《硅微加工工艺.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅微加工工艺.ppt（26页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、硅微加工工艺现在学习的是第1页，共26页硅微硅微MEMS发展里程碑发展里程碑 1987年年UCBerkeley在硅片上制造出静电在硅片上制造出静电电机电机 90年代初年代初ADI公司研制出低成本集成硅公司研制出低成本集成硅微加速度传感器，用于汽车气囊。微加速度传感器，用于汽车气囊。90年代末期美国年代末期美国Sandia实验室发表实验室发表5层多层多晶硅工艺。晶硅工艺。现在学习的是第2页，共26页硅微硅微MEMS工艺发展趋势工艺发展趋势 表面牺牲层技术向多层、集成化方向发表面牺牲层技术向多层、集成化方向发展；展；体硅工艺主要表现为键合与深刻蚀技术体硅工艺主要表现为键合与深刻蚀技术的组合，追求大
2、质量块和低应力；的组合，追求大质量块和低应力；表面工艺与体硅工艺进一步结合；表面工艺与体硅工艺进一步结合；设计手段向专用设计手段向专用CAD工具方向发展。工具方向发展。现在学习的是第3页，共26页硅微硅微MEMS工艺主要手段工艺主要手段微型制造技术微型制造技术精密加工精密加工微细超声加工微细电解加工微细电火花加工立体光刻立体光刻能束加工能束加工激光加工电子束加工离子束加工 硅微细加工 硅微细加工光刻电铸加工光刻电铸加工准LIGA加工LIGA加工体硅加工硅表面微加工各向 异性 腐蚀自停止 腐蚀深层离子刻蚀电化学腐蚀等离子及反应离子刻蚀淀积光刻牺牲层腐蚀扩散现在学习的是第4页，共26页MEMS与与
3、IC工艺主要差别工艺主要差别MEMSIC光光刻刻技技术术需双面光刻技术单面光刻技术干干法法深层、高深宽比腐蚀一般薄膜腐蚀腐腐蚀蚀技技术术湿湿法法各向异性腐蚀、自停止技术、深层体硅腐蚀各向同性腐蚀、阳极腐蚀、电钝化腐蚀，限于表面加工牺牺牲牲层层技技术术表面硅微加工工艺，与 IC 工艺兼容，用于制造表面活动结构不常用键键合合硅硅直接键合、硅玻璃阳极键合高温键合制作 SOI 材料LIGA制作高深宽比结构，成本高不用现在学习的是第5页，共26页典型硅微典型硅微MEMS工艺工艺 体硅腐蚀体硅腐蚀 牺牲层技术牺牲层技术 双面光刻双面光刻 自停止腐蚀自停止腐蚀 深槽技术深槽技术 LIGA技术技术 键合技术键
4、合技术现在学习的是第6页，共26页体硅各向异性腐蚀技术体硅各向异性腐蚀技术 各向异性各向异性(Anisotropy)各向异性腐蚀液通常对单晶硅各向异性腐蚀液通常对单晶硅(111)面的腐蚀面的腐蚀速率与速率与(100)面的腐蚀速率之比很大，因为：面的腐蚀速率之比很大，因为：(111)面有较高的原子密度，水分子容易附着在面有较高的原子密度，水分子容易附着在(111)面上；面上；(100)面每个原子具有两个悬挂键，而面每个原子具有两个悬挂键，而(111)面每面每个原子只有一个悬挂键，移去个原子只有一个悬挂键，移去(111)面的原子所面的原子所需的能量比需的能量比(100)面要高。面要高。现在学习的是
5、第7页，共26页体硅各向异性腐蚀体硅各向异性腐蚀 是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向腐蚀速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，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。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，形成氧化机理：腐蚀液发射空穴给硅，形成氧化态态Si+，而羟基，而羟基OH-与与Si+形成可溶解的硅形成可溶解的硅氢氧化物的过程。氢氧化物的过程。现在学习的是第8页，共26页各向异性腐蚀计算各向异性腐蚀计算 设计公式：设计公式：a是腐蚀后坑底的边长，是腐
6、蚀后坑底的边长，b是掩膜版上窗口的边长是掩膜版上窗口的边长，d是腐蚀深度，是腐蚀深度，=54.74，是，是(100)面和面和(111)面面的夹角。的夹角。是各向异性比，是各向异性比，R(100)和和R(100)分别是腐分别是腐蚀液对蚀液对(100)面和面和(111)面的腐蚀速率，和腐蚀液面的腐蚀速率，和腐蚀液的种类及腐蚀条件有关。的种类及腐蚀条件有关。腐蚀窗口短边存在最小尺寸：腐蚀窗口短边存在最小尺寸：tan2sin2ddab)111()100(RR)1(cossin2mindb现在学习的是第9页，共26页各向异性腐蚀液各向异性腐蚀液 腐蚀液：腐蚀液：无机腐蚀液：无机腐蚀液：KOH,NaOH,
7、LiOH,NH4OH等等；有机腐蚀液：有机腐蚀液：EPW、TMAH和联胺等。和联胺等。常用体硅腐蚀液：常用体硅腐蚀液：氢氧化钾氢氧化钾(KOH)系列溶液；系列溶液；EPW(E：乙二胺，：乙二胺，P：邻苯二酚，：邻苯二酚，W：水：水)系系列溶液。列溶液。乙二胺乙二胺(NH2(CH2)2NH2)邻苯二酚邻苯二酚(C6H4(OH)2)水水(H2O)现在学习的是第10页，共26页EPW腐蚀条件腐蚀条件 腐蚀温度：腐蚀温度：115左右左右 反应容器在甘油池内加热，加热均匀；反应容器在甘油池内加热，加热均匀；防止乙二胺挥发，冷凝回流；防止乙二胺挥发，冷凝回流；磁装置搅拌，保证腐蚀液均匀；磁装置搅拌，保证腐
8、蚀液均匀；在反应时通氮气加以保护。在反应时通氮气加以保护。掩膜层：用掩膜层：用SiO2，厚度厚度4000埃以上。埃以上。现在学习的是第11页，共26页腐蚀设备腐蚀设备继电器电源加热电炉搅拌器转子石英支架石英提篮硅片温控温度计磨沙密封口冷凝水入口冷凝水出口氮气入口氮气出口冷凝洄流管道甘油池腐蚀液冷凝水气体流量控制计氮气现在学习的是第12页，共26页影响腐蚀质量因素影响腐蚀质量因素 腐蚀液成分腐蚀液成分 新旧腐蚀液新旧腐蚀液 试剂重复性试剂重复性 温度温度 保护保护 搅拌搅拌转子硅片低速区高速区容器表面流速A表面流速B深度A深度B腐蚀液现在学习的是第13页，共26页牺牲层技术牺牲层技术 属硅表面加
9、工技术。属硅表面加工技术。是加工悬空和活动结构的有效途径。是加工悬空和活动结构的有效途径。采用此种方法可无组装一次制成具有活采用此种方法可无组装一次制成具有活动部件的微机械结构。动部件的微机械结构。牺牲层材料牺牲层材料牺牲层材料对比材料材料用用 途途特特 点点腐蚀剂腐蚀剂腐蚀速率腐蚀速率(m/min)HF1.4二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5:1BHF0.12HF3.6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5:1BHF4.4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很快度热氧化 SiO2低
10、氧扩磷低氧淀积SiOSiO227060504030201001020304050600腐蚀时间(min)深腐蚀横向现在学习的是第14页，共26页影响牺牲层腐蚀的因素影响牺牲层腐蚀的因素 牺牲层厚度牺牲层厚度 腐蚀孔阵列腐蚀孔阵列 塌陷和粘连及防止方法塌陷和粘连及防止方法 酒精、液态酒精、液态CO2置换水；置换水；依靠支撑结构防止塌陷。依靠支撑结构防止塌陷。多晶LT现在学习的是第15页，共26页典型牺牲层腐蚀工艺典型牺牲层腐蚀工艺()氧化，做体硅腐蚀掩膜层；氧化，做体硅腐蚀掩膜层；()光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口；()体硅腐蚀出所需底层结构；体硅腐蚀出所需底层结构；()去
11、除去除SiO2；()生长或淀积牺牲层材料；生长或淀积牺牲层材料；()光刻牺牲层材料成所需结构；光刻牺牲层材料成所需结构；()生长结构材料；生长结构材料；()光刻结构材料；光刻结构材料；()牺牲层腐蚀，释放结构层；牺牲层腐蚀，释放结构层；()防粘结处理。防粘结处理。硅二氧化硅多晶硅现在学习的是第16页，共26页自停止腐蚀技术自停止腐蚀技术 机理：机理：EPW和和KOH对硅的腐蚀在掺杂浓度小于对硅的腐蚀在掺杂浓度小于1 1019cm-3时基本为常数，超过该浓度时，腐蚀速率与掺杂时基本为常数，超过该浓度时，腐蚀速率与掺杂硼浓度的硼浓度的4次方成反比，达到一定的浓度时，腐蚀次方成反比，达到一定的浓度时
12、，腐蚀速率很小，甚至可以认为腐蚀速率很小，甚至可以认为腐蚀“停止停止”。腐蚀速率经验公式：腐蚀速率经验公式：Ri为低速区的腐蚀速率，为低速区的腐蚀速率，N0为阈值浓度，为阈值浓度，NB为掺为掺杂浓度，杂浓度，a与腐蚀液的种类有关，用与腐蚀液的种类有关，用EPW腐蚀可取腐蚀可取4。aaBiNNRR401现在学习的是第17页，共26页自停止腐蚀典型工艺流程自停止腐蚀典型工艺流程硅光刻胶扩散层二氧化硅工艺路线（1）工艺路线（2）现在学习的是第18页，共26页双面光刻双面光刻 MEMS器件的结构一般是平面化的三维结器件的结构一般是平面化的三维结构，很多器件两面都有结构或图形，而且构，很多器件两面都有结
13、构或图形，而且有对准要求，需要双面光刻。有对准要求，需要双面光刻。设备：投影双面光刻机或红外双面光刻机设备：投影双面光刻机或红外双面光刻机。现在学习的是第19页，共26页双面光刻制版问题双面光刻制版问题 两面图形不同两面图形不同 考虑镜向问题考虑镜向问题 正面版背面版正面图形背面图形 双面光刻(两面图形不同)现在学习的是第20页，共26页双面光刻制版问题双面光刻制版问题 两面图形相同两面图形相同子图形呈中心对称分布子图形呈中心对称分布 子图形不左右对称分布，且两面的图形上下反对称分布，则整个子图形不左右对称分布，且两面的图形上下反对称分布，则整个硅片上所有芯片的图形应该都是从左向右或从右向左的
14、；硅片上所有芯片的图形应该都是从左向右或从右向左的；子图形不左右对称分布，且两面的图形上下对称分布，则硅片上子图形不左右对称分布，且两面的图形上下对称分布，则硅片上左右两半边的芯片图形应该是反向分布的，都指向中心或背向中左右两半边的芯片图形应该是反向分布的，都指向中心或背向中心。心。芯片芯片上下反对称上下对称芯片芯片图形对称或(a)(c)(b)现在学习的是第21页，共26页针孔问题针孔问题 流程流程1（出现针孔）：（出现针孔）：热氧化热氧化SiO2，LPCVD Si3N4；背面光刻，腐蚀背面光刻，腐蚀Si3N4和和SiO2；正面光刻，腐蚀正面光刻，腐蚀Si3N4和和SiO2；)体硅腐蚀。体硅腐
15、蚀。流程流程2（不出现针孔）：（不出现针孔）：热氧化热氧化SiO2，LPCVD Si3N4；背面光刻，腐蚀背面光刻，腐蚀Si3N4，不去胶；，不去胶；正面光刻，腐蚀正面光刻，腐蚀Si3N4和和SiO2，去胶；，去胶；体硅腐蚀。体硅腐蚀。硅光刻胶二氧化硅氮化硅工艺路线（1）工艺路线（2）现在学习的是第22页，共26页凸角腐蚀补偿凸角腐蚀补偿 凸角腐蚀是指在硅岛或硅梁的腐蚀成型凸角腐蚀是指在硅岛或硅梁的腐蚀成型过程中，凸角部分被腐蚀掉的现象，体过程中，凸角部分被腐蚀掉的现象，体硅各向异性腐蚀时经常出现，这是因为硅各向异性腐蚀时经常出现，这是因为对对(100)晶面的硅片体硅腐蚀时，凸角的晶面的硅片体
16、硅腐蚀时，凸角的边缘与边缘与110方向平行，而腐蚀液对此方方向平行，而腐蚀液对此方向的腐蚀速度较快。若要腐蚀出带凸角向的腐蚀速度较快。若要腐蚀出带凸角的整齐的台面结构，必须采取凸角补偿的整齐的台面结构，必须采取凸角补偿。现在学习的是第23页，共26页凸角腐蚀补偿凸角腐蚀补偿 相关尺寸相关尺寸 补偿角及补偿岛补偿角及补偿岛ddd-aba=18.43,b=53.16ooPDDLWa现在学习的是第24页，共26页凸角腐蚀补偿凸角腐蚀补偿 重掺杂自停止腐蚀法重掺杂自停止腐蚀法 当目标结构的厚度相对较薄时当目标结构的厚度相对较薄时 在加工结构前先在硅片上扩散自停止层，深度在加工结构前先在硅片上扩散自停止层，深度达到所需结构厚度，光刻后用干法腐蚀出结构达到所需结构厚度，光刻后用干法腐蚀出结构图形，然后体硅腐蚀，准确得到设计的结构。图形，然后体硅腐蚀，准确得到设计的结构。现在学习的是第25页，共26页MEMS基本结构加工工艺现在学习的是第26页，共26页