MEMS加工工艺.ppt

MEMS加工工艺 MEMS结构的特点 可动三维微尺度形状复杂材料的多样性 MEMS加工工艺分类 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 Bulkmicromachining 1960 Surfacemicromachining 1986 MEMS加工技术的种类 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 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 硅是最基本的微机械材料 微细加工技术一般都要涉及硅材料 针对微机械的微细加工也常被称为硅微细加工 SiliconMicromachining 它是微传感器 微致动器乃至MEMS迅速发展的基础技术 作为硅集成电路制造技术的延伸 硅微细加工主要是指以硅材料为基础制作各种微机械零部件 它总体上可分为体加工和表面加工两大类 IC工艺与MEMS硅工艺的联系 IC工艺路线 光刻工艺过程图 体硅微机械加工技术 硅的体加工技术包括 去除加工 腐蚀 附着加工 镀膜 改质加工 掺杂 结合加工 键合 体硅加工涉及的加工方法 特点 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加工对象通常就是单晶硅本身加工深度通常为几十微米 几百微米 甚至穿透整个硅片 与集成电路工艺兼容性差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 在以硅为基础的MEMS加工技术中 最关键的加工工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术 键合技术和表面牺牲层技术等 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 干法腐蚀干法腐蚀技术包括以物理作用为主的反应离子溅射腐蚀 以化学反应为主的等离子体腐蚀 以及兼有物理 化学作用的反应溅射腐蚀湿法腐蚀硅的湿法腐蚀是先将材料氧化 然后化学反应使一种或多种氧化物或络合物溶解 包括湿法化学腐蚀和湿法电化学腐蚀 腐蚀技术 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 腐蚀设备及原理图 湿腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液体里进行的腐蚀 一般需要对溶液进行超声或搅拌 各向同性腐蚀所用的化学试剂很多 多采用HF HNO3腐蚀系统 对于HF和HNO3加H2O 或CH3COOH 腐蚀剂 硅表面的阳极反应为Si 2e Si2 这里e 表示空穴 即Si得到空穴后从原子升到氧化态腐蚀液中的水解离发生下述反应H2O OH H HF HNO3腐蚀系统 Si2 与 OH 结合 成为 Si2 2 OH Si OH 2接着Si OH 2放出H2并形成SiO2 即 Si OH 2 SiO2 H2由于腐蚀液中存在HF 所以SiO2立即与HF反应 反应式为 SiO2 6HF H2SiF6 2H2O通过搅拌可使络合物H2SiF6远离硅片 因此称这一反应为络合化反应 显然 HF的作用在于促进阳极反应 使阳极反应产物SiO2溶解掉 不然 所生成的SiO2就会阻碍硅与H2O的电极反应 HF的作用 HF HNO3可用H2O或CH3COOH稀释 在HNO3溶液中HNO3几乎全部电离 因此H 浓度很高 而CH3COOH是弱酸 电离度较小 HNO3 CH3COOH的溶液中 H 与CH3COO 发生作用 生成CH3COOH分子 而且CH3COOH的介电场数 6 15 低于水的介电场数 81 因此在HNO3 CH3COOH混合液中H 离子浓度低 与水相比 CH3COOH可在更广泛的范围内稀释而保持HNO3的氧化能力 因此腐蚀液的氧化能力在使用期内相当稳定 同时减少H 离子使阴极反应变慢 整个腐蚀速率也随之变慢 有利于显示 H 离子浓度的影响 1 如何选择腐蚀剂 2 刻蚀的物理化学过程及优化方法 思考与讨论 2 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 1 各向异向腐蚀剂一般分为两类 一类是有机腐蚀剂 包括EPW 乙二胺 邻苯二酸和水 和联胺等另一类是无机腐蚀剂 包括碱性腐蚀液 如KOH NaOH CsOH和NH4OH等 这两类腐蚀剂具有非常类似的腐蚀现象 这里主要介绍EPW和KOH对硅的腐蚀特性 其余的仅列出其常用的腐蚀剂配比 各向异性腐蚀原理 KOH腐蚀系统常用KOH H2O和 CH3 2CHOH 异丙醇 缩写IPA 的混合液除KOH外 类似的腐蚀剂还有NaOH LiOH CsOH和NH4OH腐蚀剂 KOH系统 硅在KOH系统中的腐蚀机理 其腐蚀的反应式如下 KOH H2O K 2OH H Si 2OH 4H2O Si OH 62 即首先将硅氧化成含水的硅化物 腐蚀反应 KOH 乙二胺 NH2 CH2 2NH2 邻苯二酸 C6H4 OH 2 和水 H2O 简称EPW EPW系统 电离过程 NH2 CH2 2NH2 H2O NH2 CH2 2NH3 OH 氧化 还原过程 Si OH 4H2O Si OH 62 2H2将上两式合并2NH2 CH2 2NH2 6H2O Si Si OH 62 2NH2 CH2 2NH3 2H2 硅的腐蚀过程反应 用常规腐蚀液腐蚀硅一般是在EPW的沸点 115 下进行的 若温度降低 会在硅表面产生一些不可溶解的残留物 残留物一旦出现就难以清除掉 使被腐蚀的硅表面平整度及光滑度受到影响 为了防止EPW沸点下因蒸发而导致腐蚀液的成分改变 腐蚀系统一般用制冷回流装置 腐蚀系统可用磁搅拌方法控制腐蚀均匀性 由于蒸发后被冷凝的液体直接返回到容器会使腐蚀剂温度改变 所以在冷凝液体流入容器前应利用蒸发体进行预加热 EPW对硅的腐蚀过程注意事项 与 100 110 相比 111 面有慢的腐蚀速率 所以经过一段时间腐蚀后 所腐蚀的孔腔边界就是 111 面 硅腐蚀速率与晶体取向的关系 各向异性腐蚀剂腐蚀出微结构的特点凸角补偿技术自停止腐蚀技术 各向异性腐蚀剂腐蚀出微结构的特点 3 硅的各向异性停蚀技术 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 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 气体中利用反应性气体或离子流进行的腐蚀称为干腐蚀 干腐蚀刻蚀既可以刻蚀多种金属 也可以刻蚀许多非金属材料 既可以各向同性腐蚀 也可以各向异性刻蚀 是集成电路工艺或MEMS常用工艺 按照原理来分 可分为等离子体刻蚀 PE PlasmaEtching 反应离子刻蚀 RIE ReactionIonEtching 和感应等离子体刻蚀 ICP InductiveCouplingPlasmaEtching 等几种 干腐蚀 干腐蚀装置原理 它是在等离子气体中进行化学反应产生的腐蚀 这时感光膜可以作掩膜 它与RIE相比材料的选择性较好 腐蚀的速度较快可达15微米 min 通常用氧的等离子体去除感光胶 特别是在大量磷注入的情况下 等离子腐蚀 各向同性腐蚀 它的工作原理是 被腐蚀的基板侧施加副压 正离子加速飞向基板和它发生碰撞从而对基板进行腐蚀 另一种工作原理是 离子源与腐蚀反应室相分离 用加速后的离子进行腐蚀 这种装置的特点是试料本身不带电 离子流腐蚀 方向性腐蚀 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 5 m min 深宽比 10 1 刻蚀角度 90o 1o 掩膜 SiO2 Al 光刻胶 微泵 具有两个单向阀 当电压施加到极板上时 变形膜向上运动 此时泵室体积增加 压力减小 进水阀打开 液体流进腔室 断电后 相反 泵的基本参数 变形膜面积4 4mm2 厚度25微米 间隙4微米 工作频率1 100Hz 典型值为25Hz 流量为70mL min 体硅工艺的典型应用 驱动部分 可根据各种不同的结构采用高掺杂的硅膜 形状记忆合金 金属膜薄片等 腔体制备 采用双面氧化的硅片 首先在硅片背面开出窗口 正面用光刻胶保护 放入HF 去除SiO2 去掉光刻胶 放入KOH 腐蚀Si 直到要求的膜厚为止阀膜制备 加工工艺路线 对双面氧化的硅片进行双面光刻腐蚀SiO2 去除光刻胶 清洗用KOH腐蚀硅片双面 腐蚀深度10 15微米去除浅腐蚀面的SiO2 将深腐蚀面保护 去浅腐蚀面用于键合的金属层用密闭良好的夹具将有金属的一面保护 再用KOH进行深度腐蚀 直到腐蚀穿透整个硅片 剩下的硅膜即为阀膜厚度最后将三部分键合到一起 阀膜制备 静电微泵结构 思考与讨论 1 各向异性腐蚀剂如何选择 2 影响各向异性腐蚀剂刻蚀的关键因素 表面微机械加工以硅片微基体 通过多层膜淀积和图形加工制备三维微机械结构 硅片本身不被加工 器件的结构部分由淀积的薄膜层加工而成 结构和基体之间的空隙应用牺牲层技术 其作用是支持结构层 并形成所需要的形状的空腔尺寸 在微器件制备的最后工艺中溶解牺牲层 表面工艺 体与表面微机械技术的比较 表面微机械加工技术 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工艺兼容性好 器件可做得很小 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 关键技术 薄膜应力控制技术 防粘连技术 牺牲层技术 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 在腐蚀牺牲层同时几乎不腐蚀上面结构层和下面衬底 其关键在于选择牺牲层的材料和腐蚀液 常用的牺牲层材料 腐蚀液及结构材料 一种最简单的悬臂梁工艺 工艺过程示意图 附加凸起点工艺 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 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 键合 bonding 技术 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 圆片级封装键合 低成本高效率高可靠性 圆片级键合 划片级键合 阳极键合机性能 电压 0 2000V温度 20 500 控温精度 1 温度均匀性 5 功能 可满足2 圆片的阳极键合大气或惰性气体保护键合 共晶键合装置 多功能真空键合机性能 真空度 2 10E 4Pa温度 20 550 控温精度 0 5 温度均匀性 5 加载压力 5000N主要功能 4 硅 玻璃阳极键合 共晶键合 低温焊料键合 真空回流焊接 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 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 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 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 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 玻璃做中介的Si Si键合实验装置 采用玻璃Pyrex7440为键合中介 玻璃粉末主要成分为硼酸盐 转换温度Tg在400 左右 键合时施加一定电压 在较低的温度下 430 410 380 350 保温30min 实现Si Si键合 键合横断面的SEM图 键合强度测试示意图 键合抗拉强度研究 键合断裂面 键合断面的SEM图 键合温度350 时 基本上键合不能成功键合温度380 时 有比较弱的键合强度出现 键合强度约为2 3MPa键合温度410 时 键合强度7 8MPa 键合样件中硅圆片产生脆性断裂键合温度430 时 键合强度8MPa 实验结果 玻璃和硅层产生分层剥离 硅层和剥离层界限比较明显 键合没有使玻璃和硅片分子相互渗透 形成强力键合 380 键合样件的拉伸失效界面 20 410 键合样件的拉伸失效界面 40 硅圆片产生脆性断裂 温度与键合强度关系 压力传感器芯片 思考与讨论 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 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 LIGA工艺 LIthograpie 制版术 Gavanoformung 电铸 Abformung 塑铸 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 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 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 光才能满足 另一方面要求用于 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 三步关键工艺 深层同步辐射X射线光刻利用同步辐射 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 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 利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具 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 2 电铸成形 利用微塑铸制备微结构将电铸制成的金属微结构作为二级模板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 3 注塑 优势 1 深宽比大 准确度高 所加工的图形准确度小于0 5 表面粗糙度仅10nm 侧壁垂直度 89 9 纵向高度可达500 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 需要用产品 一根管子 工艺流程 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 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 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