MEMS技术导论3

1、微机械工艺基本工艺高级专门工艺组合工艺 微机械与常规机械加工差异： 批量，微米量级尺度。 基本工艺（光刻、淀积、氧化、外延等基本半导体工艺） 专门高级工艺（键合、各向异性化学湿法腐蚀，反应离子深刻蚀、牺牲层技术等）主要工艺：材料淀积、获得图案、腐蚀。 外延：在Si衬底上生长同晶向的单晶Si膜层(1-20微米），掺杂类型和浓度与衬底不同。 气相外延（VPE），金属有机CVD，分子束外延 在8001150度Si表面温度下，通入反应气体（SiHxCl4-x)，反应气体分解实现Si薄膜生长,生长速率0.2-1.5微米/分。外延可生长在Al2O3上。（异质外延）但厚度一微米以下，缺陷多。用于需要绝缘衬底

2、和透明衬底。 氧化：热氧化（干氧，湿氧） Si（固）O2（气） SiO2(固） Si（固）2H2O（水汽） Si (固）2H2（气） 湿法氧化速度快，但疏松。 干法氧化密度高。干、湿法氧化需要消耗Si。Si消耗的厚度占氧化层厚度的46） 氧化物的生长速率：温度、压力氧化方式、晶向、掺杂水平 线性阶段：150埃左右。（反应速率控制） 抛物线阶段：（扩散控制阶段）受氧在氧化Si中扩散速率控制。 Si的热氧化产生压应力SiO分子比Si原子体积大，且SiO的热膨胀系数大于Si。溅射 物理气相淀积高能粒子撞击高纯度靶材，按物理过程撞击出原子，淀积在衬底上。离子能量：5005000eV 优点：保持复杂合金

3、原组分 能淀积高熔点金属 大直径衬底均匀性 淀积前可进行离子清洗 直流溅射的缺点：不能用于介质溅射（正电荷聚在靶上，阻止继续溅射），也不能预清洗。 RF溅射射频（13.56MHz)产生等离子体。电子和离子的质量差异产生自偏置，电子堆积在靶电极上，引起氩离子对靶材的溅射。 磁控溅射利用外磁场限制电子于靶前，增加离子轰击率，产生更多的二次电子，更多的离子密度，提高溅射效率。 溅射用于MEMS的优势：低温淀积（300度） 成膜材料：polySi，SiOx，SiNx，及W，Ti，Ta，等金属。 Cu和低介电常数介质高速集成电路。 MEMS领域： polySi，SiOx，SiNx CVD常压（APCVD

4、），低压（LPCVD）和等离子体增强（PECVD）。 APCVD，LPCVD 工艺通常500度800度。通过高温加热化合物分解。 PECVD 300度左右。用等离子体能量产生并维持反应。APCVD优势：产量高，均匀性好，wafer直径大。缺点：反应室清洗频繁，气体消耗大。LPCVD优势：成本低，膜层质量好，台阶覆盖能力强。气压;0.1-5托，温度：300900度。PECVD:等离子增强化学气相淀积。例PECVD生长SiO2。SiH4(气）+2N2O（气） SiO2（固）+2N2（气）+2H2（气） PECVD优势：温度低，台阶覆盖好，附着力强，淀积速率高，针孔少，致密。冷壁反应，清洗少。 Po

5、lySi的淀积 LPCVD分解SiH4,温度630度以上。低于600度，生成非晶Si。 多晶晶向趋于110。淀积温度超过650度时，趋于100 CVD方法淀积PolySi可掺杂至e20，电阻率1e-3。 600度以下淀积的PolySi有张应力，高温淀积的PolySi有压应力。（500MPa,可形成微结构卷曲）900度以上退火可减小应力，50MPa。 SiO2的淀积 采用APCVD,LPCVD或PECVD都可在500度以下分解SiH4和O2而淀积SiO2。掺P或B形成PSG或PBSG玻璃。 通常温度提高，生长速度加快。 上述方法生长的SiO2为非晶结构。高温处理可提高密度（6001000度） C

6、VD 方法制备的SiO2可作为金属层之间的绝缘介质，或牺牲层。但绝缘强度低于热生长的SiO2。 通常有压应力（100300MPa）。PECVD方法可调节应力 SiNx的淀积 SiNx做钝化层防水和钠离子。MEMS技术中SiN是有效的掩模。用于选择性腐蚀的碱性溶液。 用APCVD方法分解反应SiH4和NH3或用LPCVD方法分解反应SiCl2H2和NH3，可制备Si3N4。温度700900度。通常应力大（1000MPa)。如果富Si则应力可减小（100MPa以下）。 用PECVD方法可在400度以下生长SixNy膜。膜中H的成分较多。 通常用折射率来判断成分。(1.8-2.5)数值高富N，数值低

7、富O。 PECVD的优势：可通过掺杂（如He）或plasma的频率调节应力。13.56MHz下成膜，张应力约400Mpa。50KHz下成膜，压应力200MPa。高低频交替生长，可生成低应力膜。 光刻光刻将所需的图形结构复制到所需的材料上。负性光刻：被曝光处的光刻胶不可溶解，并硬化。不能在显影溶剂中被去掉。所用胶称为负胶。光刻后，光刻胶上所保留的图形与光刻掩模版上的图形相反。正性光刻：被曝光处的光刻胶可在显影溶剂中被去掉。而未被曝光处的光刻胶则保留下来。所用胶称为正胶。光刻后，光刻胶上所保留的图形与光刻掩模版上的图形一样。掩模版与光刻胶之关系 涂敷光刻胶 曝光，将掩模版的图形复制在光刻胶上 显影

8、，溶解掉被曝光部分（正胶），或未曝光部分( 负胶）。获得需要的光刻胶图形。 坚膜烘焙。挥发溶剂，提高黏附性，稳固光刻胶。 掩模版由玻璃上的铬膜形成。CAD+掩模设备 光刻胶的厚度0.5-10微米。 曝光：接触式，邻近式（光刻版距光刻胶2550微米），投射式（价格高）厚光刻胶厚光刻胶 厚胶用于深刻蚀的掩模或电铸模版(1100微米） 多次涂胶或低速涂黏性光刻胶（厚度控制和均匀性控制是主要困难 精度受损（光刻胶厚于5微米），曝光区域的表面形貌成斜坡。胶厚与最小特征尺寸比约为3。 可用特殊曝光方法。但成本高。 深沟或深腔（深度大于10微米）情况，膜厚均匀性差。 曝光困难（镜深限制）。投射式曝光更适合。

9、（系列调焦步骤），成本高。 双面光刻：两面图案要求精确对准的场合 如压力传感器要求正面压阻敏感元对准背面的腔的边缘。误差大于5微米，则产生二级信号。 双面对准工具：德国Karl Suss公司，奥地利Electronic Visions Company 公司。1。将被固定住的掩模上的对准标记调清。存储图像2。调wafer的位置。用其背面对准标记与存储图像对准。3。曝光。上下要求对准的部分得到对准。典型误差小于2微米。腐蚀腐蚀 用物理或化学的方法从wafer上去除不需要的部分。 干法刻蚀和湿法刻蚀。 干法刻蚀：将需要刻蚀的wafer表面暴露与等离子体，而其余部分用光刻胶或其他薄膜保护。等离子体与w

10、afer发生物理或化学反应，达到刻蚀目的。 湿法刻蚀：将需要刻蚀的wafer表面暴露与液体化学试剂，而其余部分用光刻胶或其他薄膜保护。化学试剂与wafer发生化学反应，达到刻蚀目的。 各向同性的刻蚀 各向异性的刻蚀刻蚀的选择比：被刻蚀材料与另一种材料的刻蚀速度比。在选择掩模时特别考虑。刻蚀的横向钻蚀和倾斜。光刻胶和一些材料的薄膜可用于掩模。必须有足够高的选择比。其腐蚀速率如下。Si的腐蚀 若干中体Si的腐蚀技术，各有优势。 各向同性，腐蚀方法，选择性是考虑腐蚀技术的关键。 各向异性，刻蚀深沟和腔。 湿法腐蚀：成本低，批量大，各向同性或各向异性。 干法刻蚀：设备成本高。专用真空管路系统。 各向同

11、性湿法腐蚀： 典型的各向同性湿法腐蚀，HF，HNO3和CH3COOH。 硝酸氧化Si，氢氟酸去除氧化Si，腐蚀速率在15微米。搅拌可加速腐蚀。刻蚀表面均匀性和深度较难控制。 各向异性的湿法腐蚀： NaOH，KOH，CsOH等以及MH4OH，（CH3）4NOH与ethylenediamine与EDP混合物。 KOH腐蚀111面速度比腐蚀100低100倍。腐蚀反应：原因：沿111面电子浓度低？ 111面迅速氧化，腐蚀过程中受到保护？222622()4(S ()44SiOH2HSiOHSi OHei OHeH O氧化）（） （减少）203KOHSiPSi10 /cm )500PSinmSiN COM

12、SPSim的腐蚀选择性腐蚀停技术。腐蚀，速度为：0.5-2。（与温度和浓度有关）腐蚀（，速度降低倍。原因：缺陷应力？重 掺杂阻止对氧化关键的电子化学反应？掩模：SiO2短时掩模（腐蚀速度10/min) 合适的掩模。不适合于 和技术有关的工艺。 THMA腐蚀 111面比100面腐蚀速度低约3050倍 P掺杂（e20/cm3)Si比常规Si腐蚀速度低40倍。 缺点：腐蚀腔底可形成小丘。 掩模：SiO或SiN. 腐蚀前先用HF漂，去除Si表面氧化层。 THMA腐蚀Al。可在腐蚀液中溶解一些Si粉沫，以合适在CMOS技术中应用。 使用各向异性腐蚀形成V型腔结构。 平整底面，斜侧壁。其111面与100面

13、夹角54.74度。腐蚀最终由4个等价111面 自限制。形成倒金字塔或V型槽。 110方向衬底腐蚀，形成不同形状的槽（垂直侧壁）。 由111面构成的凹角在腐蚀中受到保护。 而凸角则易被腐蚀。在凸角掩模下的部分易被掏空。 利用此特性形成悬臂 角补尝技术形成方岛。 电化学腐蚀 湿法腐蚀速度快，精密控制厚度困难。 外延层电化学腐蚀，精确控制厚度。 P衬底外延n型层，形成pn结，加反向偏置。 N型区不腐蚀，p型区腐蚀，直到np区。 干法腐蚀 Si，SiO，SiN及多种金属材料。 常规干法刻蚀，表面微机械工艺刻蚀Poly Si，在体硅微机械工艺腐蚀浅腔。 深反应离子刻蚀（DRIE),STS公司，垂直深沟（

14、500微米） 刻蚀原理： 在RF源的作用下，反应室中的反应气体（Cl2,BCl3,SF6,CF4等）被电离，产生离子（如SFx等），高能电子，及中性离子如（Cl,F等），可对材料产生轰击（物理刻蚀）和化学反应。 当反应是纯化学的，被称为等离子体刻蚀plasma etching.各向同性刻蚀。 当离子的轰击作用在化学反应中起到协同作用时，称反应离子刻蚀（RIE）。 离子加速的方向性RIE各向异性刻蚀。 ICP-RIE刻蚀电感耦合等离子体反应离子刻蚀 电感线圈另一个射频磁场。 增加离子和中性粒子密度几个量级，提高刻蚀速度。 深反应离子刻蚀（DRIE） 高深宽比，高刻蚀速度，深度。低温刻蚀：SF6、

15、O2在侧壁形成保护（Alcatel）Bosch工艺：在ICPRIE系统中，刻蚀淀积交替进行。 刻蚀周期：SF6刻蚀Si（5s-15s) 钝化周期：用C4F8气源，在表面形成100nm 的fluorocarbon 聚合物。成分类似Teflon。 深沟底部去除钝化层：高能SFx离子去除深沟底部的钝化层，但侧壁刻蚀较少。 重复上述步骤，形成定向刻蚀。 顶部有一些扇形，平整度小于50nm。 刻蚀速度几微米/min DRIE的限制：反应速度取决于深沟的深宽比，在刻窄沟道时，刻蚀速度受扩散限制。 避免宽度差异太大。调整工艺，刻蚀速度与钝化平衡。一般刻蚀速度,1微米/min。 Si与SiO的刻蚀比很大。 当

16、刻蚀到Si与SiO的界面时，反应离子增多，对侧壁保护层横向刻蚀。形成undercut。 加大C4F8流量，增加钝化层厚度。但刻蚀慢。 阳极键合Anodic bonding（Si与Corning Pyrex7740玻璃） 用于多种Sensors。特点，衬底结实。 衬底加热200500度，Si片接阳极，玻璃接阴极 玻璃中的可动阳离子（Na）从界面向阴极移动。留下固定阴离子。在Si和玻璃界面处形成强电场，将二者紧密压在一起。界面分子键合在一起。 玻璃与Si的膨胀系数必须接近。键合时Si片表面的氧化层必须去除。玻璃中必须有可动阳离子。也可用溅射玻璃的方法将二片Si片键合在一起。 Si直接键合 Sili

17、con fusion bonding 始于80年代用于高频器件的SOI技术.迅速用于压力传感器和加速度计。目前是最有用的MEMS工具。 键合可在SiSi界面或SiSiO界面上实现。 机理：界面上Si和O原子形成了分子级的键合。 基本步骤：（1）予键合：硫酸清洗，盐酸清洗,(去除有机物和金属污染）。表面过度层为SiOx。亲水处理（NH4OH溶液，100度，处理，在表面形成OH基。反应方程可表示为:(SiOSi)+HOHSiOH + OHSi表面具有亲水性。吸附水分子。二Si片接触，靠水分子之间的van der Waals力予键合。（2）高温退火，增强键合力。（8001000度，长时间） 110200物理吸附水脱离阶段 这一阶段主要是OH基连着的非桥键水分子逸去,SiOx表面形成更大的桥键OH基。 200500OH基聚合生成SiOSi键合 化学性吸附水脱离阶段当温度上升时,OH基聚合将发生下述反应: SiOH+OHSiSiOSi+H2O 键合的工艺条件和困难：（1）超净环境，清洗，亲水或疏水处理。预键合的环境的超净度一般需要达到10级（1大小的颗粒可造成直径约1的扁平空洞）。（2）表面平整度、粗糙度和化学状态。表面的起