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1、硅微硅微MEMS加工工艺加工工艺EMAIL：电话：电话：62772232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微公司研制出低成本集成硅微加速度传感器，用于汽车气囊。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。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，追求大质
2、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。硅微硅微MEMS工艺主要手段工艺主要手段MEMS与与IC工艺主要差别工艺主要差别典型硅微典型硅微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合技术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)各各向向异异性性腐腐蚀蚀液液通通常常对对单单晶晶硅硅(111)面面的的腐腐蚀蚀速速率率与与(100)面面的的腐腐蚀蚀速速率
3、率之之比比很很大大，因因为：为：(111)面面有有较较高高的的原原子子密密度度，水水分分子子容容易易附附着着在在(111)面上；面上；(100)面面每每个个原原子子具具有有两两个个悬悬挂挂键键，而而(111)面面每每个个原原子子只只有有一一个个悬悬挂挂键键，移移去去(111)面面的的原原子子所所需的能量比需的能量比(100)面要高。面要高。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
4、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。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是是腐腐蚀蚀后后坑坑底底的的边边长长，b是是掩掩膜膜版版上上窗窗口口的的边边长长，d是是腐腐蚀蚀深深度度，=54.74，是是(100)面面和和(111)面面的的夹夹角角。是是各各向向异异性性比比，R(100)和和R(100)分分别别是是腐腐蚀蚀液液对对(100)面面和和(111)面面的的腐腐蚀蚀速速率率，和和腐腐蚀蚀液的种类及腐
5、蚀条件有关。液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：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,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)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，
6、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。腐蚀设备腐蚀设备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牺牲层技术牺牲层技术属硅表面加工技术。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
7、。动部件的微机械结构。牺牲层材料牺牲层材料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。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；)光光刻刻氧氧化化层层，开开体体硅硅腐腐蚀蚀窗窗口；口；)体硅腐蚀出所需底层结构；体硅腐蚀出所需底层结构；)去除去除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
8、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。自停止腐蚀技术自停止腐蚀技术机理：机理：EPW和和 KOH对对 硅硅 的的 腐腐 蚀蚀 在在 掺掺 杂杂 浓浓 度度 小小 于于1 1019cm-3时时基基本本为为常常数数，超超过过该该浓浓度度时时，腐腐蚀蚀速速率率与与掺掺杂杂硼硼浓浓度度的的4次次方方成成反反比比，达达到到一一定定的的浓浓度度时，腐蚀速率很小，甚至可以认为腐蚀时，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为为低低速速区区的的腐腐蚀蚀速速率率，N0为为阈阈值值浓浓度度，NB为为掺掺杂杂浓度，
9、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。自停止腐蚀典型工艺流程自停止腐蚀典型工艺流程双面光刻双面光刻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。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
10、布，且两面的图形上下反对称分布，则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；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；子图形不左右对称分布，且两面的图形上下对称分布，则硅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心。或背向中心。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
11、，腐蚀Si3N4和和SiO2；)体硅腐蚀。体硅腐蚀。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。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硅腐蚀时，凸角的边缘与边缘与110
12、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。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
13、的结构。MEMS基本结构加工工艺9、静夜四无邻，荒居旧业贫。5月-235月-23Saturday,May 13,202310、雨中黄叶树，灯下白头人。16:10:4116:10:4116:105/13/2023 4:10:41 PM11、以我独沈久，愧君相见频。5月-2316:10:4116:10May-2313-May-2312、故人江海别，几度隔山川。16:10:4116:10:4116:10Saturday,May 13,202313、乍见翻疑梦，相悲各问年。5月-235月-2316:10:4116:10:41May 13,202314、他乡生白发，旧国见青山。13 五月 20234:1
14、0:41 下午16:10:415月-2315、比不了得就不比，得不到的就不要。五月 234:10 下午5月-2316:10May 13,202316、行动出成果，工作出财富。2023/5/13 16:10:4116:10:4113 May 202317、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。4:10:41 下午4:10 下午16:10:415月-239、没有失败，只有暂时停止成功！。5月-235月-23Saturday,May 13,202310、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。16:10:4116:10:4116:105/13/2023 4:
15、10:41 PM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。5月-2316:10:4116:10May-2313-May-2312、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。16:10:4116:10:4116:10Saturday,May 13,202313、不知香积寺，数里入云峰。5月-235月-2316:10:4116:10:41May 13,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。13 五月 20234:10:41 下午16:10:415月-2315、楚塞三湘接，荆门九派通。五月 234:10 下午5月-2316:10May 13,202316、少年十
16、五二十时，步行夺得胡马骑。2023/5/13 16:10:4116:10:4113 May 202317、空山新雨后，天气晚来秋。4:10:41 下午4:10 下午16:10:415月-239、杨柳散和风，青山澹吾虑。5月-235月-23Saturday,May 13,202310、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。16:10:4116:10:4116:105/13/2023 4:10:41 PM11、越是没有本领的就越加自命不凡。5月-2316:10:4116:10May-2313-May-2312、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。16:10:4116:10:4116:10Satur
17、day,May 13,202313、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。5月-235月-2316:10:4116:10:41May 13,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。13 五月 20234:10:41 下午16:10:415月-2315、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。五月 234:10 下午5月-2316:10May 13,202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/5/13 16:10:4116:10:4113 May 202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。4:10:41 下午4:10 下午16:10:415月-23MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感感 谢谢 您您 的的 下下 载载 观观 看看专家告诉