第三章 MEMS制造技术-2(体微加工技术)

1、第三章第三章 MEMS制造技术制造技术体体硅微加工硅微加工技术技术内容腐蚀工艺简介湿法腐蚀干法刻蚀其他类似加工工艺腐蚀工艺简介腐蚀工艺简介腐蚀是指一种材料在它所处的环境中由于另一腐蚀是指一种材料在它所处的环境中由于另一种材料的作用而造成的缓慢的损害的现象。然种材料的作用而造成的缓慢的损害的现象。然而在不同的科学领域对腐蚀这一概念则有完全而在不同的科学领域对腐蚀这一概念则有完全不同的理解方式。不同的理解方式。在微加工工艺中，在微加工工艺中，腐蚀工艺腐蚀工艺是用来是用来“可控性可控性”的的“去除去除”材料的工艺。材料的工艺。大部分的微加工工艺基于“Top-Down”的加工思想。“Top-Down”

2、加工思想：通过去掉多余材料的方法，实现结构的加工。（雕刻泥人）腐蚀工艺简介腐蚀工艺简介腐蚀工艺重要性腐蚀工艺重要性作为实现“去除去除”步骤的腐蚀工艺是形成特定平面及三维结构过程中，最为关键的一步。图形工艺掩模图形生成台阶结构生成衬底去除牺牲层去除清洁表面腐蚀工艺简介腐蚀工艺简介腐蚀工艺作用腐蚀工艺作用腐蚀腐蚀红光红光LED结构结构蓝光蓝光LED结构结构蓝宝石衬底蓝宝石衬底红光红光LED结构结构蓝光蓝光LED结构结构蓝宝石衬底蓝宝石衬底红光红光LED结构结构蓝光蓝光LED结构结构蓝宝石衬底蓝宝石衬底红光红光LED蓝光蓝光LED结构结构蓝宝石衬底蓝宝石衬底红光红光LED蓝光蓝光LED蓝宝石衬底蓝宝

3、石衬底红光红光LED蓝光蓝光LED蓝宝石衬底蓝宝石衬底蓝光蓝光LED结构结构蓝宝石衬底蓝宝石衬底红光红光LED结构结构腐蚀方法硅腐蚀方法：干法干法和湿法湿法腐蚀方向选择性：各向同性各向同性和各向异性各向异性腐蚀材料选择性： 选择性刻蚀选择性刻蚀或非选择性非选择性刻蚀刻蚀选择方法：晶向晶向和掩模掩模多种腐蚀技术的应用：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）湿法腐蚀湿法腐蚀“湿湿”式腐蚀方法，基于溶液状态的腐蚀剂。湿法腐蚀工艺特点：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腐蚀方向性各向同性腐蚀腐蚀速率在不同方

4、向上没有差别各向异性腐蚀对不同的晶面的腐蚀速率有明显差别利用各向异性腐蚀特性，可以腐蚀出各种复杂的结构。各向异性腐蚀和各向同性腐蚀硅的各向异性腐蚀硅的各向异性腐蚀是利用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+，而羟基OH-与Si+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)各向异性腐蚀液通常对单晶硅各向异性腐蚀液通常对单晶硅(111)面的面的腐蚀速率与腐蚀速率与(100)面的面的腐蚀速率之比腐蚀速率

5、之比很大很大（1：400）湿法腐蚀的化学物理机制腐蚀生长晶体生长是典型的各向异性表现。腐蚀作用：晶体生长的反过程湿法腐蚀的化学物理机制腐蚀过程：反应物扩散到腐蚀液表面反应物与腐蚀表面发生化学反应反应物的生成物扩散到溶液中去各向异性腐蚀的特点：腐蚀速率比各项同性腐蚀慢，速率仅能达到1um/min腐蚀速率受温度影响在腐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腐蚀液各向异性腐蚀液腐蚀液：腐蚀液：无机腐蚀液：无机腐蚀液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等；等；有机腐蚀液：有机腐蚀液：EPW、TMAH和联胺等。和联胺等。常用体硅腐蚀液：常用体硅腐蚀液：氢氧化钾氢

6、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)系列溶系列溶液。液。乙二胺乙二胺(NH2(CH2) 2NH2)邻苯二酚邻苯二酚(C6H4(OH) 2)水水(H2O)KOH systemKOH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。 KOH system溶剂：水，也有用异丙醇(IPA)溶液：2

7、0% - 50% KOH温度： 60 80C速率：1um/分钟特点：镜面，易于控制，兼容性差232222HSiOKKOHOHSiKOH的刻蚀机理腐蚀设备腐蚀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腐蚀速率 材料腐蚀剂腐蚀速率硅在晶向KOH0.25-1.4m/min硅在晶向EDP0.75m/min二氧化硅KOH40-80nm/h二氧化硅EDP12nm/h氮化硅KOH5nm/h氮化硅EDP6nm/h影响腐蚀质量因素影响腐蚀质量因素晶格方向晶格方向腐蚀溶液的选择腐蚀溶

8、液的选择腐蚀溶液的浓度腐蚀溶液的浓度腐蚀时间腐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深度B腐蚀液(1) 溶液及配比影响各向异性腐蚀的主要因素影响各向异性腐蚀的主要因素(2) 温度各向同性腐蚀硅的各向同性腐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腐蚀液为：NHA和HNWH：氢氟酸(HF

9、)N：硝酸(HNO3)A：乙酸(CH3COOH) W: Water三、干法腐蚀湿法腐蚀的缺点：图形受晶向限制，深宽比较差，倾斜侧壁，小结构粘附。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：腐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腐蚀钝化及去除腐蚀反应物的排除干法腐蚀的主要形式：纯化学过程：（等离子体腐蚀 )纯物理过程： (离子刻蚀、离子

10、束腐蚀）物理化学过程：反应离子腐蚀RIE ，感应耦合等离子体刻蚀ICP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；在化学腐蚀中，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），然后与被腐蚀材料起反应形成挥发性物质；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。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

11、它：刻蚀速率、刻蚀均匀性等等离子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。 离子轰击的作用： 1.将被刻蚀材料表面的原子键破坏； 2.将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉DRIE、ICP刻蚀工艺刻蚀工艺1.现象现象（1）各向同性腐蚀（2）各向异性腐蚀（3）溅射腐蚀等离子体腐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

12、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100）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（0.1m）差装置成本昂贵较昂贵典型的腐蚀率慢（0.1m/min）到快（6m/min）快（1m/min以上）操作参数多很少腐蚀速率控制在缓慢腐蚀时好困难干法刻蚀与

13、湿法腐蚀对比四、四、自停止腐蚀技术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”。自停止腐蚀典型工艺流程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）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 、重掺杂自停止腐蚀技术 KOH对硅

14、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。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，所以工艺中常采用硼重掺杂硅作为硅腐蚀的自停止材料。重掺杂自停止腐蚀工艺流程3、（111）面自停止腐蚀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）面作为停止腐蚀的晶面。（111）面自停止腐蚀工艺流程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。腐蚀保护技术腐蚀保护技术如果硅晶片表面已经形成一些图案，其中部分薄膜会被腐蚀液所影响，所以必须利用腐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