ChMEM工艺光刻腐蚀PPT课件

1、MEMS技术技术唐 军 第1页/共50页第三章 MEMS工艺 MEMS工艺概念 MEMS工艺分类第2页/共50页MEMS工艺概念 工艺：劳动者利用生产工具对各种原材料，半成品进行加工和处理,改变它们的几何形状，外形尺寸，表面状态，内部组织，物理和化学性能以及相互关系，最后使之成为预期产品的方法及过程。 工艺技术：是人类在劳动中逐渐积累起来并经过总结的操作技术经验， 它是应用科学，生产实践及劳动技能的总和。5层多晶硅工艺技术体硅工艺第3页/共50页前工序、后工序、辅助制作工序 前工序：是指从原始晶片开始直到中测封装之前的所有工序过程。如果对前工序进行归纳分类，主要包括以下三类技术：图形转换技术：

2、主要包括光刻、刻蚀等技术；薄膜制备技术：主要包括外延、氧化、化学气相沉积、物理 气相沉积（如溅射、蒸发）等；掺杂技术：主要包括扩散和离子注入等技术。后工序：是指从中测开始到完成直到出厂之间的所有工序，主要包括划片、封装、测试、老化、筛选等。第4页/共50页辅助工序：为了保证前工序的顺利进行所需要的一些辅助性的工艺技术。主要的有以下几种：超净厂房技术：MEMS制造必须在超净环境中进行，环境中尘埃等将直接影响集成电路的成品率和可靠性。集成电路的规模越大、特征尺寸越小，要求的环境净化程度高。光刻间的净化度一般要求达到1级甚至级。级是描述净化度的一个单位，1级的含义是指在1立方英寸的空间内大于的尘埃数

3、必须小于1个。超净水、高纯气体制备技术：在集成电路工艺中使用的水、气（如氧气、氮气、氢气、硅烷）等都必须具有非常高的纯度。光刻掩膜版制备技术：一般有专门的工厂制作光刻所使用的掩膜版材料准备技术：主要包括拉单晶、切片、磨片、抛光等管壳制备、超纯水化学试剂制备等等第5页/共50页 MEMS工艺分类 光刻（Lithography） 刻蚀（Etching） 化学气相沉积（CVD） 物理气相沉积(PVD) 氧化 扩散与离子注入 退火 LIGA工艺第6页/共50页光刻（ Lithography ）石版（litho ）写（graphein）重要性重要性：是唯一不可缺少的工艺步骤，是一个复杂的工艺流程光刻光刻

4、是加工制造集成电路图形结构以及微结构的关键工艺之一。 光刻工艺光刻工艺就是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合腐蚀方法在各种薄膜或硅上制备出合乎要求的图形，以实现制作各种电路元件、选择掺杂、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。第7页/共50页u光刻三要素光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机u光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体u光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变光刻胶的性能指标光刻胶的性能指标(1)分辨率分辨率：分辨率是指用某种光刻胶光刻时所能得到的最小尺寸 (2)灵敏度灵敏度：光刻胶的感光灵

5、敏度反映了光刻胶感光所必须的照射量(3)粘附性粘附性：光刻胶与衬底之间粘附的牢固程度(4)抗腐蚀性抗腐蚀性：光刻工艺要求光刻胶在坚膜后，能够较长时间(5)稳定性稳定性：光刻工艺要求光刻胶在室温和避光情况下加入了增感剂也不发生暗反应，在烘干燥时，不发生热交联(6)针孔密度针孔密度：单位面积上的针孔数(7)留膜率留膜率：指曝光显影后的非溶性胶膜厚度于曝光前胶膜厚度之比第8页/共50页第9页/共50页光刻的工艺流程一般分为：氧化、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀和去胶。第10页/共50页负胶负胶两种组成部份的芳基氮化物橡胶光刻胶Kodak KTFR（敏感氮化聚慔戌二烯橡胶） 分辨率差，适于加工线宽

6、3m的线条；这类光刻胶粘附力强，耐腐蚀，容易使用和价格便宜，是常用的光刻胶。 正胶正胶PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光刻胶由重氮醌酯（DQ）和酚酫树酯（N）两部分组成的DNQ。 分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶第11页/共50页第12页/共50页光刻工艺具体过程 一、清洗和烘干l作用：保证硅片表面无灰尘、油脂、水，保证粘附性和光刻质量l清洗不好，会造成脱胶、表面灰尘导致粘版、部分图形不感光等光刻缺陷。l表面不干燥，会造成脱胶l如果硅片搁置较久或返工，应重新清洗烘干，烘干后立即甩胶。l氧化、蒸发后可立即甩胶，不必清洗。第13页/共50页清洗设备超临界干燥 兆声清洗设备 硅片甩干机

7、第14页/共50页设备：甩胶台。在硅片表面涂覆一层粘附性好，厚度适当，厚薄均匀的光刻胶。一般采用旋转法，针对不同的光刻胶黏度和厚度要求，选择不同的转速。可分辨线宽是胶膜厚度的58倍。 旋转法涂敷装置旋转法涂敷装置第15页/共50页第16页/共50页 前烘就是在一定温度下，使胶膜里的溶剂缓慢地挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。前烘的温度和时间随胶的种类和膜厚不同而有所差别。 前烘方式：烘箱烘烤、红外光照射、热板处理第17页/共50页 设备：光刻机 对准：使掩膜的图形和硅片上的图形精确套合。 曝光：对光刻胶进行选择性光化学反应，使光刻胶改变在显影液中的溶解性。 通常采用紫外接触曝光法

8、光刻胶：高灵敏度，高反差，均匀，产量大。光刻机投影光刻机影响曝光质量的主要因素影响曝光质量的主要因素曝光时间氮气释放氧气的影响驻波的影响光线平行度的影响第18页/共50页几种常见的曝光方法几种常见的曝光方法接触式曝光：分辨率较高，容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(1025m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上第19页/共50页五、显影(Development)正胶去曝光部分，负胶去未曝光部分部分光刻胶需要超声显影显影时间根据光刻胶种类、膜厚、显影液种类、显影温度和操作方法确定。显影后检查光

9、刻质量，不合格的返工。显影台甩干机刷版机显影台烘箱第20页/共50页 除去显影时胶膜吸收的显影液和水分，改善粘附性，增强胶膜抗腐蚀能力。 坚膜的温度和时间要适当 坚膜时间短，抗蚀性差，容易掉胶；坚膜时间过长，掩膜难以去除，或开裂。 腐蚀时间长的可以采取中途多次坚膜用适当的腐蚀剂对显影后暴露的表面进行腐蚀，获得光刻图形第21页/共50页八、去胶 溶剂去胶：含氯的烃化物做去胶剂。 氧化去胶：强氧化剂，如浓硫酸，双氧水和氨水混合液 等离子体去胶 剥离工艺剥离工艺剥离工艺在光刻工艺中，有一种代替刻蚀方法的工艺，我们称之为剥离工艺（Lift-Off）。在剥离工艺中，首先形成光刻图形，然后沉积薄膜，最后用

10、化学试剂去除光刻胶，此时连同不需要的薄膜一同除去，这个过程正好与刻蚀过程相反。第22页/共50页第23页/共50页SiSiO2光刻胶光刻前烘氧化涂胶掩膜版曝光第24页/共50页SiSiO2光刻胶光刻显影腐蚀坚膜去胶第25页/共50页超细线条光刻技术10Gb0.04520102013？/2第26页/共50页远紫外曝光技术：紫外线（200-500nm）可分为G-线（436）、i-线（365）和远紫外线（200-290）。248nm、193nm、m、0.18 m、0.13 m电子束曝光技术：效率低，设备昂贵，图形容易畸变。可直写，小于0.1 m离子束曝光技术：效率低，设备昂贵。可直写，没有散射，小于

11、0.1 mX射线曝光技术：设备昂贵，小于2nm，对掩膜要求高第27页/共50页 MEMS工艺分类 光刻（Lithography） 刻蚀（Etching） 化学气相沉积（CVD） 物理气相沉积(PVD) 氧化 扩散与离子注入 退火 LIGA工艺第28页/共50页刻蚀 湿法腐蚀 各向异性 各向同性 自停止腐蚀技术 凸角补偿技术 干法刻蚀 深槽技术第29页/共50页湿法刻蚀：指利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法，湿法腐蚀的主要优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低。它的主要缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。第30页/共50页第31页/共50页u体硅各向异性腐蚀 是利用

12、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，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。 机理：腐蚀液发射空穴给硅，形成氧化态Si+Si+，而羟基OH-OH-与Si+Si+形成可溶解的硅氢氧化物的过程。 各向异性腐蚀液通常对单晶硅(111)(111)面的腐蚀速率与(100)(100)面的腐蚀速率之比很大（1 1：400400），因为：水分子的屏蔽作用，(111)(111)面有较高的原子密度，水分子容易附着在(111)(111)面上； (100)(100)面每个原子具有两个悬挂键，而(111)(111)面每个原子只有一个悬挂键，移去(111)(111)面

13、的原子所需的能量比(100)(100)面要高。第32页/共50页掩膜薄膜衬底（a）各向异性100110111不同的晶面悬挂键密度（表面态密度）第33页/共50页各向异性腐蚀液 腐蚀液： 无机腐蚀液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等； 有机腐蚀液：EPW、TMAH和联胺等。 常用体硅腐蚀液： 氢氧化钾(KOH)系列溶液； EPW(E：乙二胺，P：邻苯二酚，W：水)系列溶液。 乙二胺(NH2(CH2) 2NH2) 邻苯二酚(C6H4(OH) 2) 水(H2O)第34页/共50页影响各向异性腐蚀的主要因素(1) 溶液及配比(2) 温度第35页/共50页u各向同性腐蚀硅的各向同性腐蚀在半

14、导体工艺中以及在微机械加工技术中有着极为广泛的应用。常用的腐蚀液为HF-HNO3加水或者乙酸系统。腐蚀机理为：首先是硝酸同硅发生化学反应生成SiO 2，然后有HF将SiO 2溶解。222623HOHHNOSiFHHFHNOSi掩膜薄膜衬底各向同性第36页/共50页u自停止腐蚀技术 机理： EPW和KOH对硅的腐蚀在掺杂浓度小于11019cm-3时基本为常数，超过该浓度时，腐蚀速率与掺杂硼浓度的4次方成反比，达到一定的浓度时，腐蚀速率很小，甚至可以认为腐蚀“停止”。 （1） 重掺杂自停止腐蚀(KOH和EDP：51013/cm3，RE/RD100) （2）(111)面停止 （3） 时间控制 （4）

15、P-N结自停止腐蚀 （5）电化学自停止腐蚀第37页/共50页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）第38页/共50页1、薄膜自停止腐蚀 薄膜自停止腐蚀是指晶片刻蚀到最后，终止于其它不会被刻蚀所影响的薄膜，这层薄膜可以是氧化硅、氮化硅、富硅氮化硅、聚亚酰胺，甚至是金属。 利用薄膜自停止腐蚀必须考虑刻蚀选择性，以及薄膜应力问题，因为应力太大将使薄膜发生破裂。第39页/共50页 KOH对硅的腐蚀在掺杂浓度超过阈值浓N0(约为51019CM-3)时，腐蚀速率很小，轻掺杂与重掺杂硅的腐蚀速率之比高达数百倍，可以认为KOH溶液对重掺杂硅基本上不腐蚀。2 、重掺杂自停止腐蚀

16、技术第40页/共50页 高掺杂硼有两个缺点： 与标准的CMOS工艺不兼容 导致高应力，使得材料易碎或弯曲 重掺杂硼的硅腐蚀自停止效应比重掺杂磷的硅明显，所以工艺中常采用重掺杂硅作为硅腐蚀的自停止材料。第41页/共50页 KOH溶液对（100）和（111）面硅的腐蚀速率差别很大，可高达100400倍，因此可利用（111）面作为停止腐蚀的晶面。3、（111）面自停止腐蚀（111）面自停止腐蚀工艺流程第42页/共50页4、电化学自停止腐蚀 电化学自停止腐蚀技术不需要重掺杂层，由于用了外延技术，因此腐蚀自停止层可以做的很厚。第43页/共50页干法腐蚀 侠义的干法刻蚀主要是指利用等离子体放电产生的化学过

17、程对材料表面的加工 广义上的干法刻蚀则还包括除等离子体刻蚀外的其它物理和化学加工方法，例如激光加工、火花放电加工、化学蒸汽加工以及喷粉加工等。干法刻蚀的优点：具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的选择比大、能进行自动化操作等干法刻蚀的过程：1腐蚀性气体离子的产生；2离子向衬底的传输3衬底表面的腐蚀；4腐蚀反应物的排除第44页/共50页干法腐蚀的主要形式：*纯化学过程：（等离子体腐蚀 )*纯物理过程： (离子刻蚀、离子束腐蚀）*物理化学过程：反应离子腐蚀RIE ，离子束辅助自由基腐蚀ICP.在化学腐蚀方法中，惰性气体（如四氟化碳）在高频或直流电场中受到激发并分解（如形成氟离子），然后与被腐蚀材

18、料起反应形成挥发性物质；在物理腐蚀方法中，利用放电时所产生的高能惰性气体离子对材料进行轰击，腐蚀速率与轰击粒子的能量、通量密度以及入射角有关；在物理化学结合的方法中，既有粒子与被腐蚀材料的碰撞，又有惰性气体与被腐蚀材料的反应。第45页/共50页等离子体腐蚀 利用气体辉光放电电离和分解稳定的原子所形成的离子和活性物质，与被腐蚀的固体材料作用，产生挥发性的物质或气态产品。 刻蚀过程主要是化学反应刻蚀，是各向同性的，主要作为表面干法清洗工艺。等离子体腐蚀的主要现象和特点 （1）各向同性腐蚀（2）各向异性腐蚀（3）溅射腐蚀第46页/共50页（1）速率高 （2）环境清洁，工艺兼容性好。（3）掩膜选择性好 300：1（4）表面形貌好，无应力集中现象（5）无晶向限制（1）好的截面形状，易于满足铸模要求。（2）高的腐蚀速率，适于体硅要求。（3）利用各向同性腐蚀，满足牺牲层腐蚀要求。（4）可用于活动结构制作。（5）可用于高深宽比结构制作主要特点主要特点适应性适应性第47页/共50页离子束刻蚀（IBEIBE） 离子束刻蚀是利用具有一定能量的离子轰击材料表面，使材料原子发生溅射，从而达到刻蚀目的. 把Ar、Kr或Xe之类惰性气体充入离子源放电室并使其电离形成 等离子体，然后由栅极将离子呈 束状引出并加速，具有一定能量