传感器工艺(中科大)

1、第3章 传感器工艺 图3-1 应用不同的加工方法所能得到的加工精度 典型的微传感器加工技术 以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基微传感器； 以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造出小机器，再利用小机器制造出微机器的方法； 以德国为代表的LIGA技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成深层微结构的方法。 微传感器制造工艺从工艺上讲，微传感器制造技术分为部件及子系统制造工艺和封装工艺。前者包括半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等，后者包括硅加工技术、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

2、焊、多芯片组件工艺等。 典型材料的微加工工艺 注：人头发的直径大约是7080m。头发与MEMS蜘蛛腿与MEMS 火柴与微汽车 3.1 分离加工 3.1.1 腐蚀工艺 主要有化学腐蚀（湿法）和离子刻蚀（干法）两大类。 湿法腐蚀：包括各向异性化学腐蚀、电化学腐蚀、掺杂控制的选择性腐蚀等。 干法腐蚀 它是利用粒子轰击对材料的某些部位进行选择性地剔除的一种工艺方法。它包括等离子刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、离子束化学刻蚀(CAIBE)、反应离子刻蚀(RIBE)和离子研磨等。 图3-2 湿法腐蚀 图3-3 离子刻蚀 3.1.2 牺牲层技术 图3-4 牺牲层技术 图3-5 硅微机械麦克风敏感膜片结构的一角

3、 3.2 附加加工 3.2.1 薄膜工艺 在微型传感器中，利用真空蒸镀、溅射成膜、物理气相沉积、化学气相沉积（CVD）、等离子化学气相沉积等工艺，形成各种薄膜，如多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、金属（合金）膜 化学气相沉积 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)技术是利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态沉积物的工艺过程。它一般包括三个步骤:产生挥发性物质；将挥发性物质输运到沉积区； 于基体上发生化学反应而生成固态产物。 图3-6 开管法CVD反应器 图3-7 封管法CVD反应器 真空蒸镀 真空蒸镀是在高真空环境中，将蒸发材料加热至蒸发温度蒸发后而

4、冷凝在要镀膜的基体上的过程。大型蒸镀设备主要由镀膜室、工作架、真空系统、电器控制四部分组成。溅射成膜工艺 溅射方式有射频溅射、直流溅射和反应溅射等多种，其中射频溅射应用广泛。 图3-8 射频磁控溅射设备示意图 图3-9 磁控溅射原理示意图图3-10 激光层裂法测量薄膜附着力实验方案示意图1.约束层 2.能量 3.基体 4.薄膜3.2.2 光刻技术 为了实现向特征尺寸为0.1的跨越，出现了下一代光刻技术，如深紫外光刻(DUV)、电子束投影光刻(EBL)、X射线光刻(XRL)、离子束投影光刻(IBL)、极紫外光刻(EUV)和压印光刻技术(NIL)。 深紫外光刻 图3-11 深紫外光刻工艺 电子束光

5、刻 图3-12 电子束投影光刻系统X射线光刻 射线源 图3-13 三种点射线源 射线光刻的曝光方式 接近式曝光 X射线接近式曝光中的关键工艺是掩膜版的制备，由于接近式曝光采用的是1:1掩膜，即掩膜版的图形和芯片上的图形是一样大的，因此要比投影缩小光刻需要的掩膜版的制备要困难的多。 投影式曝光 在投影光刻中，掩膜图形投影成像在晶片平面上，由于常采用投影缩小的曝光方式，因此可提供比接近式曝光更高的分辨率，并且掩膜版图形大于实际电路图形也使掩膜版制作起来较为容易。 压印光刻 图3-14 压印工艺原理 3.2.3 LIGA技术 图3-15 典型的LIGA工艺过程 3.3 辅助工艺 软封接、硬封接和装配

6、工艺。 3.3.1粘接粘接 目前，大多应用有溶剂的双组分环氧树脂粘接剂，固化后在-65到150使用，便有足够的机械强度。环氧树脂粘接剂被称为“万能胶”，它具有粘接强度高，耐化学介质性能好，耐稳性好，胶层收缩率小，可室温固化，施工工艺简单等优点。但未经改性的环氧树脂粘接剂脆性大，耐冲击性能差，耐热性能不够理想等缺点，常需通过改性方法提高产品性能。 3.3.2共晶键合共晶键合固体时无溶解度或只有部分溶解度的二元系相图中往往有一个共晶点。共晶点时三相共存。共晶成份的液相具有最低熔点。也就是说共晶点的温度比两种固体的熔点都低。在共晶点温度下将能形成共晶的两种固体相互接触，经过互扩散后便可在其间形成具有

7、共晶成份的液相合金。随时间延长，液层不断增厚。冷却后液层又不断交替析出两种固相。每种固体一般又以自己的原始固相为基础而发展壮大、结晶析出。因此两种固体之间的共晶能将两种固体紧密的键合在一起。3.3.3玻璃密封玻璃密封玻璃密封广泛的应用于电子真空管中。玻璃封接的温度取决于密封玻璃的成份，一般在415和650之间。3.3.4阳极键合阳极键合图3-16 静电键合设备 3.3.5冷焊冷焊冷焊是指两种金属层在高压、低温下不熔融而相互连接起来。所需压力随层厚降低和温度升高而降低。连接的质量和持久性强烈依赖于表面的清洁度和加工质量。3.3.6钎焊钎焊与共晶键合相反，用软焊料钎焊连接芯片时，硅不发生熔化。钎焊

8、时，参与金属化连接的两金属被焊剂浸润再连接起来。钎焊时，原始的硅表面不能被焊剂所浸润，因此必须对硅表面进行金属化处理。3.3.7硅硅-硅直接键合硅直接键合硅-硅直接键合是硅片在高温下的平面接合过程。键合时，将两块经去离子水充分清洗干净的硅抛光圆片再用处理，在无尘条件下接触迭合在一起，放入1050的管式炉中加热1小时后取出。于是两个圆片便自然的连接在一起。3.3.8微装配微装配图3-17 Schematic diagram of microassembly system 3.4封装技术封装技术对于微电子来说，封装的功能是对芯片和引线等内部结构提供支持和保护，使之不受外部环境的干扰和腐蚀破坏；而对

9、于微传感器封装来说，除了要具备以上功能以外，更重要的是微传感器要和外部环境之间形成一个接触界面而获取非电信号。一般说来，微传感器封装比集成电路封装昂贵得多，仅封装成本就占总成本的70%以上。 封装层次结构图3-18 给出了机器或系统的封装层次结构 据中国电子报2009年7月9日报道， 经国家发改委批准，以国内集成电路封测领军企业江苏长电科技股份公司为依托，联合中科院微电子研究所、清华大学微电子所，深圳微电子所、深南电路有限公司等5家机构，共同组建的我国首家“高密度集成电路封装技术国家工程实验室”，日前在位于无锡江阴的长电科技挂牌，这标志着国家重点扶持的集成电路封装技术产学研相结合的工程实验平台

10、正式启动。 3.4.1芯片级封装芯片级封装引线键合是半导体工业中应用最多、最广泛的一种互连工艺。引线键合是将半导体芯片焊区与电子封装外壳的输入/输出引线或基板上技术布线用金属细丝连接起来的工艺技术。焊接方式主要有热压焊、超声键合焊和金丝球焊。倒装焊芯片生产工艺流程 图3-19 倒装焊芯片生产工艺流程示意图3.4.2 圆片级封装圆片级封装圆片级封装（Wafer Level Package，简称WLP）是一种全新的封装思想，和传统的工艺将封装的各个步骤分开来加工不同，WLP 用传统的IC 工艺一次性完成后道几乎所有的步骤，包括装片、电连接、封装、测试、老化，所有过程均在圆片加工过程中完成，之后再划

11、片，划完的单个芯片即是已经封装好的成品；然后利用该芯片成品上的焊球阵列，倒装焊到PCB 板上实现组装。 3.4.3系统级封装系统级封装所谓系统级封装，是指将多个具有不同功能的有源组件与无源组件，以及诸如微机电系统（MEMS）、光学（Optics）元件等其它元件组合在同一封装中，成为可提供多种功能的单颗标准封装组件，形成一个系统或子系统。实现SIP的方法很多，主要包括多芯片组件技术和3D封装两大技术。3.4 质量控制质量控制微传感器的失效分析技术主要包括：光学显微镜、扫描电子显微镜、扫描激光显微镜、原子力显微镜、聚焦离子束、红外显微镜等。微传感器是电子和机械的有机结合，其可靠性主要包括机械、电子

12、、材料以及机械与电子部分相互作用时的可靠性等，其失效分析手段比集成电路更为复杂。3.4.1 微测试技术微测试技术二维微几何量检测可以采用普通光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）。由于具有较高的分辨率，SEM目前已成为微传感器设计、制造中最常用的观测仪器之一。三维微几何量测试的方法可以概括为两类：一类是从传统的几何量检测技术发展和改进而来；另一类则是根据被测件的材料和结构特点专门设计的，如基于计算机视觉的硅片厚度测量、实时蚀刻深度检测等。目前在微传感器设计、制造中比较常见的材料特性测量包括测量材料的断裂模数、弹性模量、应力应变等。 3.4.2 可靠性技术可靠性技术微传感器的可靠性是设计出来的、生

13、产出来的、使用出来的。选用合适的加工材料提高器件的可靠性；采用模拟仿真等技术来加强可靠性设计与仿真；根据质量块的大小，选择合适的支撑和微铆合固定结构；保持清洁、良好的加工环境，严防尘埃等微小颗粒对器件的影响；防止电压部件的短路等。3.5 洁净室 洁净室系指应用空气净化技术改善生产、科研及其它工作环境，对空气质量及尘埃粒子、温度、湿度、压力、噪声、照度、风速和浮游菌等微环境进行有效控制的相对密闭空间，分为百级区（洁净度高） 、千级区、万级区和10万级区（洁净度低） 。人净、物净设施 空气吹淋室:高速洁净气流吹落、清除人员表面附着的微粒；设在洁净室人员入口处，并与洁净服更衣室相邻。气闸室、缓冲间:垂直单向流洁净室入口；阻隔室外或邻室的污染气流、压差控制；洁净室（区）与非洁净室（区）之间必须设；洁净室（区）的物料出入口设置，并配置清洁措施；物料传递用洁净室专用传递窗。洁净工作服:各类、各等级的洁净服不得混用，并应分别清洗、整理；质地光滑、不产生静电、不脱落纤维和颗粒；无菌洁净服必须包盖全部头发、