果在单晶硅各个方向上的腐蚀速率是均匀的称为各向同性刻蚀,而腐蚀速率取决于晶体取向的则称为各向异性腐蚀。在一定的条件下腐蚀具有一定的方向跃居第一,是硅单晶片腐蚀过程中的重要特征之一。如果在单晶硅各个方向上的腐蚀速率是均匀的称为各向同性刻蚀,而腐蚀速率取决于晶体取向的则称为各向异性腐蚀。在一定的条件下腐蚀具有一定的方向跃居第一,是硅单晶片腐蚀过程中的重要特征之一。

  7. 硅各向同性腐蚀最常用的腐蚀液为HF-HNO3加水或者乙酸系统(通常称为HNA系统),其腐蚀机理:硅各向同性腐蚀最常用的腐蚀液为HF-HNO3加水或者乙酸系统(通常称为HNA系统),其腐蚀机理: 4.1.2 硅体的各向同性刻蚀 硝酸硅发生氧化反应生成二氧化硅,然后由HF将二氧化硅溶解 Si+HNO3+HF=H2SiF6+HNO2+H2O+H2 水和乙酸(CH3COOH)通常作为稀释剂,在HNO3溶液中,HNO3几乎全部电离,因此H+浓度较高,而CH3COOH是弱酸,电离度较小,它的电离反应为 CH3COOH=CH3COO-+H+

  8. 图4.2表面取向对腐蚀速率的影响与温度的关系

  9. 图4.3 腐蚀速率与温度的关系(高HF区,无稀释) 自下而上每族曲线对应的配比为:95%HF+5% HNO3, 90%HF+10% HNO3,85%HF+15 HNO3

  10. 图4.4 腐蚀速率与温度的关系(H2O稀释) 65%HF+20% HNO3+15%H2O, 20%HF+60% HNH3+20%H2O

  11. 图4.5腐蚀速率与成分的关系

  12. 下图给出分别用H2O和CH3COOH作为稀释剂的HF+ HNO3,系统腐蚀硅的等腐蚀线(常用的浓酸的重量百分比是49.2%HF和69.5% HNO3)。

  13. H2O和CH3COOH作为稀释剂的功能相似,共同特点: (1)在低HNO3及高HF浓度区(见图4.6的顶角区),等腐蚀曲线平行于等HNO3浓度线,由于该区有过量的HF可溶解反应产物SiO2,所以腐蚀速率受HNO3的浓度所控制。 (2)在低HF高HNO3区(见图4.6的右下角),等腐蚀线平行于HF浓度线。 (3)当HFHNO3=11,稀释液浓度百分比小于10%时,随稀释液的增加对腐蚀速率影响较大草原稀释液从10%30%,腐蚀速率随秋耕释液的增加呈减小;稀释液大于30%后,稀释的微小变化会引起腐蚀速率的很大变化。

  14. 各向异性腐蚀机理为在有些溶液中单晶硅的腐蚀速率取决于晶体取向,即在某种晶体取向上硅的腐蚀速率非常快,而在其他方向上腐蚀速率又非常慢。、硅体的各向异性腐蚀液的种类很多。各向异性腐蚀机理为在有些溶液中单晶硅的腐蚀速率取决于晶体取向,即在某种晶体取向上硅的腐蚀速率非常快,而在其他方向上腐蚀速率又非常慢。、硅体的各向异性腐蚀液的种类很多。 最常用的(100)/(111)腐蚀速率比最大的是KOH腐蚀液。用KOH腐蚀液腐蚀单晶硅晶体其在三个常用晶面方向上的腐蚀速率情况是(100)>(110)>(111)。(100)/(111)的最大腐蚀速率可达4001 4.1.3硅体的各向异性刻蚀

  15. 图4.7 硅单晶片各向异性腐蚀示意图

  16. Wb=W0-2Lcos54.7o 其中L是腐蚀深度。 一般需要刻蚀制作薄膜时,掩膜开的窗口必须比膜的尺寸大,其倾斜的角度由几何计算得到为54.7O,而斜坡所占的面积也可计算得到。多晶硅所需刻蚀的深度为O时,单边斜坡所占的长度 L=0.71D

  17. 1、氢氧化钾的刻蚀机理 硅体的各向异性刻蚀的腐蚀剂基本是碱性溶液,而氢氧化钾溶液占一半以上,因此氢氧化钾是硅体的各向异性腐蚀重要的和常用的腐蚀剂。 2、各向异性刻蚀的物理机理 腐蚀 图4.8 各向异性的物理机理

  18. 腐蚀速率 图4.9 腐蚀速率测试掩膜版 图4.10 腐蚀后的测试图形显示

  19. KOH浓度 20℃ 40℃ 60℃ 80℃ 100℃ 20% 1.57 7.09 26.7 86.3 246 30% 1.32 5.98 22.3 79.0 206 40% 1.17 5.28 19.9 64.4 183 50% 0.84 3.77 14.2 45.9 131 不同KOH浓度和温度情况下,(100)面硅的腐蚀速率(m/h)

  20. 硅体在氢氧化钾溶液中,各向异性腐蚀制作各种各样微机械基本结构硅体在氢氧化钾溶液中,各向异性腐蚀制作各种各样微机械基本结构

  21. 干法刻蚀具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的选择比大,以及能进行自动化操作等优点。因此,干法刻蚀在体微加工中将逐渐占有重要地位。干法刻蚀具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的选择比大,以及能进行自动化操作等优点。因此,干法刻蚀在体微加工中将逐渐占有重要地位。 • 干法刻蚀的过程可分为以下几个步骤 : • (1)腐蚀性气体粒子的产生; • (2)粒子向衬底的传输 • (3)衬底表面的腐蚀; • (4)腐蚀反映物的排除。 • 干法腐蚀的种类有物理方法:离子腐蚀(溅射)Ion Etching(IE),离子束腐蚀Ion Beam Etching(IBE);化学方法:等离子体腐蚀 Plasma Etching(PE) 4.1.4 硅刻蚀的干法技术

  22. 4.1.4.1 物理腐蚀技术 (1)离子腐蚀(Ion Etching ,IE) 图4.12平行板反应器的结构原理

  23. (2)离子束腐蚀(Ion Beam Etching,IBE) 离子束腐蚀是一种利用惰性离子进行腐蚀的物理腐蚀。在离子束腐蚀中,被腐蚀的衬底和产生离子的等离子区在空间是分离的,如图4.13所示。 图4.13 离子束腐蚀装置结构原理

  24. 图4.14 在纯物理离子腐蚀中出现的制造物的原理示意图

  25. 4.1.4.2 物理和化学腐蚀过程相结合 化学腐蚀高选择性+物理腐蚀所具有的各向异性 (1)等离子体腐蚀(Plasma Etcing, PE) (2)反应离子腐蚀(Reactive Ion Etching,,RIE) (3)反应离子束腐蚀 4.2 硅体刻蚀自停止技术 硅体刻蚀自停止技术是体微加工中关键技术之一。它利用不同晶格取向的硅和掺杂浓度不同,使硅在不同的腐蚀液中表现出不同的腐蚀性能。 4.2.1重掺杂自停止腐蚀技术 可以认为KOH溶液对重掺杂硅基本上不腐蚀;同时又知道,重掺杂硼的硅腐蚀自停止效应比重掺杂磷的硅

  26. 更明显,所以工艺中常用重掺杂硼的硅作为硅腐蚀的自停止层材料。图4.15为重掺杂硼硅腐蚀的自停止腐蚀工艺。其工艺流程为:更明显,所以工艺中常用重掺杂硼的硅作为硅腐蚀的自停止层材料。图4.15为重掺杂硼硅腐蚀的自停止腐蚀工艺。其工艺流程为: 图4.15 重掺杂硼的硅自停止腐蚀工艺

  27. 具有的高选择性和物理腐蚀所具有的各向异性,目前主要是将这两种方法组合起来使用。具有的高选择性和物理腐蚀所具有的各向异性,目前主要是将这两种方法组合起来使用。 4.2.2 (111)面自停止腐蚀技术 图4.16为(111)面自停止腐蚀工艺。其工艺流程为: 4.2.3 p-n结腐蚀自停止技术 p-n结腐蚀自停止是一种使用硅的各向异性腐蚀剂如氢氧化钾的电化学腐蚀自停止技术,它利用了N型硅和P型硅在各向异怀腐蚀液中的钝化电位不同这一现象。图4.17给出了在氢氧化钾腐蚀液(65℃,40%)中(100)晶向P型硅和N型硅样品的电流一电压特性。

  28. 4.2.4电化学自停止腐蚀技术 图4.20是一种典型的电化学腐蚀自停止方法 图4.16 (111)面自停止腐蚀工艺

  29. 图4.17 P型和N型硅在KOH腐蚀液中的特性

  30. 图4.20 电化学腐蚀系统

  31. 图4.21 硅在5%HF中的电化学腐蚀IV

  32. 4.3 LIGA体微加工技术 四个工艺组成部分:LIGA掩模板制造工艺;X光深层光刻工艺;微电铸工艺;微复制工艺。 4.3.1 LIGA掩膜板制造工艺 LIGA掩模板必须能有选择地透过和阻挡X光,一般的紫外光掩模板不适合做LIGA掩模板 表4.4 LIGA掩模板的X光透光薄膜材料的性能及其优缺点

  33. 图4.22 LIGA技术的工艺流程

  34. 4.3.2 X光深层光刻工艺 需平行的X光光源。由于需要曝光的光刻胶的厚度要达到几百微米,用一般的X光光源需要很长的曝光时间。同步辐射X光光源不仅能提供平行的X光,并且强度是普通X光的几十万倍,这样可以大大缩短曝光时间。 图 4.23 X光过渡掩模板制造工艺流程图

  35. (2) X光光刻胶 (3)同步辐射X光曝光 (4)光刻胶显影 4.3.3微电铸工艺 目前镍的微电铸工艺比较成熟,镍较稳定,且具有一定的硬度,可用于微复制模具的制作。由于金是LIGA掩模板的阻挡层,所以,在LIGA技术中,金的微电铸技术非常重要。有些传感器和执行器需要有磁性作为驱动力,所以,具有磁性的铁镍合金的微电铸对LIGA技术也很重要。其他如银、铜等也是LIGA技术常用的金属材料。 LIGA的微电铸工艺技术难点之一,是对高深宽比的深孔、深槽进行微电铸。 4.3.4微复制工艺

  36. 由于同步辐射X光深层光刻代价较高,无法进行大批量生产,所以LIGA技术的产业化只有通过微复制技术来实现。目前微复制方法主要有两种,注塑成型和模压成型,图4.29给出了注塑成型和模压成型两种微复制方法的工作原理。其中注塑成型适用于塑料产品的批量生产,模压成型适用于金属产品的批量由于同步辐射X光深层光刻代价较高,无法进行大批量生产,所以LIGA技术的产业化只有通过微复制技术来实现。目前微复制方法主要有两种,注塑成型和模压成型,图4.29给出了注塑成型和模压成型两种微复制方法的工作原理。其中注塑成型适用于塑料产品的批量生产,模压成型适用于金属产品的批量 图4.29两种微复制方法的工作原理

  37. 4.3.5 LIGA技术的扩展 4.3.5.1准LIGA技术 用紫外线或激光代替同步辐射X光深层,该技术需高光敏性的光刻胶厚胶,目前利用该技术能刻出100m厚的微结构,但侧壁垂直度只有850左右,只能部分代替LIGA技术,适用于对垂直度和深度要求不高的微结构加工。图4.30给出了用紫外线光刻获得的厚60m的光刻胶及电铸出的铁镍合金微结构电镜照片。 4.3.5.2 牺牲层LIGA技术 在微机械制造领域,很多情况下需要制造可活动的零部件,例如微阀、微马达和微加速度计等。利用牺牲层LIGA技术可制造活动的微器件,图4.31给出了牺牲层LIGA技术工艺原理图。 4.3.5.3 LIGA套刻技术

  38. 图4.31 牺牲层LIGA技术工艺原理图

  39. LIGA技术中,利用套刻技术获得含有台阶的微结构, 该技术在第一次光刻、微电铸的基础上进行第二次套 刻技术获得的微变速齿轮电镜照片。 4.3.5.4倾斜曝光技术 在LIGA技术中,可以通过倾斜曝光获得一些特殊的 图形,如图4.34所示倾斜曝光原理图,图4.35给出通 过倾斜曝光获得的复杂微结构电镜照片。

  40. 4.3.6 DEM技术 DEM技术充分利用了硅体微加工技术和LIGA技术的优点,解决了硅体微加工技术中只能加工硅材料的局限。该技术不像LIGA技术那样需昂贵的同步辐射光源和特制的X光掩模板。利用该技术可对非硅材料,如金属、塑料或陶瓷进行高深宽比三维加工。该技术的开发成功,将开拓微加工新领域,对我国微机电系统的研究起到很好的推动作用。

  41. 4.4表面微加工 4.4.1表微加工机理 图4.41给出了表面微加工的基本过程。 与体微加工相比较,表面微加工技术对于微小结构的尺寸更易控制。 图4.41 表面微机械加工原理示意图

  42. (1)表面微加工使用的材料是一组相互匹配的结构层、牺牲层材料(1)表面微加工使用的材料是一组相互匹配的结构层、牺牲层材料 (2)表面微加工的特点 与体微加工和键合相比较,在表面微加工中,硅片本身不被刻蚀。没有孔穿过硅片,硅片背面也无凹坑。比较两者结构尺寸(如表4.8所示),可以看出表面微加工适用于微小结构件的加工,结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反应离子刻蚀(RIE)工艺。表面微加工形成的层状结构特点为微器件设计提供了较大的灵活性。在中心轴上加工转子是不可能的,而采用键合又会使工艺变得非常复杂,而表面微加工技术的另一个主要特点是可实现微小可动部件的加工。

  43. 4.4.2多晶硅的表面微加工 氧化硅作为牺牲层材料,氮化硅作为基体绝缘材料,氢氟酸作为化学腐蚀剂。 已经能够加工复杂的表面微结构零件,如悬臂梁、齿轮组、涡机、曲柄、镊子等。多晶硅表面微加工已是许多静电执行器的主要加工手段。 4.4.2.1多晶硅的淀积 4.4.2.2淀积态的薄膜应力 4.4.2.3未掺杂薄膜的退火 图4.45 平均残余应力与退火温度的关系曲线

  44. 4.4.2.5二氧化硅 在集成电路工艺中,二氧化硅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. 二氧化硅的腐蚀速率对温度最敏感,温度越高,腐蚀速率越快,腐蚀时必须严格控制温度。

  45. 4.4.2.6氮化硅 在集成电路工业中,氮化硅(Si3N4)广泛用于电绝缘和表面钝化。PECVD氮化硅主要用于集成电路的钝化,由于氮化硅的多孔性,在HF中其腐蚀速率高于热法生长的二氧化硅,因而在表面微结构中应用不多,主要应用于多晶硅表面微结构的基体绝缘。 4.4.2.7磷硅玻璃(PSG) 磷硅玻璃也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或四乙氧硅烷(TEOS),三甲亚磷酸盐(TMP)淀积而成。

  46. 4.4.2.8粘附现象 在牺牲层被刻蚀后,微器件要进行漂洗和吹干。在器件浸入和提出溶液的过程中,溶液蒸发会产生一个很大的毛细管作用力,把微器件拉向基体产生粘附现象,在两表面之间形成接角力。 图4.49 微器件粘附形成(a)和解决方法(b)示意图

  47. 4.4.3多晶硅的机械特性 应用于表面微构件的薄膜存在着较大的残余应力该残余应力场对薄膜淀积条件和后工艺过程十分敏感这些残余应力影响着构件负载特性、输出、频率其他重要运行参数,所以在形成一个表面微加工工艺以前充分理解和掌握这些机械特性。 4.4.3.1原位特性试验装置 薄膜本征应变场估价的试验装置是测量薄膜与基体分离后产生的尺寸变化。当薄膜与基体分离后,薄膜的应力得到松弛,其伸长或缩短正比于本征应变场的大小,试验装置为应力松弛提供了直接与间接的测量。

  48. (1)悬臂梁 测量悬臂梁的形变,可获得应变松弛的大小。薄膜残余应变与梁尺寸变化如下式表示: 式中为残余应变;L0为悬臂梁原始长度;L为与基体分离后悬臂梁的长度。

  49. (2)微桥 对于细长部件,当端点负载超过其临界值发生弯曲时,Guckel等人提出测量局部应变场的装置。公式(4-25)为轴向负载细梁Euler(欧拉)弯曲应变的表达式 式中:K为边界尺寸相关的常数;t为薄膜厚度;L为梁的长度。

  50. 微桥长度与弯曲应变的关系曲线 其本征应变值于—3.2×10-4和5.6×10-4之间。 图4.51微桥长度与Euler变曲应变关系