硅微机电系统加工技术简介

1、刘东栋刘东栋浙江大学微系统中心浙江大学微系统中心浙江大学微系统中心2l自从肖特基（自从肖特基（SchockleySchockley）等人在）等人在19471947年年发明晶体管以来，科技进入了微电子时发明晶体管以来，科技进入了微电子时代。现在微电子已发展到了代。现在微电子已发展到了ULSIULSI（甚大（甚大规模），加工精度到了深亚微米至量子规模），加工精度到了深亚微米至量子级别。级别。浙江大学微系统中心3但作为一个完整的信息系统而言，微电子只是但作为一个完整的信息系统而言，微电子只是其中的信息处理单元，一个完整的系统应包括其中的信息处理单元，一个完整的系统应包括三个部分：三个部分：信息采集单

2、元传感器信息处理单元信息执行单元执行器浙江大学微系统中心4浙江大学微系统中心5浙江大学微系统中心6所谓的微系统就发展重点而言，是指微传感所谓的微系统就发展重点而言，是指微传感器和微执行器单元。器和微执行器单元。浙江大学微系统中心7 现在微系统中大量使用硅作为加工的原料，使现在微系统中大量使用硅作为加工的原料，使用半导体工艺作为基本加工手段，是基于以下用半导体工艺作为基本加工手段，是基于以下几点考虑：几点考虑： 硅材料来源广泛，价格便宜。有得到完美单晶硅材料来源广泛，价格便宜。有得到完美单晶的制备经验。的制备经验。 硅材料独特的机械性质，如强度、杨氏模量等硅材料独特的机械性质，如强度、杨氏模量等

3、性质（详见下表）性质（详见下表） 可以享有积数十年之力积累下完整的硅电路加可以享有积数十年之力积累下完整的硅电路加工技术成果，研发投入小。工技术成果，研发投入小。 可以照搬微电子的大规模生产方式，重复性好可以照搬微电子的大规模生产方式，重复性好，成品率高，生产成本低。，成品率高，生产成本低。浙江大学微系统中心8表一表一 单晶硅的机械性能对比单晶硅的机械性能对比 材料材料屈服强度屈服强度(105 N/cm2)洛氏硬度洛氏硬度(105 g/cm2)杨氏模量杨氏模量(107 N/cm2)密度密度(g/cm2)热导率热导率(W/cm.c)热胀系数热胀系数(10-6/ C)*金刚石金刚石53700010

4、.353.5201.0*SiC2124807.03.23.53.3*Si3N41434863.853.10.190.8*铁铁12.64001.967.80.80312SiO28.48200.732.50.0140.55*硅硅7.08501.92.31.572.33钢（最高钢（最高强度）强度）4.215002.17.90.9712W4.04854.119.31.784.5不锈钢不锈钢2.16602.07.90.32917.3 *表示单晶表示单晶浙江大学微系统中心9l 现在硅微机械系统的制造还是基于现在硅微机械系统的制造还是基于IC常规工艺，如刻蚀、光刻、外延、掺常规工艺，如刻蚀、光刻、外延、掺杂

5、工艺等等，也有微机械特有的工艺杂工艺等等，也有微机械特有的工艺,如如键合。用以加工出悬臂梁、孔、轴、弹键合。用以加工出悬臂梁、孔、轴、弹簧等用于微机械的结构。簧等用于微机械的结构。浙江大学微系统中心10 氧化工艺是氧化工艺是IC工艺的基础，主要用途为：工艺的基础，主要用途为： 对硅表面进行钝化保护对硅表面进行钝化保护 在扩散、刻蚀工艺工程中对图形进行屏蔽在扩散、刻蚀工艺工程中对图形进行屏蔽保护保护 作为电绝缘材料作为电绝缘材料 在硅表面微机械加工中当作牺牲层在硅表面微机械加工中当作牺牲层氧化工艺的实现方式有两种：热生长法氧化工艺的实现方式有两种：热生长法和化学气相淀积法（和化学气相淀积法（CV

6、D） 浙江大学微系统中心11热生长法热生长法 就是在高温条件下（就是在高温条件下（900 C-1100 C），使），使氧气（干氧法）或水蒸汽（湿氧法）通过单氧气（干氧法）或水蒸汽（湿氧法）通过单晶硅、多晶硅表面，使硅发生反应，生长出晶硅、多晶硅表面，使硅发生反应，生长出SiO2反应方程式：反应方程式：Si + O2 = SiO2 (干氧干氧) Si + 2H2O = SiO2 + 2H2 (湿氧湿氧) 浙江大学微系统中心12特点：特点：1 热生长法是一种自限制的过程。热生长法是一种自限制的过程。2 热氧化过程中，硅作为反应物从而被消耗减热氧化过程中，硅作为反应物从而被消耗减少，消耗少，消耗Si

7、的厚度与生长的厚度与生长SiO2的厚度比为的厚度比为 1：2.33 热生长出来的热生长出来的SiO2薄膜较淀积生长的薄膜较淀积生长的SiO2膜膜致密，两者之间腐蚀速度比较见表致密，两者之间腐蚀速度比较见表2.1.1应用应用：热生长：热生长SiO2薄膜主要用于表面钝化，薄膜主要用于表面钝化，屏蔽保护。屏蔽保护。浙江大学微系统中心132.1.2 CVD(chemical vapor deposition)法：是一种法：是一种将反应物以蒸汽形式送入反应室，在一定条件下将反应物以蒸汽形式送入反应室，在一定条件下发生发应，生成固态物质沉积在加工对象表面的发生发应，生成固态物质沉积在加工对象表面的一种薄膜

8、生长方法。加工示意图如下：一种薄膜生长方法。加工示意图如下：鼓泡器鼓泡器加热装置加热装置淀积室淀积室硅片硅片尾气处理尾气处理浙江大学微系统中心14在微系统加工中，大量使用低压化学气相淀积在微系统加工中，大量使用低压化学气相淀积技术（技术（LPCVD），），LPCVD根据反应温度和反根据反应温度和反应机理不同，有可分为：应机理不同，有可分为：LTO,TEOS,HTO等等,反应方程式为：反应方程式为：LTO：SiH4+O2=SiO2+2H2TEOS：Si(C2H5O)4+12O2=SiO2+8CO2+10H2O在在TEOS中，产生副产物水，会使中，产生副产物水，会使SiO2膜质量膜质量下降，所以现

9、在工业生产中大量使用下降，所以现在工业生产中大量使用LTO。LPCVD提供了一种生长较大厚度提供了一种生长较大厚度SiO2膜的方膜的方法，几种生长方法比较如下表：法，几种生长方法比较如下表：浙江大学微系统中心15 淀积方法淀积方法热氧化热氧化LTOLEOS源气体源气体O2SiH4+O2TEOS+O2工艺温度工艺温度()900-1100400-500700组分组分SiO2SiO2(H)SiO2(Cl)密度密度(g/3)2.22.12.2强度强度(109dyne/cm2)3C3T1C TEOS:Si(OC2H5)4 浙江大学微系统中心16氧化氧化法法 49 HFBHF 28ml49% HF+113

10、g NH3F+170ml H2OP-Etch 15ml 49% HF+10ml HNO3+300ml H2O热氧化热氧化69001000-2500128LTO1090049001200不同生长不同生长SiO2的腐蚀速度比较（的腐蚀速度比较（A）浙江大学微系统中心17特点及应用特点及应用可以生长大于可以生长大于1m m厚的厚的SiO2薄膜，这在硅表面微薄膜，这在硅表面微机械中有重要应用。机械中有重要应用。LPCVD法生长的法生长的SiO2质地疏松，可以用作牺质地疏松，可以用作牺牲层。牲层。浙江大学微系统中心18l 光刻是一种图形转移动的方法，即通过光刻是一种图形转移动的方法，即通过曝光，把光刻版

11、上的图形转移到光刻胶曝光，把光刻版上的图形转移到光刻胶上，再通过刻蚀等方法转移到硅片上。上，再通过刻蚀等方法转移到硅片上。光刻的工艺流程为：光刻的工艺流程为：浙江大学微系统中心19带掩膜的硅片带掩膜的硅片硅片清洗硅片清洗前烘前烘对准曝光对准曝光显影显影刻蚀掩膜刻蚀掩膜去除未暴光的胶去除未暴光的胶浙江大学微系统中心20带掩膜的硅片带掩膜的硅片硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心21清洗、上胶、前清洗、上胶、前烘烘硅硅掩膜掩膜光刻胶光刻胶浙江大学微系统中心22光刻版光刻版对位曝光对位曝光硅硅掩膜掩膜光刻胶光刻胶浙江大学微系统中心23显影显影硅硅掩膜掩膜光刻胶光刻胶浙江大学微系统中心24刻蚀掩膜刻蚀掩膜硅

12、硅掩膜掩膜光刻胶光刻胶浙江大学微系统中心25去除未曝光的光刻胶去除未曝光的光刻胶硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心26光刻胶按曝光工作波长，可分为紫外光光刻胶按曝光工作波长，可分为紫外光刻胶，电子束光刻胶和刻胶，电子束光刻胶和X光光刻胶。光光刻胶。紫外光刻胶：分为负型光刻胶和正型光紫外光刻胶：分为负型光刻胶和正型光刻胶两种。刻胶两种。 负型光刻胶曝光部分为不溶解性负型光刻胶曝光部分为不溶解性 正型光刻胶曝光部分为可溶解性。正型光刻胶曝光部分为可溶解性。浙江大学微系统中心27光刻版光刻版掩模掩模光刻胶光刻胶负型光刻胶曝光示意图负型光刻胶曝光示意图浙江大学微系统中心28光刻版光刻版掩模掩模光刻胶光刻胶

13、正型光刻胶曝光示意图正型光刻胶曝光示意图浙江大学微系统中心29l按工作波长，光刻可分为近紫外光刻，按工作波长，光刻可分为近紫外光刻，远紫外光刻，电子束光刻和远紫外光刻，电子束光刻和X X光光刻等。光光刻等。在在ICIC生产中大量使用的是远紫外光刻。生产中大量使用的是远紫外光刻。l按光刻的工作方式，可分为接触式光刻，按光刻的工作方式，可分为接触式光刻，和投影步进式光刻，其中步进式光刻是和投影步进式光刻，其中步进式光刻是当今当今ICIC工业生产的主流。工业生产的主流。浙江大学微系统中心30接触式光刻：就是将光学掩膜用接触式光刻：就是将光学掩膜用0.050.05到到0.30.3个大气压压在涂胶的基片

14、上进行曝光。可以得个大气压压在涂胶的基片上进行曝光。可以得到到1 1微米的线宽。微米的线宽。投影光刻：就是掩膜版远离基片，将掩膜上投影光刻：就是掩膜版远离基片，将掩膜上的图案投影到光刻胶上进行曝光的方法。投影的图案投影到光刻胶上进行曝光的方法。投影光刻可分为光刻可分为1 1：1 1投影和投影和N N：1 1步进式投影两种。步进式投影两种。 特点：特点：1 1 曝光精度高曝光精度高 2 2 掩膜版使用寿命长掩膜版使用寿命长 3 3 光路复杂光路复杂浙江大学微系统中心31刻蚀工艺是微机械最重要对工艺，它主刻蚀工艺是微机械最重要对工艺，它主要是用于制作三维结构，另外还可以对要是用于制作三维结构，另外

15、还可以对表面抛光。表面抛光。 刻蚀工艺分为湿法腐蚀和干法刻蚀两种。刻蚀工艺分为湿法腐蚀和干法刻蚀两种。刻蚀对对象可以是：硅、砷化镓等半导刻蚀对对象可以是：硅、砷化镓等半导体，金属、多晶硅等导体，二氧化硅、体，金属、多晶硅等导体，二氧化硅、氮化硅等绝缘体。氮化硅等绝缘体。 浙江大学微系统中心32湿法腐蚀主要应用在体硅微机械的加工湿法腐蚀主要应用在体硅微机械的加工中，用于加工微结构。中，用于加工微结构。湿法腐蚀的反应机理是电化学反应。湿法腐蚀的反应机理是电化学反应。（反应方程式见下页）（反应方程式见下页）湿法腐蚀有各向同性腐蚀和各向异性腐湿法腐蚀有各向同性腐蚀和各向异性腐蚀两种。蚀两种。浙江大学微

16、系统中心33湿法腐蚀反应机理：络合化物反应湿法腐蚀反应机理：络合化物反应阳极反应式阳极反应式 SiSi+2h+2h+ + Si Si2+2+SiSi2 2与与( (OH)OH)- -结合：结合：SiSi2+2+ +2(OH) +2(OH) SiSi(OH)(OH)2 2SiSi(OH)(OH)2 2分解分解：SiSi(OH)(OH)2 2SiOSiO2 2+H+H2 2用用 H FH F 溶 解溶 解 S i OS i O2 2， 生 成 络 合 物， 生 成 络 合 物 H H2 2S i FS i F6 6：SiOSiO2 2+6HFH+6HFH2 2SiFSiF6 6+2H+2H2 2O

17、 O浙江大学微系统中心34l各向同性腐蚀就是腐蚀液对各个晶向的各向同性腐蚀就是腐蚀液对各个晶向的腐蚀速度相同的腐蚀。腐蚀速度相同的腐蚀。l典型的腐蚀液：典型的腐蚀液：49HF69HNO3CH3COOH ，即，即HNA溶液。反应方程式：溶液。反应方程式：SiHNO36HFH2SiF6H2NO2H2OH2 特点及特点及应用：对应用：对SiO2腐蚀明显，不能用腐蚀明显，不能用SiO2作掩膜。主要用于平面抛光。作掩膜。主要用于平面抛光。浙江大学微系统中心35硅硅掩膜掩膜光刻胶光刻胶各向同性腐蚀示意图各向同性腐蚀示意图浙江大学微系统中心36l各项异性腐蚀是不同晶向的腐蚀速度不各项异性腐蚀是不同晶向的腐蚀

18、速度不同的腐蚀。同的腐蚀。l面腐蚀速度最慢，面腐蚀速度最慢，面腐蚀速面腐蚀速度最快，度最快，面速度居中。面速度居中。l应用：利用各个晶面腐蚀速度的不同，应用：利用各个晶面腐蚀速度的不同，可以加工出各种微结构。可以加工出各种微结构。浙江大学微系统中心3754.75。,晶向各向异性腐蚀图晶向各向异性腐蚀图浙江大学微系统中心38 各向异性腐蚀液主要有两种：乙二胺，邻各向异性腐蚀液主要有两种：乙二胺，邻苯二酚和水的混合液（苯二酚和水的混合液（EDPEDP）；）；KOHKOH和水的混合和水的混合液。液。 EDPEDP最适合微机械的加工，其特点是：最适合微机械的加工，其特点是：能进行各向异性腐蚀，可以加工

19、出各种独特能进行各向异性腐蚀，可以加工出各种独特点形状。点形状。选择腐蚀性强，适用于选择腐蚀性强，适用于SiOSiO2 2，SiSi3 3N N4 4，CrCr，AuAu等多种材料作掩膜的腐蚀。等多种材料作掩膜的腐蚀。腐蚀速度和掺杂浓度密切相关。腐蚀速度和掺杂浓度密切相关。浙江大学微系统中心39 KOH KOH的水溶液（有时加入异丙醇），的水溶液（有时加入异丙醇），也是进行各向异性腐蚀的常用溶液，缺点也是进行各向异性腐蚀的常用溶液，缺点是对是对SiOSiO2 2的腐蚀速度较快，腐蚀时要注意的腐蚀速度较快，腐蚀时要注意SiOSiO2 2层的厚度。必要时可使用层的厚度。必要时可使用SiSi3 3N

20、 N4 4作掩膜。作掩膜。浙江大学微系统中心40KOH各向异性腐蚀例图各向异性腐蚀例图浙江大学微系统中心41腐蚀液腐蚀液典型配典型配比比温度温度腐蚀速腐蚀速度度(um/min)/腐腐蚀速度比蚀速度比与掺杂的与掺杂的关系关系掩膜掩膜HF:HNO3:醋酸醋酸10：30:80ml220.7-31:11017cm-3 腐蚀速腐蚀速度减少度减少50倍倍SiO2(300A/min)25:50:30ml22401:1无关无关Si3N49:75:30ml2271:1SiO2(700A/min)KOH（水，（水，异丙醇）异丙醇）40g:100ml851.4400:1掺杂掺杂1020时，时，腐蚀速度腐蚀速度减小减

21、小20倍倍Si3N4SiO2(14A/min)50g:100ml501.0浙江大学微系统中心42腐蚀液腐蚀液典型配比典型配比 温度温度（）腐蚀速度腐蚀速度(um/min)/腐蚀腐蚀速度比速度比与掺杂与掺杂关系关系掩膜掩膜乙二胺：乙二胺：邻苯二酚：邻苯二酚：水水(EDP)75ml:120g:240ml1150.7535:1掺硼大掺硼大于于71019cm-3时，时，腐蚀速腐蚀速度减小度减小50倍倍SiO2(2A/min)Si3N4(1A/min)Au,Cr750ml:120g:240ml1151.25各种硅腐蚀液工艺条件和特性各种硅腐蚀液工艺条件和特性浙江大学微系统中心43l 腐蚀的速度与掺杂浓度

22、密切相关，在腐蚀的速度与掺杂浓度密切相关，在各 向 异 性 腐 蚀 中 ， 重 掺 杂 硼各 向 异 性 腐 蚀 中 ， 重 掺 杂 硼（71019cm3）时，腐蚀速度在）时，腐蚀速度在KOH中减小中减小5100倍，在倍，在EDP中减小中减小250倍。倍。腐蚀速度与低掺杂时的腐蚀速度比近似腐蚀速度与低掺杂时的腐蚀速度比近似为为0。所以假设腐蚀时间无限长，腐蚀会。所以假设腐蚀时间无限长，腐蚀会在一定位置处（重掺浓度处）停止，这在一定位置处（重掺浓度处）停止，这就叫自停止腐蚀。就叫自停止腐蚀。浙江大学微系统中心44应用应用：用于体微机械深挖槽工艺，：用于体微机械深挖槽工艺，制作悬臂梁、阀门等结构。

23、制作悬臂梁、阀门等结构。缺点：缺点：重掺杂表面不能再加工电路重掺杂表面不能再加工电路重掺会带来晶体体缺陷，产生应重掺会带来晶体体缺陷，产生应力，影响机械性能。力，影响机械性能。浙江大学微系统中心45自停止腐蚀工艺示意图自停止腐蚀工艺示意图硅衬底硅衬底浙江大学微系统中心46自停止腐蚀工艺示意图自停止腐蚀工艺示意图硅衬底硅衬底重掺硼区重掺硼区扩散或扩散或离子注离子注入形成入形成P区区浙江大学微系统中心47自停止腐蚀工艺示意图自停止腐蚀工艺示意图硅衬底硅衬底重掺硼区重掺硼区掩膜掩膜背面背面生长生长掩膜掩膜浙江大学微系统中心48自停止腐蚀工艺示意图自停止腐蚀工艺示意图硅衬底硅衬底重掺硼区重掺硼区掩膜掩

24、膜浙江大学微系统中心49自停止腐蚀工艺示意图自停止腐蚀工艺示意图硅衬底硅衬底重掺硼区重掺硼区掩膜掩膜自停止自停止腐蚀腐蚀浙江大学微系统中心50Pt硅片硅片电化学腐蚀工艺和自停止腐蚀电化学腐蚀工艺和自停止腐蚀工艺相反，电化学腐蚀用来工艺相反，电化学腐蚀用来腐蚀重掺的衬底，留下轻掺杂腐蚀重掺的衬底，留下轻掺杂的外延层，这样可以加工出和的外延层，这样可以加工出和自停止腐蚀相同的结构，自停止腐蚀相同的结构，而避免了自停止工艺的缺点。而避免了自停止工艺的缺点。浙江大学微系统中心51电化学腐蚀示意图电化学腐蚀示意图重掺衬底重掺衬底浙江大学微系统中心52电化学腐蚀示意图电化学腐蚀示意图重掺衬底重掺衬底轻掺外

25、延轻掺外延浙江大学微系统中心53电化学腐蚀示意图电化学腐蚀示意图重掺衬底重掺衬底轻掺外延轻掺外延掩膜掩膜浙江大学微系统中心54电化学腐蚀示意图电化学腐蚀示意图重掺衬底重掺衬底轻掺外延轻掺外延掩膜掩膜浙江大学微系统中心55Pt 重掺衬底重掺衬底轻掺外延轻掺外延掩膜掩膜浙江大学微系统中心56电化学腐蚀示意图电化学腐蚀示意图重掺衬底重掺衬底轻掺外延轻掺外延掩膜掩膜浙江大学微系统中心57l干法刻蚀干法刻蚀:利用等离子体刻蚀作用进行图利用等离子体刻蚀作用进行图形转移称为干法刻蚀。形转移称为干法刻蚀。l其最主要的优点是其各向异性的刻蚀。其最主要的优点是其各向异性的刻蚀。与一般的湿法刻蚀相比，干法刻蚀基本与

26、一般的湿法刻蚀相比，干法刻蚀基本没有侧向掏蚀、钻蚀现象，适用的基底没有侧向掏蚀、钻蚀现象，适用的基底材料范围更大，控制精度更高。材料范围更大，控制精度更高。浙江大学微系统中心58加工材加工材料（料（M）刻蚀用气刻蚀用气体体刻蚀速率刻蚀速率（A/min)刻蚀选择性刻蚀选择性M/胶胶 M/Si M/SiO2多晶硅多晶硅Cl250080052530SiO2CF4+H2500520SiSF6+Cl21000-4500580干法刻蚀工艺参数干法刻蚀工艺参数浙江大学微系统中心59DRIE加工例图加工例图浙江大学微系统中心60l干法刻蚀的侧向腐蚀小，故刻蚀出来的干法刻蚀的侧向腐蚀小，故刻蚀出来的槽陡直。可以

27、进行大纵深图形的加工。槽陡直。可以进行大纵深图形的加工。l湿法腐蚀侧向腐蚀明显湿法腐蚀侧向腐蚀明显,可以制作出非陡可以制作出非陡直结构。直结构。浙江大学微系统中心61RIE各向异性刻蚀效果图各向异性刻蚀效果图浙江大学微系统中心62硅湿法镜面腐蚀图硅湿法镜面腐蚀图浙江大学微系统中心63l在晶片上生长一层与衬底同晶向材料的在晶片上生长一层与衬底同晶向材料的过程就叫外延。过程就叫外延。l外延分为：气相外延和掖相外延两种。外延分为：气相外延和掖相外延两种。微机械工艺中，多使用气相外延。方法微机械工艺中，多使用气相外延。方法是：是：LPCVDl用途：生长多晶硅。用于硅表面微机械。用途：生长多晶硅。用于硅

28、表面微机械。浙江大学微系统中心64多晶硅外延反应方程式：多晶硅外延反应方程式：SiH4=Si+2H2 (580C 热分解热分解)典型生长速度：典型生长速度：100A/min 630C多晶硅组分：由许多微小的单晶晶粒组成，晶多晶硅组分：由许多微小的单晶晶粒组成，晶粒大小决定了多晶硅表面的粗糙度。晶粒结果粒大小决定了多晶硅表面的粗糙度。晶粒结果会随温度的变化而改变。会随温度的变化而改变。影响晶粒生长的因素：应力、晶粒边界和杂质影响晶粒生长的因素：应力、晶粒边界和杂质浙江大学微系统中心65l掺杂工艺是掺杂工艺是IC生产的常用工艺。为了得到所希生产的常用工艺。为了得到所希望的特性，如电阻率，把杂质掺如

29、单晶中，这望的特性，如电阻率，把杂质掺如单晶中，这就是掺杂。有就是掺杂。有P、N两种杂质。两种杂质。l对于硅，对于硅，P型杂质有：型杂质有：B,Al,As N型杂质有：型杂质有：P ,Ga ,Te等等l掺杂的方法有：熔体掺杂、外延生长掺杂、扩掺杂的方法有：熔体掺杂、外延生长掺杂、扩散掺杂和离子注入等。散掺杂和离子注入等。l外延生长掺杂：即在外延生长的时，材料生长外延生长掺杂：即在外延生长的时，材料生长气体和包含杂质的气体同时进入反应室，通过气体和包含杂质的气体同时进入反应室，通过控制气体组分来控制掺杂浓度。控制气体组分来控制掺杂浓度。浙江大学微系统中心66扩散掺杂工艺扩散掺杂工艺：在高温条件下

30、，对杂质形成：在高温条件下，对杂质形成浓度梯度，使得杂质原子在晶格中迁移，最浓度梯度，使得杂质原子在晶格中迁移，最终形成稳定的杂质浓度分布的过程。终形成稳定的杂质浓度分布的过程。扩散分为：扩散分为：1. 按杂质分布曲线，分为表面源扩散和恒定源按杂质分布曲线，分为表面源扩散和恒定源扩散两种。分别对应于不同的扩散方程和曲扩散两种。分别对应于不同的扩散方程和曲线。这二者结合为两步扩散法。线。这二者结合为两步扩散法。2. 按掺杂源的不同，可分为：固相源扩散、液按掺杂源的不同，可分为：固相源扩散、液相源扩散和气相源扩散三种。分别对应于不相源扩散和气相源扩散三种。分别对应于不同的扩散系统。同的扩散系统。浙

31、江大学微系统中心67离子注入掺杂离子注入掺杂：将杂质以离子的形式加速：将杂质以离子的形式加速到很高的能量，打入到晶片内，实现杂质的掺到很高的能量，打入到晶片内，实现杂质的掺入。入。离子注入的优点是加工效率高，加工时间短。离子注入的优点是加工效率高，加工时间短。缺点也很明显：离子能量大，使晶格损伤，产缺点也很明显：离子能量大，使晶格损伤，产生内应力，这对微机械加工来说是致命的；结生内应力，这对微机械加工来说是致命的；结深控制难度大；注入的离子不能激活，还要经深控制难度大；注入的离子不能激活，还要经过高温退火过程。过高温退火过程。应用：在微机械加工中，通常使用扩散法进行应用：在微机械加工中，通常使

32、用扩散法进行掺杂。掺杂。浙江大学微系统中心68l键合工艺是微机械的特殊工艺，它是将键合工艺是微机械的特殊工艺，它是将玻璃与金属、半导体或半导体之间不用玻璃与金属、半导体或半导体之间不用任何粘接剂直接封接在一起，键合界面任何粘接剂直接封接在一起，键合界面有良好的气密性和长期稳定性。有良好的气密性和长期稳定性。 l键合工艺分为硅硅键合、硅和玻璃键合键合工艺分为硅硅键合、硅和玻璃键合等。等。浙江大学微系统中心69硅硅键合过程：硅硅键合过程：硅片抛光硅片抛光硅片清洗硅片清洗硅片贴紧硅片贴紧高温退火高温退火浙江大学微系统中心70l1平整度的问题平整度的问题l2 清洗问题清洗问题l3 对位问题对位问题浙江

33、大学微系统中心71l又称静电键合、场助键合。又称静电键合、场助键合。l原理是硅片接正极，玻璃接负极，硅片和玻璃原理是硅片接正极，玻璃接负极，硅片和玻璃紧密贴紧，并对硅和玻璃加热。这样，玻璃中紧密贴紧，并对硅和玻璃加热。这样，玻璃中对对Na离子在外电压的作用下向负极方向移动，离子在外电压的作用下向负极方向移动，在紧邻硅片对玻璃表面形成几个微米宽的耗尽在紧邻硅片对玻璃表面形成几个微米宽的耗尽层。耗尽层带负电，硅片带正电，所以硅和玻层。耗尽层带负电，硅片带正电，所以硅和玻璃间产生静电吸引，在一定温度下，硅和玻璃璃间产生静电吸引，在一定温度下，硅和玻璃间发生化学反应，形成牢固的化学键，主要是间发生化学

34、反应，形成牢固的化学键，主要是Si-O键，使硅和玻璃间形成稳固的封接。键，使硅和玻璃间形成稳固的封接。浙江大学微系统中心72硅与玻璃键合示意图硅与玻璃键合示意图浙江大学微系统中心73l目前静电键合理论认为在界面处发生了目前静电键合理论认为在界面处发生了如下的电化反应：如下的电化反应：阳极阳极 硅面：硅面：Si2H2O=SiO2+4H+4e Si+O-Si-OH=Si-O-Si+h+e 玻璃表面：玻璃表面：Na2O=2Na+0.5O2+2e N2O+H+=2Na+OH-阴极：玻璃表面：阴极：玻璃表面：Na+eNa浙江大学微系统中心74l1. 键合材料的表面平整度键合材料的表面平整度l2. 键合材

35、料热膨胀特性键合材料热膨胀特性l3. 键合温度键合温度l4. 键合工作电压键合工作电压l5. 电极形状电极形状浙江大学微系统中心75l微机械按加工方式可分为微机械按加工方式可分为:体微机械和多体微机械和多晶硅表面微机械。晶硅表面微机械。l体微机械的特点是：用刻蚀技术对硅进体微机械的特点是：用刻蚀技术对硅进行各项同性、异性挖槽。行各项同性、异性挖槽。l多晶硅表面微机械的特点是：用多晶硅表面微机械的特点是：用CVD法法在硅表面外延多晶硅和淀积牺牲层。在硅表面外延多晶硅和淀积牺牲层。浙江大学微系统中心76l悬臂梁的制作可分为体硅腐蚀和表面生悬臂梁的制作可分为体硅腐蚀和表面生长两种。长两种。浙江大学微

36、系统中心77体硅腐蚀制作悬臂梁工艺流程图体硅腐蚀制作悬臂梁工艺流程图硅衬底硅衬底SiO2掩膜掩膜光刻胶光刻胶光刻版光刻版生长生长SiO2掩膜掩膜浙江大学微系统中心78硅衬底硅衬底SiO2掩膜掩膜光刻胶光刻胶光刻版光刻版浙江大学微系统中心79悬臂梁光刻版悬臂梁光刻版浙江大学微系统中心80硅衬底硅衬底SiO2掩膜掩膜光刻胶光刻胶光刻版光刻版腐蚀腐蚀SiO2层层浙江大学微系统中心81硅衬底硅衬底SiO2掩膜掩膜光刻胶光刻胶光刻版光刻版各项同性腐蚀出悬臂梁各项同性腐蚀出悬臂梁浙江大学微系统中心82硅衬底硅衬底SiO2掩膜掩膜光刻胶光刻胶光刻版光刻版去处去处SiO2掩膜掩膜浙江大学微系统中心83体硅腐蚀

37、加工悬臂梁结构体硅腐蚀加工悬臂梁结构浙江大学微系统中心84多晶硅表面加工悬臂梁流程图多晶硅表面加工悬臂梁流程图浙江大学微系统中心85硅衬底硅衬底绝缘层绝缘层多晶硅多晶硅牺牲层牺牲层生长绝缘层生长绝缘层浙江大学微系统中心86硅衬底硅衬底绝缘层绝缘层多晶硅多晶硅牺牲层牺牲层生长牺牲层生长牺牲层浙江大学微系统中心87硅衬底硅衬底绝缘层绝缘层多晶硅多晶硅牺牲层牺牲层第一次光刻：光刻锚点第一次光刻：光刻锚点浙江大学微系统中心88锚点光刻版图锚点光刻版图浙江大学微系统中心89硅衬底硅衬底绝缘层绝缘层多晶硅多晶硅牺牲层牺牲层湿法腐蚀出锚点位置湿法腐蚀出锚点位置浙江大学微系统中心90硅衬底硅衬底绝缘层绝缘层多

38、晶硅多晶硅牺牲层牺牲层第二次光刻：光刻垫子第二次光刻：光刻垫子浙江大学微系统中心91垫子光刻版图垫子光刻版图浙江大学微系统中心92硅衬底硅衬底绝缘层绝缘层多晶硅多晶硅牺牲层牺牲层腐蚀出垫子的位置腐蚀出垫子的位置浙江大学微系统中心93硅衬底硅衬底绝缘层绝缘层多晶硅多晶硅牺牲层牺牲层LPCVD生长多晶硅生长多晶硅浙江大学微系统中心94悬臂梁光刻版图悬臂梁光刻版图浙江大学微系统中心95硅衬底硅衬底绝缘层绝缘层多晶硅多晶硅牺牲层牺牲层第三次光刻：光刻悬臂梁图形第三次光刻：光刻悬臂梁图形浙江大学微系统中心96硅衬底硅衬底绝缘层绝缘层多晶硅多晶硅牺牲层牺牲层完整的悬臂梁抛面图完整的悬臂梁抛面图浙江大学微系

39、统中心97l微阀是一种执行器。阀门开启和关闭受微阀是一种执行器。阀门开启和关闭受控于信息处理单元。加工中要用到键合控于信息处理单元。加工中要用到键合工艺。工艺。浙江大学微系统中心98微阀制作工艺流程微阀制作工艺流程硅硅浙江大学微系统中心99硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心100硅硅加热电阻加热电阻光刻版光刻版光刻胶光刻胶第一次光刻：光刻腔体第一次光刻：光刻腔体浙江大学微系统中心101硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心102硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心103硅硅浙江大学微系统中心104硅硅加热电阻加热电阻背面淀积金属背面淀积金属浙江大学微系统中心105硅硅加热电阻加热电阻光刻版光刻版光刻胶光刻胶第二

40、次光刻：光刻加热电阻图形第二次光刻：光刻加热电阻图形浙江大学微系统中心106硅硅加热电阻加热电阻光刻胶光刻胶浙江大学微系统中心107硅硅加热电阻加热电阻刻蚀加热电阻图形刻蚀加热电阻图形浙江大学微系统中心108硅硅加热电阻加热电阻掩膜掩膜浙江大学微系统中心109硅硅加热电阻加热电阻掩膜掩膜光刻胶光刻胶第三次光刻：光刻进口第三次光刻：光刻进口浙江大学微系统中心110硅硅加热电阻加热电阻掩膜掩膜浙江大学微系统中心111硅硅加热电阻加热电阻掩膜掩膜浙江大学微系统中心112硅硅加热电阻加热电阻掩膜掩膜微阀上半部加工完成微阀上半部加工完成浙江大学微系统中心113硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心114硅硅掩膜

41、掩膜光刻版光刻版第四次光刻：光刻阀门第四次光刻：光刻阀门浙江大学微系统中心115硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心116硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心117硅硅浙江大学微系统中心118硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心119硅硅掩膜掩膜光刻版光刻版第五次光刻：光刻通道第五次光刻：光刻通道浙江大学微系统中心120硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心121硅硅加热电阻加热电阻浙江大学微系统中心122硅硅加热电阻加热电阻掩膜掩膜背部淀积背部淀积浙江大学微系统中心123硅硅掩膜掩膜光刻版光刻版第六次光刻：光刻出口第六次光刻：光刻出口浙江大学微系统中心124硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心125硅硅掩膜掩膜浙江大学微系统中心126硅硅浙江大学微系统中心127硅硅加热电阻加热电阻硅硅键合硅硅键合INOUT浙江大学微系统中心128l微马达是典型