硅微MEMS加工工艺

硅微MEMS加工工艺王晓浩EMAIL：wangxh@电话：62772232硅微MEMS发展里程碑1987年UCBerkeley在硅片上制造出静电电机90年代初ADI公司研制出低成本集成硅微加速度传感器，用于汽车气囊。90年代末期美国Sandia实验室发表5层多晶硅工艺。硅微MEMS工艺发展趋势表面牺牲层技术向多层、集成化方向发展；体硅工艺主要表现为键合与深刻蚀技术的组合，追求大质量块和低应力；表面工艺与体硅工艺进一步结合；设计手段向专用CAD工具方向发展。硅微MEMS工艺主要手段MEMS与IC工艺主要差别典型硅微MEMS工艺体硅腐蚀牺牲层技术双面光刻自停止腐蚀深槽技术LIGA技术键合技术体硅各向异性腐蚀技术各向异性(Anisotropy)各向异性腐蚀液通常对单晶硅(111)面的腐蚀速率与(100)面的腐蚀速率之比很大，因为：(111)面有较高的原子密度，水分子容易附着在(111)面上；(100)面每个原子具有两个悬挂键，而(111)面每个原子只有一个悬挂键，移去(111)面的原子所需的能量比(100)面要高。体硅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。各向异性腐蚀计算设计公式：a是腐蚀后坑底的边长，b是掩膜版上窗口的边长，d是腐蚀深度，=54.74，是(100)面和(111)面的夹角。是各向异性比，R(100)和R(100)分别是腐蚀液对(100)面和(111)面的腐蚀速率，和腐蚀液的种类及腐蚀条件有关。腐蚀窗口短边存在最小尺寸：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)EPW腐腐蚀蚀条条件件腐蚀蚀温温度度：：115℃℃左左右右反应应容容器器在在甘甘油油池池内内加加热热，，加加热热均均匀匀；；防止止乙乙二二胺胺挥挥发发，，冷冷凝凝回回流流；；磁装装置置搅搅拌拌，，保保证证腐腐蚀蚀液液均均匀匀；；在反反应应时时通通氮氮气气加加以以保保护护。。掩膜膜层层：：用用SiO2，，厚度度4000埃埃以以上上。。腐蚀蚀设设备备影响响腐腐蚀蚀质质量量因因素素腐蚀蚀液液成成分分新旧旧腐腐蚀蚀液液试剂剂重重复复性性温度度保护护搅拌拌牺牲层技术属硅表面加工工技术。是加工悬空和和活动结构的的有效途径。。采用此种方法法可无组装一一次制成具有有活动部件的的微机械结构构。牺牲层材料影响牺牲层腐腐蚀的因素牺牲层厚度腐蚀孔阵列塌陷和粘连及及防止方法酒精、液态CO2置换水；依靠支撑结构构防止塌陷。。典型牺牲层腐腐蚀工艺)氧化，做做体硅腐蚀掩掩膜层；)光刻氧化化层，开体硅硅腐蚀窗口；；)体硅腐蚀蚀出所需底层层结构；)去除SiO2；)生长或淀淀积牺牲层材材料；)光刻牺牲牲层材料成所所需结构；)生长结构构材料；)光刻结构构材料；)牺牲层腐腐蚀，释放结结构层；)防粘结处处理。自停止腐蚀技技术机理：EPW和KOH对硅的腐腐蚀在掺杂浓浓度小于11019cm-3时基本为常数数，超过该浓浓度时，腐蚀蚀速率与掺杂杂硼浓度的4次方成反比比，达到一定定的浓度时，，腐蚀速率很很小，甚至可可以认为腐蚀蚀“停止”。。腐蚀速率经验验公式：Ri为低速区的腐腐蚀速率，N0为阈值浓度，，NB为掺杂浓度，，a与腐蚀液液的种类有关关，用EPW腐蚀可取4。自停止腐蚀典典型工艺流程程双面光刻MEMS器件件的结构一般般是平面化的的三维结构，，很多器件两两面都有结构构或图形，而而且有对准要要求，需要双双面光刻。设备：投影双双面光刻机或或红外双面光光刻机。双面光刻制版版问题两面图形不同同考虑镜向问题题双面光刻制版版问题两面图形相同同子图形呈中心心对称分布子图形不左右右对称分布，，且两面的图图形上下反对对称分布，则则整个硅片上上所有芯片的的图形应该都都是从左向右右或从右向左左的；子图形不左右右对称分布，，且两面的图图形上下对称称分布，则硅硅片上左右两两半边的芯片片图形应该是是反向分布的的，都指向中中心或背向中中心。针孔问题流程1（出出现针针孔））：热氧化化SiO2，LPCVDSi3N4；背面光光刻，，腐蚀蚀Si3N4和SiO2；正面光光刻，，腐蚀蚀Si3N4和SiO2；)体硅硅腐蚀蚀。流程2（不不出现现针孔孔）：：热氧化SiO2，LPCVDSi3N4；背面光刻，，腐蚀Si3N4，不去胶；；正面光刻，，腐蚀Si3N4和SiO2，去胶；体硅腐蚀。。凸角腐蚀补补偿凸角腐蚀是是指在硅岛岛或硅梁的的腐蚀成型型过程中，，凸角部分分被腐蚀掉掉的现象，，体硅各向向异性腐蚀蚀时经常出出现，这是是因为对(100)晶面的硅硅片体硅腐腐蚀时，凸凸角的边缘缘与[110]方向向平行，而而腐蚀液对对此方向的的腐蚀速度度较快。若若要腐蚀出出带凸角的的整齐的台台面结构，，必须采取取凸角补偿偿。凸角腐蚀补补偿相关尺寸补偿角及补补偿岛凸角腐蚀补补偿重掺杂自停停止腐蚀法法当目标结构构的厚度相相对较薄时时在加工结构构前先在硅硅片上扩散散自停止层层，深度达达到所需结结构厚度，，光刻后用用干法腐蚀蚀出结构图图形，然后后体硅腐蚀蚀，准确得得到设计的的结构。MEMS基基本结构加加工工艺9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。18:43:4918:43:4918:4312/29/20226:43:49PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2218:43:4918:43Dec-2229-Dec-2212、故人江海别别，几度隔山山川。。18:43:4918:43:4918:43Thursday,December29,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2218:43:4918:43:49December29,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。29十二月月20226:43:49下午18:43:4912月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月226:43下下午12月-2218:43December29,202216、行动出成果果，工作出财财富。。2022/12/2918:43:4918:43:4929December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。6:43:49下午午6:43下午午18:43:4912月-229、没没有有失失败败，，只只有有暂暂时时停停止止成成功功！！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。18:43:4918:43:4918:4312/29/20226:43:49PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2218:43:4918:43Dec-2229-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。18:43:4918:43:4918:43Thursday,December29,202213、不知香积积寺，数里里入云峰。。。12月-2212月-2218:43:4918:43:49December29,202214、意志坚强强的人能把把世界放在在手中像泥泥块一样任任意揉捏。。29十二二月20226:43:50下下午18:43:5012月-2215、楚塞三湘接接，荆门九派派通。。。十二月226:43下下午12月-2218:43December29,202216、少年十五五二十时，，步行夺得得胡马骑。。。2022/12/2918:43:5018:43:5029December202217、空山新新雨后，，天气晚晚来秋。。。6:43:50下午午6:43下午午18:43:5012月-229、杨杨柳柳散散和和风风，，青青山山澹澹吾吾虑虑。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、阅读读一切切好书书如同同和过过去最最杰出出的人人谈话话。18:43:5018:43:5018:4312/29/20226:43:50PM11、越是是没有有本领领的就就越加加自命命不凡凡。12月月-2218:43:5018:43Dec-2229-Dec-2212、越是无能的的人，越喜欢欢挑剔别人的的错儿。18:43:5018:43:5018:43Thursday,December29,202213、知知人人者者智智，，自自知知者者明明。。胜胜人人者者有有力力，，自自胜胜者者强强。。12月月-2212月月-2218:43:5018:43:50December29,202214、意志坚坚强的人人能把世世界放在在手中像像泥块一一样任意意揉捏。。29十十二月20226:43:50下午午18:43:5012月-2215、最具挑战性性的挑战莫过过于提升自我我。。十二月226:43下下午12月-2218:43December29,202216、业余生生活要有有意义，，不要越越轨。2022/12/2918:43:5018:43:5029December202217、一一个个人人即即使使已已登登上上顶顶峰峰，，也也仍仍要要