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1、 第二章第二章 MEMS的制造技术的制造技术 半导体微加工技术是半导体微加工技术是MEMS制造技术的重制造技术的重要组成局部。要组成局部。普通的半导体微加工技术普通的半导体微加工技术主要是一种二维主要是一种二维加工技术，加工深度仅为加工技术，加工深度仅为数个微米数个微米。MEMS的组成局部微传感器、微处理器和的组成局部微传感器、微处理器和微驱动器都是必需具有一定厚度的三维结构，微驱动器都是必需具有一定厚度的三维结构，是三维加工技术是三维加工技术。近年来，在半导体微加工技术基础上开展起近年来，在半导体微加工技术基础上开展起来的外表来的外表MEMS加工技术，以及其它具有高深宽加工技术，以及其它具有
2、高深宽比的比的MEMS加工技术得到了迅速开展。加工技术得到了迅速开展。如：硅材料体如：硅材料体MEMS加工技术；加工技术；LIGA技术；技术；激光加工技术；激光加工技术；超精密加工技术等。超精密加工技术等。#各种加工技术都各有其本身的优点和适应的各种加工技术都各有其本身的优点和适应的加工范围；加工范围；#对于一个具体的对于一个具体的MEMS的制造、加工方法不的制造、加工方法不是唯一的。是唯一的。应根据微器件特点和现有的技术条件，选应根据微器件特点和现有的技术条件，选用适宜的一种或者几种加工方法进行组合，以用适宜的一种或者几种加工方法进行组合，以得到需要的微器件。得到需要的微器件。第第1节节 M
3、EMS的材料的材料 MEMS使用的材料有许多种。使用的材料有许多种。*具有一定的物理和力学性能完成具有一定的物理和力学性能完成MEMS某某种功能如作为传感器、驱动器使用的种功能如作为传感器、驱动器使用的功功能材料能材料；*保证运动器件在加工完成时可以运动的保证运动器件在加工完成时可以运动的牺牺牲层材料牲层材料；*MEMS运动器件使用的运动器件使用的结构材料结构材料；*作为微器件衬底的作为微器件衬底的基板材料基板材料等。等。用于基板的材料主要有：用于基板的材料主要有：1硅；硅；2砷化镓；砷化镓；3 石薄膜；石薄膜；4石英以及高分子材料。石英以及高分子材料。对材料的要求除了应具有较高的机械强度、对
4、材料的要求除了应具有较高的机械强度、轫性、价格低廉外，还希望它与轫性、价格低廉外，还希望它与半导体材料及半导体材料及加工有优良的相容性加工有优良的相容性。常用材料基本性能如表。常用材料基本性能如表B1所示，机械性能如表所示，机械性能如表B2所示。所示。一、硅材料一、硅材料 硅是硅是MEMS中最常用的材料，因为：中最常用的材料，因为：1、硅可制成、硅可制成超高纯度超高纯度，易得到接近于，易得到接近于无位错的无位错的完整晶体完整晶体、化学性能稳定和价格低廉。、化学性能稳定和价格低廉。是近几十年来集成电路制造的主要半导体是近几十年来集成电路制造的主要半导体材料。材料。已积累了丰富的硅材料微加工经验，
5、并用已积累了丰富的硅材料微加工经验，并用它制成了大规模集成电路和单片处理机等。它制成了大规模集成电路和单片处理机等。2、硅材料在、硅材料在不同结晶方向具有不同的结合能不同结晶方向具有不同的结合能，因此可采用各向异性刻蚀加工方法进行硅材料因此可采用各向异性刻蚀加工方法进行硅材料的体微机械加工。的体微机械加工。用这种方法已制得多种微机械结构，如微用这种方法已制得多种微机械结构，如微泵阀系统、微陀螺和微马达等。泵阀系统、微陀螺和微马达等。3、硅具有优良的机械性能，较好的刚度弹性、硅具有优良的机械性能，较好的刚度弹性模量与钢相近以及足够的支撑强度。模量与钢相近以及足够的支撑强度。4、硅作为微系统基板的
6、另一个优点是可方便地、硅作为微系统基板的另一个优点是可方便地将测量、控制以及计算机的接口等电路全部集将测量、控制以及计算机的接口等电路全部集成在一块基板上，缩短微机械器件和控制电路成在一块基板上，缩短微机械器件和控制电路之间的连线、减少寄生电容，降低干扰，提高之间的连线、减少寄生电容，降低干扰，提高测量精度。测量精度。5、材料的破坏性能取决于材料内部缺陷的多少。、材料的破坏性能取决于材料内部缺陷的多少。拉制的硅单晶棒材可以到达无位错的水平。拉制的硅单晶棒材可以到达无位错的水平。因此，硅具有优良的性能。因此，硅具有优良的性能。硅作为结构材料使用时，为了不增加材料内硅作为结构材料使用时，为了不增加
7、材料内部的缺陷，所以在对硅单晶加工时必须注意采用部的缺陷，所以在对硅单晶加工时必须注意采用不产生缺陷的化学刻蚀加工技术。不产生缺陷的化学刻蚀加工技术。由于硅的优良半导体性能，还可制成压力、由于硅的优良半导体性能，还可制成压力、磁敏、加速度等传感器件，从而可采用全硅材料磁敏、加速度等传感器件，从而可采用全硅材料组成完整的组成完整的MEMS。6、运用化学气相沉积、运用化学气相沉积CVD技术可在硅基技术可在硅基板外表制备多晶硅材料。板外表制备多晶硅材料。多晶硅材料具有单晶硅类似的机械性能，多晶硅材料具有单晶硅类似的机械性能，多晶硅是外表微机械加工中广泛应用的结构和多晶硅是外表微机械加工中广泛应用的结
8、构和牺牲层材料。牺牲层材料。二、二、GaAs化合物半导体材料化合物半导体材料 GaAs的电子迁移率远大于硅，因此可以制的电子迁移率远大于硅，因此可以制成成高速器件高速器件，而且与硅相比，还可在更高的温度，而且与硅相比，还可在更高的温度下运行下运行573K高温器件。高温器件。GaAs还具有还具有优良的抗辐射性能。但它的弹优良的抗辐射性能。但它的弹性模量较小，晶格缺陷比硅单晶多，故破坏强度性模量较小，晶格缺陷比硅单晶多，故破坏强度比硅低，价格昂贵。比硅低，价格昂贵。其发光性能和绝缘性能优于硅材料，故其发光性能和绝缘性能优于硅材料，故GaAs仍是重要的材料，如果能在硅基板上形成仍是重要的材料，如果能
9、在硅基板上形成GaAs，则其用途将更广泛。则其用途将更广泛。三、三、SiC材料。材料。SiC具有高熔点、高硬度，优良的化学、热具有高熔点、高硬度，优良的化学、热稳定性能，是制作在高压、高温下运行的电子器稳定性能，是制作在高压、高温下运行的电子器件的好材料。件的好材料。SiC还具有优良的抗辐射性能。以前这种材还具有优良的抗辐射性能。以前这种材料用于制造腐蚀性较强的反响器或像料用于制造腐蚀性较强的反响器或像Si3N4薄膜一薄膜一样，作为刻蚀的保护膜。样，作为刻蚀的保护膜。SiC材料也可作为材料也可作为 石薄膜的基板材料或者石薄膜的基板材料或者其它结构材料。用其它结构材料。用CVD方法制备方法制备S
10、iC薄膜时，常薄膜时，常常常较难控制较难控制Si与与C的比例的比例。四、四、石材料。石材料。近年来随着薄膜技术的开展，用多种近年来随着薄膜技术的开展，用多种CVD方法成功地制备出方法成功地制备出 石薄膜。石薄膜。石薄膜可作为石薄膜可作为微系统中的微系统中的结构材料结构材料。石是硬度最高的材料，具有较高的弹性石是硬度最高的材料，具有较高的弹性模量，而且有优良的化学稳定性。模量，而且有优良的化学稳定性。石能带中的禁带宽度较大，因此它有希石能带中的禁带宽度较大，因此它有希望用作为高温电子器件。望用作为高温电子器件。石材料的热导率极高，即散热效果较好，石材料的热导率极高，即散热效果较好，可作为功率器件
11、使用。可作为功率器件使用。石材料有可能制造紫外波段蓝光发光器件。石材料有可能制造紫外波段蓝光发光器件。石材料的另一个特性是其摩擦系数极小，石材料的另一个特性是其摩擦系数极小，与聚四氟乙烯具有相同数量级，可以制造与聚四氟乙烯具有相同数量级，可以制造MEMS的运动部件。的运动部件。石对石对X光的吸收率极低，且具有较高的机光的吸收率极低，且具有较高的机械强度，因此可利用它制备械强度，因此可利用它制备LIGA技术使用的技术使用的X光掩膜版。光掩膜版。五、石英材料。五、石英材料。石英是具有石英是具有压电性能压电性能的材料，而且具有优的材料，而且具有优良的弹性和机械稳定性，因此广泛用于制作压良的弹性和机械
12、稳定性，因此广泛用于制作压电探头。电探头。石英在石英在MEMS和集成电路中可作为基板材和集成电路中可作为基板材料。料。在湿法刻蚀加工中石英也具有明显的各向在湿法刻蚀加工中石英也具有明显的各向异性。目前已用该材料制作微加速度计、微反异性。目前已用该材料制作微加速度计、微反射镜等。射镜等。第二第二节节 半导体微加工技术半导体微加工技术 半导体微加工技术是半导体微加工技术是MEMS加工技术中不可加工技术中不可缺少的组成局部。因为这种方法可以精确控制微缺少的组成局部。因为这种方法可以精确控制微小图形的尺寸、重复性好、可靠性高、成品率高小图形的尺寸、重复性好、可靠性高、成品率高并且可以进行批量生产，所以
13、产品的成本较低。并且可以进行批量生产，所以产品的成本较低。半导体微加工技术半导体微加工技术1 图形技术：形成集成电路的微细图形。图形技术：形成集成电路的微细图形。2刻蚀技术：应用刻蚀方法去除薄膜多余刻蚀技术：应用刻蚀方法去除薄膜多余局部。局部。3薄膜技术：应用晶体在基板上生长形成薄膜技术：应用晶体在基板上生长形成薄膜、外表改性。薄膜、外表改性。由于大规模和超大规模集成电路的开展，由于大规模和超大规模集成电路的开展，当前微加工的线条宽度已到达纳米级，但当前微加工的线条宽度已到达纳米级，但MEMS应用的微加工技术仍在微米量级。应用的微加工技术仍在微米量级。一、图形技术：一、图形技术：图形技术是在图
14、形技术是在基板外表生成一定形状的基板外表生成一定形状的二维图形二维图形的方法，在微加工中图形技术一般的方法，在微加工中图形技术一般由光刻由光刻Lithography过程来实现的。过程来实现的。图形技术是从石版印刷技术演变而成的。图形技术是从石版印刷技术演变而成的。微加工技术的首要任务是设法减小图形的尺微加工技术的首要任务是设法减小图形的尺寸和提高精度。该技术包括：曝光和显影，寸和提高精度。该技术包括：曝光和显影，图形转移的方式等方面。图形转移的方式等方面。1、曝光和显影：、曝光和显影：一般来说，图形是由抗蚀剂的曝光和显影即一般来说，图形是由抗蚀剂的曝光和显影即光刻过程形成的，光刻过程形成的，曝
15、光光源曝光光源可以是：可以是：1可见和不可见光，采用光子作为能量的载可见和不可见光，采用光子作为能量的载体。体。2X射线，采用射线，采用X射线作为能量的载体。射线作为能量的载体。3电子束和离子束，采用电子和离子作为能电子束和离子束，采用电子和离子作为能量的载体。量的载体。按曝光方式可以将光刻分为：光学光刻、按曝光方式可以将光刻分为：光学光刻、X射线光刻、电子束光刻和离子束光刻。射线光刻、电子束光刻和离子束光刻。曝光和显影的机理：在光子、曝光和显影的机理：在光子、X射线、电子射线、电子和离子等能束作用下，被和离子等能束作用下，被曝光的抗蚀剂曝光的抗蚀剂发生化学发生化学变性和去除。所以抗蚀剂的敏感
16、性能应与曝光光变性和去除。所以抗蚀剂的敏感性能应与曝光光源的波长相匹配。源的波长相匹配。2、光刻中图形转移的方式：、光刻中图形转移的方式：图形转移有掩膜版式、直接刻写式进行曝光以获图形转移有掩膜版式、直接刻写式进行曝光以获得所要求的图形。得所要求的图形。一掩膜版式：一掩膜版式：1接触式掩膜板与涂有抗蚀剂的基板接触，如接触式掩膜板与涂有抗蚀剂的基板接触，如以下图所示。以下图所示。该方式的图形的分辨率和该方式的图形的分辨率和精度高，但由于掩膜版与抗蚀精度高，但由于掩膜版与抗蚀剂接触，掩膜版易损伤。剂接触，掩膜版易损伤。3投影式。投影式。2接近式为了防止接触式光刻对掩膜版接近式为了防止接触式光刻对掩
17、膜版的损伤，掩膜版与涂有抗蚀剂的基板有的损伤，掩膜版与涂有抗蚀剂的基板有5 50mm的距离，但这牺牲了图形的分辨率。的距离，但这牺牲了图形的分辨率。直接刻写无掩膜光刻通常采用电子束、直接刻写无掩膜光刻通常采用电子束、离子束或激光束进行刻写，它用记录有图形信息离子束或激光束进行刻写，它用记录有图形信息的计算机直接控制上述能束在涂有抗蚀剂的基板的计算机直接控制上述能束在涂有抗蚀剂的基板上进行扫描，使特定位置的抗蚀剂曝光。上进行扫描，使特定位置的抗蚀剂曝光。二直接刻写式：二直接刻写式：采用掩膜版式、可方便地获得多个相同图采用掩膜版式、可方便地获得多个相同图形的转印，但必须制作掩膜版。直接刻写式可形的
18、转印，但必须制作掩膜版。直接刻写式可省去该工序。省去该工序。目前尚难以对目前尚难以对X射线进行聚焦和偏转，所以射线进行聚焦和偏转，所以X射线不能适应直接刻写方法。射线不能适应直接刻写方法。一般来说，通过掩膜进行图形转印会带来一般来说，通过掩膜进行图形转印会带来附加的误差，所以理想的方法是采用计算机进附加的误差，所以理想的方法是采用计算机进行直接刻写。这是微加工技术开展的方向。行直接刻写。这是微加工技术开展的方向。下面继续介绍抗蚀剂。下面继续介绍抗蚀剂。直接刻写是开展方向：直接刻写是开展方向：2正性抗蚀剂正性抗蚀剂正胶正胶：感光的局部在显：感光的局部在显影时被适当的溶剂溶解，在基板上形成的图形影
19、时被适当的溶剂溶解，在基板上形成的图形与掩模板上的与掩模板上的图形相同图形相同。3、正负抗蚀剂：、正负抗蚀剂：微细加工中采用了两种抗蚀剂：负性抗蚀微细加工中采用了两种抗蚀剂：负性抗蚀剂负胶，正性抗蚀剂正胶剂负胶，正性抗蚀剂正胶1负性抗蚀剂负性抗蚀剂负胶负胶：曝光后，由于掩：曝光后，由于掩膜版的遮档基板上未感光的局部在显影时被适膜版的遮档基板上未感光的局部在显影时被适当的溶剂溶解，在基板上形成的图形与掩模板当的溶剂溶解，在基板上形成的图形与掩模板上的上的图形相反图形相反。图图B1是采用正性抗蚀剂光学光刻过程的示是采用正性抗蚀剂光学光刻过程的示意图，由图可见光刻过程可分为抗蚀剂的涂布、意图，由图可
20、见光刻过程可分为抗蚀剂的涂布、曝光和显影三个工序，从而得到需要的图形。曝光和显影三个工序，从而得到需要的图形。图图B-1 光学光刻过程示意图正性抗蚀剂光学光刻过程示意图正性抗蚀剂 评估各种光刻技术性能参数主要有：评估各种光刻技术性能参数主要有：1分辨率；分辨率；2线宽；线宽；3准确度；准确度；4失真度；失真度；5套刻精度；套刻精度；6成品率、成品率、产出率产出率。以下分别加以讨论。以下分别加以讨论。4、光刻技术性能参数：、光刻技术性能参数：图形技术中线条的图形技术中线条的最小宽度即线宽最小宽度即线宽常被用来常被用来作为光刻技术的分辨率。作为光刻技术的分辨率。1分辨率：分辨率：在工业生产中成品率
21、和产出率是不可无视的。在工业生产中成品率和产出率是不可无视的。分辨率在不同领域有不同含义：分辨率在不同领域有不同含义：物理上对分辨率的定义是能清楚地区分图物理上对分辨率的定义是能清楚地区分图形中形中两点之间的距离两点之间的距离。工程上分辨率通常用单位长度上可分辨的工程上分辨率通常用单位长度上可分辨的高高反差线对的数量反差线对的数量来表示。来表示。2准确度：准确度：准确度表示实际尺寸对标准值的偏差。准确度表示实际尺寸对标准值的偏差。3失真度：失真度：失真度表示图形各局部尺寸的相对变化。失真度表示图形各局部尺寸的相对变化。5成品率、产出率：成品率、产出率：成品率表示合格产品相对投入总数的百分成品率
22、表示合格产品相对投入总数的百分比。产出率表示单位时间内生产的数量。比。产出率表示单位时间内生产的数量。4套刻精度：套刻精度：套刻精度表示相同过程产生的图形之间相套刻精度表示相同过程产生的图形之间相吻合的程度。吻合的程度。3)甩掉多甩掉多余的胶余的胶4)溶剂挥发溶剂挥发1)滴胶滴胶2)加速旋转加速旋转涂胶：采用旋涂法。涂胶：采用旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均匀涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均匀性性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。光学光刻是当前用得最广泛的光刻技术，采光学光刻是当前用得最广泛的光刻技术，采用用紫外光紫外光作为曝光光
23、源时，可得到作为曝光光源时，可得到1 m 左右的左右的分辨率，分辨率，0.5 m的套刻精度和每小时曝光的套刻精度和每小时曝光100片片的产出率。的产出率。5、光学光刻：、光学光刻：进一步提高光学光刻分辨率受到光的衍射进一步提高光学光刻分辨率受到光的衍射的限制。的限制。光的波长光的波长 越短分辨率越高。越短分辨率越高。光学系统分辨率光学系统分辨率 X取决于曝光采用光源的取决于曝光采用光源的波长波长：X=K/N A B1 K是与抗蚀剂材料和曝光工艺有关的常数，是与抗蚀剂材料和曝光工艺有关的常数，一般为一般为0.6-0.8之间。之间。N A为光学系统的数值孔径，通常在为光学系统的数值孔径，通常在0.
24、4-0.5之间。之间。6、光刻方法：、光刻方法：为了提高光刻为了提高光刻图形的分辨率需要采用更短图形的分辨率需要采用更短波长光源进行曝光波长光源进行曝光，包括远紫外光、，包括远紫外光、X射线、电射线、电子束或离子束等。子束或离子束等。曝光用的曝光用的X射线的波长范围在射线的波长范围在0.4 5nm，可以防止常规光刻中遇到的衍射问题。可以防止常规光刻中遇到的衍射问题。以下图为不同光刻技术的比较。以下图为不同光刻技术的比较。图图B2 不同光刻技术的比较不同光刻技术的比较7、半影畸变和几何畸变：、半影畸变和几何畸变：光源的直径光源的直径和和光线的发散光线的发散将造成半影畸变将造成半影畸变和几何畸变。
25、和几何畸变。半影畸变半影畸变 是由于光源具有一定直径所引起是由于光源具有一定直径所引起的。的。几何畸变是由射线束的发散产生的。几何畸变是由射线束的发散产生的。X射线接近式射线接近式曝光装置图曝光装置图 由由X射线束的发散产生的几何畸射线束的发散产生的几何畸变变 为：为：s为掩膜和样品间距；为掩膜和样品间距；D为光源到掩膜为光源到掩膜的距离；的距离；W为样品的半径。为样品的半径。几何畸变几何畸变X射线接近式射线接近式曝光装置图曝光装置图 由于光源具有一定直径由于光源具有一定直径d引引起的半影畸变起的半影畸变为：为：s为掩膜和样品的间距；为掩膜和样品的间距；D为光源到掩膜的距离。为光源到掩膜的距离
26、。D DWW半影畸变半影畸变 为保护掩膜以及防止掩膜和基板的接触造为保护掩膜以及防止掩膜和基板的接触造成缺陷，希望间隔成缺陷，希望间隔s足够大，通常间隔取足够大，通常间隔取10 m左右。左右。对于高分辨率系统，半影畸变对于高分辨率系统，半影畸变 须控制在须控制在10 m以下，因此要求以下，因此要求D/d 100。在高分辨率系统中，要求几何畸变在高分辨率系统中，要求几何畸变 小于小于0.1 m以下，由于目前集成电路用的硅片尺寸以下，由于目前集成电路用的硅片尺寸在在6英寸以上，这就对英寸以上，这就对s的变化提出了很高的要的变化提出了很高的要求。可以采用分布重复的方法进行曝光，保证求。可以采用分布重
27、复的方法进行曝光，保证样品尺寸样品尺寸W在很小的范围。在很小的范围。8、电子束：、电子束：电子束与电子束与X射线相比，不仅波长更短射线相比，不仅波长更短，而且能，而且能用电场和磁场使其用电场和磁场使其偏转偏转以及对电子以及对电子速度进行调制速度进行调制，所以电所以电子能量子能量可以在相当大的范围内进行调节。可以在相当大的范围内进行调节。电子束可以在计算机控制下电子束可以在计算机控制下直接进行图形的刻蚀直接进行图形的刻蚀，也可以通过特殊掩膜进行图形转印。也可以通过特殊掩膜进行图形转印。电子束斑可以聚集到电子束斑可以聚集到 10 nm。当束流足当束流足够大时，可以在够大时，可以在107秒时间内使抗
28、蚀剂曝光。秒时间内使抗蚀剂曝光。图图B4 电子束曝光装置电子束曝光装置原理图原理图 电子束曝光装置如图电子束曝光装置如图B-4所示，电子束图形发生所示，电子束图形发生装置的电子光学系统与扫装置的电子光学系统与扫描电子显微镜非常相似。描电子显微镜非常相似。从阴极电子枪发射出来的从阴极电子枪发射出来的电子束由电子束由静电场加速、磁静电场加速、磁场聚集场聚集、最后由电场和磁、最后由电场和磁场控制使电子束以一定的场控制使电子束以一定的轨迹偏转，从而得到需要轨迹偏转，从而得到需要的图形。的图形。9、离子束：、离子束：离子束具有比电子束更短的波长，因此用离离子束具有比电子束更短的波长，因此用离子束可以得到
29、更高的分辨率子束可以得到更高的分辨率，但离子束加工的设，但离子束加工的设备更加复杂，这种加工方法近期尚未在微系统中备更加复杂，这种加工方法近期尚未在微系统中有应用的可能，为此本节不进行讨论。有应用的可能，为此本节不进行讨论。二、薄膜技术：二、薄膜技术：薄膜材料是制造微结构器件的基础，因此薄薄膜材料是制造微结构器件的基础，因此薄膜生长在微加工中占有重要地位。膜生长在微加工中占有重要地位。不同的器件对膜厚的要求差异很大，可以从不同的器件对膜厚的要求差异很大，可以从零点几纳米的单分子直到数微米或更大厚度。零点几纳米的单分子直到数微米或更大厚度。薄膜的外表和界面状况、晶体结构和晶体的薄膜的外表和界面状
30、况、晶体结构和晶体的取向排列、化学成分和膜层结构以及各种物理性取向排列、化学成分和膜层结构以及各种物理性能等都对器件的功能有直接影响。能等都对器件的功能有直接影响。按制备薄膜的方法有真空蒸镀、溅射淀积、按制备薄膜的方法有真空蒸镀、溅射淀积、电离团束淀积、电镀和涂覆五种。电离团束淀积、电镀和涂覆五种。1、薄膜分类：、薄膜分类：按薄膜形成的过程，主要有三类：按薄膜形成的过程，主要有三类：淀积膜淀积膜 外延膜外延膜 外表改性。外表改性。1淀积膜：淀积膜：淀积膜与基板之间有明显的界面。例如在半淀积膜与基板之间有明显的界面。例如在半导体基板上沉积金属膜或介质膜，导体基板上沉积金属膜或介质膜，膜层与基板的
31、膜层与基板的材料组成不同，可以是晶体也可以是非晶体材料组成不同，可以是晶体也可以是非晶体。2外延膜：外延膜：外延膜与基板之间有外延膜与基板之间有相同或非常接近的晶相同或非常接近的晶体结构体结构，膜层的晶格通常是基板晶格的延伸，膜层的晶格通常是基板晶格的延伸，或与基板晶体共格。或与基板晶体共格。膜层与基板的材料的组成可以相同，例如膜层与基板的材料的组成可以相同，例如硅片上外延硅；也可以不相同，如在硅片上外延硅；也可以不相同，如在 GaAs基板基板上生长上生长GaAlAs的异质结构。的异质结构。外延技术有如下几种：外延技术有如下几种：金属有机化合物化学气相淀积金属有机化合物化学气相淀积MOCVD等
32、。等。外延技术有：外延技术有：气相外延气相外延VPE，也称化学气相淀积也称化学气相淀积CVD；液相外延液相外延LPE；分子束外延分子束外延MBE；3外表改性：外表改性：外表改性是通过基板的外表改性是通过基板的外表化学反响外表化学反响，如硅片，如硅片氧化生成氧化生成SiO2，或其它过程，如扩散，离子注入和或其它过程，如扩散，离子注入和离子交换等在基板外表形成化学组成、材料结构和离子交换等在基板外表形成化学组成、材料结构和性能参数与基板体内部有性能参数与基板体内部有明显差异的膜层明显差异的膜层。其特点。其特点是整体性好，但不易获得突变的界面，往往存在一是整体性好，但不易获得突变的界面，往往存在一定
33、厚度的过渡区。定厚度的过渡区。下表是微加工技术中薄膜生长方法及其特点的下表是微加工技术中薄膜生长方法及其特点的比较。详细介绍如下：比较。详细介绍如下：硅材料的氧化后，可得氧化硅薄膜。硅氧化硅材料的氧化后，可得氧化硅薄膜。硅氧化有多种方法，其中以热氧化应用最为普遍。有多种方法，其中以热氧化应用最为普遍。热氧化硅比其它沉积得到的氧化硅薄膜具有热氧化硅比其它沉积得到的氧化硅薄膜具有更好的特性。更好的特性。氧化硅薄膜可用于硅外表的保护氧化硅薄膜可用于硅外表的保护如在各向如在各向异性腐蚀中、扩散和离子注入时的掩膜、电解异性腐蚀中、扩散和离子注入时的掩膜、电解质薄膜以及基底和其它材料的界面等。质薄膜以及基
34、底和其它材料的界面等。2、几种膜生长方法：几种膜生长方法：1氧化氧化 通常是将硅片置于通常是将硅片置于9001200的氧化的氧化环境干氧、水汽或湿氧中，使硅与氧气环境干氧、水汽或湿氧中，使硅与氧气或水蒸汽发生反响，从而制得氧化硅薄膜。或水蒸汽发生反响，从而制得氧化硅薄膜。反响式为：反响式为：Si+O2 SiO2干氧氧化干氧氧化Si+2H2O水蒸汽水蒸汽 SiO2+2H2 水汽氧化水汽氧化 干氧氧化得到的氧化硅，结构致密、枯燥、干氧氧化得到的氧化硅，结构致密、枯燥、均匀性和重复性好、掩膜能力强，与抗蚀剂的均匀性和重复性好、掩膜能力强，与抗蚀剂的粘附性好，光刻时不易浮胶，钝化效果好。但粘附性好，光
35、刻时不易浮胶，钝化效果好。但氧化的速率慢。氧化的速率慢。水汽氧化水汽氧化速率快速率快，但得到的氧化硅的，但得到的氧化硅的结构结构疏松疏松，对磷扩散的掩膜能力差，稳定性也不理，对磷扩散的掩膜能力差，稳定性也不理想，在器件生产中很少单独采用水汽氧化。想，在器件生产中很少单独采用水汽氧化。氧化的过程可以理解为：首先是氧化剂氧化的过程可以理解为：首先是氧化剂氧氧气或水汽气或水汽与硅片外表的硅原子起化学反响形成与硅片外表的硅原子起化学反响形成外表的氧化硅，而后氧不断向内层扩散进入氧化外表的氧化硅，而后氧不断向内层扩散进入氧化硅和硅的界面，发生化学反响形成新的氧化硅，硅和硅的界面，发生化学反响形成新的氧化
36、硅，使氧化硅薄膜增厚。因此氧化的速率受到以下两使氧化硅薄膜增厚。因此氧化的速率受到以下两种因素的限制：种因素的限制：i硅和氧化剂在界面的硅和氧化剂在界面的反响速率反响速率；ii氧在已经形成的氧化膜中的氧在已经形成的氧化膜中的扩散速率扩散速率。一般在氧化膜较厚时，后者占主导地位，因一般在氧化膜较厚时，后者占主导地位，因此氧化膜的厚度的增加取决于氧在膜内的扩散速此氧化膜的厚度的增加取决于氧在膜内的扩散速度，与时间的关系是度，与时间的关系是非线性非线性的。在特定的温度下，的。在特定的温度下，氧化膜的厚度与时间成抛物线关系。同时氧化的氧化膜的厚度与时间成抛物线关系。同时氧化的速率还与硅片的晶向、掺杂的
37、杂质种类和浓度以速率还与硅片的晶向、掺杂的杂质种类和浓度以及氧化气体的分压有关。及氧化气体的分压有关。电子束加热法可以蒸发熔点较高的金属如电子束加热法可以蒸发熔点较高的金属如W、Mo、Ta等，沉积的速率高，没有发热材等，沉积的速率高，没有发热材料的沾污。料的沾污。2真空蒸发：真空蒸发：蒸发是通过加热方法将需要制备薄膜的材料蒸发是通过加热方法将需要制备薄膜的材料在真空在真空104-105Pa中中气化气化，随后，随后沉积在沉积在基板外表基板外表获得薄膜的方法。获得薄膜的方法。加热一般采用电阻加热或电子束加热方法。加热一般采用电阻加热或电子束加热方法。电阻加热法电阻加热法简单、经济，但蒸发的薄膜可简
38、单、经济，但蒸发的薄膜可能受发热材料的能受发热材料的沾污沾污。在蒸发过程中，常常将在蒸发过程中，常常将基板置于行星式装基板置于行星式装片装置片装置上，使基板在薄膜沉积过程中，不但围上，使基板在薄膜沉积过程中，不但围绕行星旋转轴旋转，还围绕基板的中心轴旋转。绕行星旋转轴旋转，还围绕基板的中心轴旋转。这可以改善薄膜的均匀性和由于这可以改善薄膜的均匀性和由于阴影效应阴影效应，出，出现薄膜内部不均匀等问题。现薄膜内部不均匀等问题。溅射是用带溅射是用带正电荷的气正电荷的气体离子体离子轰击靶材外表，使靶轰击靶材外表，使靶材原子从其外表材原子从其外表逸出逸出，沉积，沉积在基板上的过程。溅射腔室在基板上的过程
39、。溅射腔室的本底真空一般为的本底真空一般为104 -105 Pa，溅射时使用的溅溅射时使用的溅射气体通常为惰性气体氩气。射气体通常为惰性气体氩气。如右图所示。如右图所示。3溅射：溅射：图图B5 溅射装置结溅射装置结构示意图构示意图 磁控溅射和离子束溅射等。磁控溅射和离子束溅射等。这种沉积方法适合于金属、合金以及电解这种沉积方法适合于金属、合金以及电解质材料。质材料。应用溅射获得的应用溅射获得的薄膜致密、成分易于控制薄膜致密、成分易于控制，因此得到迅速开展。因此得到迅速开展。目前已经开发了多种溅射方法：目前已经开发了多种溅射方法：直流溅射直流溅射射频溅射射频溅射一直流溅射：一直流溅射：在直流溅射
40、时在直流溅射时靶材阴极靶材阴极和和基板阳极基板阳极之间附加高的直流电压，使溅射气体发生辉光放之间附加高的直流电压，使溅射气体发生辉光放电形成离子，由于正离子对阴极靶材的轰击，电形成离子，由于正离子对阴极靶材的轰击，使使靶材外表的原子溅出靶材外表的原子溅出，沉积到基板的外表。，沉积到基板的外表。二射频溅射：二射频溅射：射频溅射是在靶材和基板之间附加频率为射频溅射是在靶材和基板之间附加频率为13.56 MHz的射频电压。的射频电压。它可以溅射电解质材料，因为在射频电压它可以溅射电解质材料，因为在射频电压的作用下，电压的前半周绝缘材料外表聚集的的作用下，电压的前半周绝缘材料外表聚集的正电荷可以在后半
41、周被中和，使得溅射能继续正电荷可以在后半周被中和，使得溅射能继续进行。进行。三磁控溅射：三磁控溅射：磁控溅射是在靶材的底部加上永久磁铁，磁控溅射是在靶材的底部加上永久磁铁，使靶的外表产生与电场方向垂直的磁场，电子使靶的外表产生与电场方向垂直的磁场，电子在磁场的作用下被限制在靶外表上一个较窄小在磁场的作用下被限制在靶外表上一个较窄小的区域里沿的区域里沿近似摆线的轨迹运动近似摆线的轨迹运动，从而增加了，从而增加了电子与气体分子的碰撞次数，增加了等电子与气体分子的碰撞次数，增加了等离子体离子体的密度的密度，因此可降低工作气压，提高溅射速率。，因此可降低工作气压，提高溅射速率。由于这种溅射可在较低的工
42、作气压下进行，由于这种溅射可在较低的工作气压下进行，得到的薄膜杂质少。另外靶材轰击出来的二次得到的薄膜杂质少。另外靶材轰击出来的二次电子受磁场的约束不再直接轰击基板，使得沉电子受磁场的约束不再直接轰击基板，使得沉积过程中基板保持在较低温度，可得到性能优积过程中基板保持在较低温度，可得到性能优良的器件。良的器件。四其它溅射：四其它溅射：上述溅射中，选择了一定的靶材后，在制上述溅射中，选择了一定的靶材后，在制备工艺上需控制溅射的气压、气体的流量、电备工艺上需控制溅射的气压、气体的流量、电压压功率功率、基板的温度和偏压等参数，从而、基板的温度和偏压等参数，从而实现对薄膜特性的控制。实现对薄膜特性的控
43、制。如果在溅射气体中参加一定量的反响气体如果在溅射气体中参加一定量的反响气体如如N2，O2等等，就会在基板上获得靶材和反，就会在基板上获得靶材和反响气体的化合物薄膜，这就是所谓的响气体的化合物薄膜，这就是所谓的反响溅射反响溅射。离子束溅射离子束溅射的溅射离子不是由辉光放电产生，的溅射离子不是由辉光放电产生，而是来自独立的而是来自独立的离子源离子源。离子在电场作用下进入。离子在电场作用下进入真空室，轰击靶材上的原子。这种方法使离子束真空室，轰击靶材上的原子。这种方法使离子束的能量和束流不取决于靶材，可以的能量和束流不取决于靶材，可以单独进行控制单独进行控制，而且可以调节入射角，以获得较高的溅射效
44、率。而且可以调节入射角，以获得较高的溅射效率。溅射腔中的真空度较高溅射腔中的真空度较高高于高于1.33103Pa，薄膜中的杂质较少。此方法也可以用于薄膜中的杂质较少。此方法也可以用于电介质材料的沉积，其电荷的积累通过灯丝发射电介质材料的沉积，其电荷的积累通过灯丝发射的电子加以消除。的电子加以消除。化学气相沉积化学气相沉积CVD是指一种或几种气是指一种或几种气态态化合物在基板的外表反响化合物在基板的外表反响形成固态薄膜的过形成固态薄膜的过程。程。4化学气相沉积化学气相沉积CVD：化学反响的能量由加热、光化学或等离子化学反响的能量由加热、光化学或等离子放电等提供。放电等提供。化学气相沉积具有生产量
45、大，薄膜的厚度、化学气相沉积具有生产量大，薄膜的厚度、成分、结构易于控制，与基板具有很好的粘接成分、结构易于控制，与基板具有很好的粘接性和良好的电学特性等优点。性和良好的电学特性等优点。五金属有机化合物化学气相沉积五金属有机化合物化学气相沉积 MOCVD。化学气相沉积的种类很多，目前最常用的化学气相沉积的种类很多，目前最常用的有：有：一一常压化学气相沉积常压化学气相沉积APCVD；二低压化学气相沉积二低压化学气相沉积LPCVD；三三离子增强化学气相沉积离子增强化学气相沉积PECVD；四四紫外光或微波增强的化学气相沉紫外光或微波增强的化学气相沉 积光辅助积光辅助CVD，MPECVD；化学气相沉积
46、设备一般由反响腔、基板架、化学气相沉积设备一般由反响腔、基板架、可控的气体导入系统、温度可控的基板加热系统可控的气体导入系统、温度可控的基板加热系统等组成，如以下图所示。等组成，如以下图所示。图图B6 LPCVD 反应器及系统反应器及系统 常压常压CVD载气用量大，产量较低。在低压载气用量大，产量较低。在低压CVD中，需要有真空系统，工作气压在中，需要有真空系统，工作气压在10-1000 Pa。由于工作气压较低，有利于气体向基由于工作气压较低，有利于气体向基板的扩散，改善了薄膜的均匀性。板的扩散，改善了薄膜的均匀性。三温区加热炉薄膜制备过程中，可以通过控三温区加热炉薄膜制备过程中，可以通过控制
47、温度、温度梯度、总压力、反响气体的气压、制温度、温度梯度、总压力、反响气体的气压、抽气速率和基板间隙来实现对沉积材料性质的控抽气速率和基板间隙来实现对沉积材料性质的控制。制。当然物理增强沉积薄膜的性质还与采用的增当然物理增强沉积薄膜的性质还与采用的增强手段等因素有关。强手段等因素有关。沉积薄膜的控制：沉积薄膜的控制：离子增强离子增强CVD、光辅助光辅助CVD、微波增强微波增强CVD等分别需要增加射频发生系统、紫外光或微波系等分别需要增加射频发生系统、紫外光或微波系统。由于这些物理因数，促使反响气体离解因而统。由于这些物理因数，促使反响气体离解因而降低了反响器的温度，有利于器件的制备。降低了反响
48、器的温度，有利于器件的制备。金属有机化合物金属有机化合物CVD是利用金属有机化合物是利用金属有机化合物分解的温度较低，从而可在较低反响温度沉积薄分解的温度较低，从而可在较低反响温度沉积薄膜，得到外延生长的化合物半导体薄膜。膜，得到外延生长的化合物半导体薄膜。金属有金属有机化合物机化合物CVD得到的薄膜纯度和质量较高。得到的薄膜纯度和质量较高。金属金属有机化合物有机化合物CVD装置的结构示意图如以下图所示。装置的结构示意图如以下图所示。图图B7 MOCVD装置的结构示意图装置的结构示意图 a立式反响管立式反响管 b卧式反响管卧式反响管 由于化学气相沉积所用的气体大多具有毒性由于化学气相沉积所用的
49、气体大多具有毒性和爆炸性等危险，化学气相沉积设备都需放置在和爆炸性等危险，化学气相沉积设备都需放置在带有通风的净化台内，废气应加淋洗处理，有时带有通风的净化台内，废气应加淋洗处理，有时在排放之前还需加以稀释等措施。在排放之前还需加以稀释等措施。5扩散与离子注入：扩散与离子注入：掺杂是半导体技术中的主要工艺之一，它是掺杂是半导体技术中的主要工艺之一，它是将所需的杂质按要求的浓度与分布掺入半导体材将所需的杂质按要求的浓度与分布掺入半导体材料的特定区域中，以改变材料的特定区域的电学料的特定区域中，以改变材料的特定区域的电学性质。性质。扩散和离子注入是最常用的掺杂方法。扩散和离子注入是最常用的掺杂方法
50、。一扩散：一扩散：扩散通常分两步完成，预扩散和再分布。扩散通常分两步完成，预扩散和再分布。1预扩散：杂质原子从预扩散：杂质原子从扩散源输送到基板外表扩散源输送到基板外表，并向基板内部扩散。由于预扩散的温度较低，所并向基板内部扩散。由于预扩散的温度较低，所以扩散的较浅。此步的目的是为了以扩散的较浅。此步的目的是为了控制杂质的数控制杂质的数量量。2再分布：将预扩散到基板外表的杂质作为再分布：将预扩散到基板外表的杂质作为扩扩散源散源，在高温下进行扩散。扩散的同时往往进行，在高温下进行扩散。扩散的同时往往进行氧化。再分布的目的为了得到所需的氧化。再分布的目的为了得到所需的扩散深度和扩散深度和浓度浓度。