Chapter 3 micro-fabrication中文 (2)

1、Chapter 3 MEMS Technologies Three dominant MEMS fabrication technologies philosophically different in their approach are currently in use: LIGA Bulk micromachining Sacrificial surface micromachining3.1 Bulk micromachining 硅刻蚀方法：干法干法和湿法湿法 刻蚀方向选择性：各向同性各向同性和各向异性各向异性 刻蚀材料选择性： 选择性刻蚀选择性刻蚀或非选择性刻蚀非选择性刻蚀 选择方

2、法：晶向晶向和掩模掩模 多种刻蚀技术的应用：体硅工艺体硅工艺（三维技术），表面硅工艺表面硅工艺（准三维技术）湿法刻蚀 湿法刻蚀“湿湿”式刻蚀方法，基于溶液状态的刻蚀剂。 湿法刻蚀工艺特点： 设备简单，操作简便，成本低 可控参数多，适于研发 受外界环境影响大 浓度、温度、搅拌、时间 有些材料难以腐蚀湿法刻蚀方向性 各向同性刻蚀刻蚀速率在不同方向上没有差别 各向异性刻蚀对不同的晶面的刻蚀速率有明显差别 利用各向异性刻蚀特性，可以刻蚀出各种复杂的结构。各向异性刻蚀和各向同性刻蚀一、硅的各向异性刻蚀一、硅的各向异性刻蚀 是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向刻蚀速率不同的特是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向刻蚀速率不

3、同的特性，使用抗蚀材料作掩膜，用光刻、干法刻蚀和湿性，使用抗蚀材料作掩膜，用光刻、干法刻蚀和湿法刻蚀等手段制作掩膜图形后进行的较大深度的刻法刻蚀等手段制作掩膜图形后进行的较大深度的刻蚀。蚀。 机理：刻蚀液发射空穴给硅，形成氧化态机理：刻蚀液发射空穴给硅，形成氧化态Si+，而，而羟基羟基OH-与与Si+形成可溶解的硅氢氧化物的过程。形成可溶解的硅氢氧化物的过程。硅的各向异性腐蚀技术硅的各向异性腐蚀技术 各向异性各向异性(Anisotropy)各向异性刻蚀液通常对单晶硅各向异性刻蚀液通常对单晶硅(111)面的刻蚀速面的刻蚀速率与率与(100)面的刻蚀速率之比很大（面的刻蚀速率之比很大（1：400）

4、 各向异性刻蚀的特点：刻蚀速率比各向同性刻蚀慢，速率仅能达到1um/min刻蚀速率受温度影响在刻蚀过程中需要将温度升高到100左右，从而影响到许多光刻胶的使用各向异性刻蚀液各向异性刻蚀液 刻蚀液：刻蚀液： 无机无机刻蚀液刻蚀液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等；等； 有机有机刻蚀液刻蚀液：EPW、TMAH(和联胺和联胺等。等。 常用体硅常用体硅刻蚀液：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)系列溶液。系列溶液。 乙二胺乙二胺(NH2(CH2) 2NH2) 邻苯二酚邻苯二酚(C6H4(OH) 2) 水

5、水(H2O)（1）KOH system KOH是目前在微机电领域中最常使用的非等向蚀刻液，为一碱金属之强碱蚀刻液，其金属杂质会破坏CMOS的氧化层电性，所以不兼容于IC制程； 但因其价格低廉、溶液配制简单、对硅(100)蚀刻速率也较其它的蚀刻液为快，更重要的是操作时稳定、无毒性、又无色，可以观察蚀刻反应的情况，是目前最常使用的蚀刻液之一。 溶剂：水，也有用异丙醇(IPA) 溶液：20% - 50% KOH 温度： 60 80C 速率：1um/分钟 特点：镜面，易于控制，兼容性差232222HSiOKKOHOHSi（1）KOH system EPW NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH

6、2)2 (邻苯二酚)，H2O 特点：蒸 气有毒，时效较差， 选择性好23246322224622222)()(2)(3)(2HOHCSiNHCHNHCHHCSiNHCHNH（2）EPW systemEPW刻蚀条件条件 刻蚀温度：刻蚀温度：115左右左右 反应容器在甘油池内加热，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。(3)TMAH (四甲基氢氧化铵 )刻蚀设备设备刻

7、蚀设备设备继电器电源加热电炉搅拌器转子石英支架石英提篮硅片温控温度计磨沙密封口冷凝水入口冷凝水出口氮气入口氮气出口冷凝洄流管道甘油池腐蚀液冷凝水气体流量控制计氮气硅和硅氧化物典型的刻蚀速率 材料腐蚀剂腐蚀速率硅在晶向KOH0.25-1.4m/min硅在晶向EPW0.75m/min二氧化硅KOH40-80nm/h二氧化硅EPW12nm/h氮化硅KOH5nm/h氮化硅EPW6nm/h影响影响刻蚀质量因素质量因素 晶格方向晶格方向 刻蚀溶液的选择刻蚀溶液的选择 刻蚀溶液的浓度刻蚀溶液的浓度 刻蚀时间刻蚀时间 操作温度温度操作温度温度 搅拌方式搅拌方式转子硅片低速区高速区容器表面流速A表面流速B深度A

8、深度B腐蚀液二、各向同性刻蚀 硅的各向同性刻蚀在半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。常用的刻蚀液为HF-HNO3加水或者乙酸系统。 刻蚀机理为： 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优点：无尖角， 较低应力 、刻蚀速度快、 可用光刻胶掩膜目前主要的各向同性刻蚀液为：NHA和HNWH：氢氟酸(HF)N：硝酸(HNO3)A：乙酸(CH3COOH) W: Water三、自停止刻蚀技术三、自停止刻蚀技术(Etch stops) 机理：机理： EPW和和KOH对硅的刻蚀在掺杂浓度小于对硅的刻蚀在掺杂浓度小于

9、1 1019cm-3时基本为常数，超过该浓度时，时基本为常数，超过该浓度时，刻蚀速率与掺杂硼浓度的刻蚀速率与掺杂硼浓度的4次方成反比，达次方成反比，达到一定的浓度时，刻蚀速率很小，甚至可以到一定的浓度时，刻蚀速率很小，甚至可以认为刻蚀认为刻蚀“停止停止”。（1） 重掺杂自停止刻蚀(KOH和EPW：51013/cm3)（2）(111)面停止（3） 时间控制（4）P-N结自停止刻蚀（5）电化学自停止刻蚀自停止刻蚀1、薄膜自停止刻蚀 薄膜自停止刻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、聚酰亚胺，甚至是金属。 利用薄膜自停止腐蚀必须考虑刻蚀选择

10、性，以及薄膜应力问题，因为应力太大将使薄膜发生破裂。2 、重掺杂自停止刻蚀技术 KOH对硅的腐蚀在掺杂浓度超过阈值浓N0(约为51019CM-3)时，刻蚀速率很小，轻掺杂与重掺杂硅的刻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。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刻蚀自停止效应比重掺杂磷的硅明显，所以工艺中常采用硼重掺杂硅作为硅刻蚀的自停止材料。3、（111）面自停止刻蚀 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）面作为停止刻蚀的晶面。4、电化学自停止刻蚀 电化学自

11、停止刻蚀技术不需要重掺杂层，由于用了外延技术，因此刻蚀自停止层可以做的很厚。刻蚀保护技术刻蚀保护技术 如果硅晶片表面已经形成一些图案，其中部分薄膜会被刻蚀液所影响，所以必须利用刻蚀保护技术来保护已完成的结构。 目前常用的保护技术有两种： 一是制作夹具或用胶将整个面保护住； 另一种是淀积氮化硅将正面包住，待背后腐蚀完后再将氮化硅去除湿法刻蚀的缺点：图形受晶向限制，深宽比较差，倾斜侧壁，小结构粘附。三、干法刻蚀 狭义的干法刻蚀主要是指利用等离子体放电产生的化学过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

12、等。 干法刻蚀的优点： 具有分辨率高、各向异性刻蚀能力强、腐蚀的选择比大、能进行自动化操作等 干法刻蚀的过程： 刻蚀性气体离子的产生 离子向衬底的传输 吸附及反应 衬底表面的刻蚀 钝化及去除 刻蚀反应物的排除 干法腐蚀的主要形式：*纯化学过程：（等离子体刻蚀)*纯物理过程： (离子刻蚀、离子束刻蚀）*物理化学过程：反应离子刻蚀RIE ，感应耦合等离子体刻蚀ICP. 在物理刻蚀方法中，利用放电时所产生的高能惰性气体离子对材料进行轰击，刻蚀速率与轰击粒子的能量、通量密度以及入射角有关； 在化学刻蚀中，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），然后与被刻蚀材料起反应形成

13、挥发性物质； 在物理化学结合的方法中，既有粒子与被刻蚀材料的碰撞，又有惰性气体与被刻蚀材料的反应。反应离子刻蚀 反应离子刻蚀（Reactive ion etch）是在等离子中发生的。 随着材料表层的“反应剥离排放”周期循环，材料被逐层刻蚀到制定深度。 衡量反应离子刻蚀的指标： 掩模的刻蚀比 刻蚀的各向异性程度 其它：刻蚀速率、刻蚀均匀性等等离子刻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，与被刻蚀的固体材料作用，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。 离子轰击的作用：DRIE、ICP刻蚀工艺刻蚀工艺1.现象现象（1）

14、各向同性刻蚀刻蚀（2）各向异性刻蚀刻蚀（3）溅射刻蚀刻蚀等离子体刻蚀的主要现象和特点 （1）速率高 （2）环境清洁，工艺兼容性好。（3）掩膜选择性好 30：1（4）表面光洁度好，应力集中少（5）无晶向限制主要特点主要特点min/7:mER（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。适应性适应性反应离子深刻蚀 改善刻蚀的方向性，即各向异性，一直是反应离子刻蚀技术发展过程中不懈追求的目标。 完全化学刻蚀是各向同性的，完全的物理刻蚀虽然有很好的方向性，但有很差的选择性，即掩

15、模本身经受不了长时间的刻蚀。 电感耦合等离子体（ICP），Bosch工艺 反应离子深刻蚀的要求： 需要较高的刻蚀速率，否则刻穿500um厚的硅片需要太长的时间； 需要极好的各向异性，即刻蚀的边壁垂直。 除了离子物理溅射之外，反应离子刻蚀从本质上是各向同性，为了阻止或减弱侧向刻蚀，只有设法在刻蚀的侧向边壁沉积一层抗刻蚀的膜。离子溅射刻蚀 离子溅射刻蚀是纯粹的物理刻蚀过程，氩气是最通用的离子源气体。反应气体刻蚀 利用二氟化氙XeF2在气态可以直接与硅反应生成挥发性SiF4产物的性质，可以对硅表面进行各向同性刻蚀。参数参数干法腐蚀干法腐蚀湿法腐蚀湿法腐蚀方向性对大多数材料好仅对单晶材料（深宽比高达1

16、00）生产自动化程度好差环境影响低高掩模层粘附特性不是关键因素非常关键选择性相对差非常好待腐蚀材料仅特定材料所有工艺规模扩大困难容易清洁度有条件地清洁好到非常好临界尺寸控制非常好（40钛用于LIGA中释放电铸结构HF很快常用牺牲层材料常用牺牲层材料表面微加工中的力学问题 表面微加工技术存在着三个主要的力学问题：层间黏附；界面应力；静态阻力 界面应力在双层结构中有三种典型的应力 1.材料的热膨胀系数不匹配引起的热应力 双层结构达到非常高的操作温度时，剧烈的热应力会使SiO2薄层从Si基底脱离 2.残余应力在微机械加工中是固有的 3.存在于薄膜结构中本身的应力 由微加工过程中原子结构局部变化产生的

17、 例如，过量掺杂会导致结构在表面微加工后产生很大的残余应力 粘连 两个分离薄片粘附在一起的现象称为粘连； 粘连是表面微加工中最严重的问题； 在牺牲层从被分离的材料层中去除时发生 解决方法 1、最简单的方法式在漂洗和吹干期间，尽量防止微器件与基体的接触，从液体中抽出器件时尽量减少器件上的作用力，在最后一道工序中采用低表面张力的液体。 2、超临界干燥 3、低于三相点表面微机械加工的特点 1、在表面微机械加工中，硅片本身不被刻蚀，没有穿过硅片，硅片背面也无凹坑。 2、表面微机械加工适用于微小构件的加工，结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反应离子刻蚀工艺。 3、形成层状结构的特点为微器件设计提供较大

18、的灵活性。 4、可实现微小可动部件的加工。 5、与IC工艺兼容性好。silicon substrate base:ABDEFSilicon constraint baseMask 1for etchingMask 2for depositionPSGSacrificialLayerSilicon constraint baseAfter etching of sacrificial layer Deposit a sacrificial layer of PSG (Phosphosilicateglass) using LPCVD process. Cover the PSG layer wi

19、th Mask 1 (made of Si3N4)for subsequent etching away the PSG for beamssupport area as shown in Step C.C Produce a Mask 2 (Si3N4) with openingof the size of the beam length and width.Cover this Mask on top of the PSG layer. Deposit polysilicon over the masked regionusing CVD to thickness of the beam.

20、 Remove the sacrificial PSG by etching (see blow)and creates the free-standing cantilever beam.Surface Micromachining ContdGeneral description of processIllustration of micromachining process creation of a polysilicon cantilever beam on多层表面工艺 German acronym for (LIthograpie, Galvanoformung, Abformung), lithography, electroplating / electrodeposition , molding Developed at the Karlsruh