硅微机电系统加工技术简介

硅微机电系统加工技术简介第1页/共163页2一．简介

自从肖特基（Schockley）等人在1947年发明晶体管以来，科技进入了微电子时代。现在微电子已发展到了ULSI（甚大规模），加工精度到了深亚微米至量子级别。第2页/共163页3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三个部分：信息采集单元传感器信息处理单元信息执行单元执行器第3页/共163页4第4页/共163页5因此，我们可以如下定义微系统：即加工精度在微米数量级,能实现信息采集,信息处理和信息执行功能的有机整体。第5页/共163页6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。第6页/共163页7

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，是基于以下几点考虑：硅材料来源广泛，价格便宜。有得到完美单晶的制备经验。硅材料独特的机械性质，如强度、杨氏模量等性质（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，成品率高，生产成本低。第7页/共163页8表一单晶硅的机械性能对比

材料屈服强度(105N/cm2)洛氏硬度(105g/cm2)杨氏模量(107N/cm2)密度(g/cm2)热导率(W/cm.c)热胀系数(10-6/C)*金刚石53700010.353.5201.0*SiC2124807.03.23.53.3*Si3N41434863.853.10.190.8*铁12.64001.967.80.80312SiO28.48200.732.50.0140.55*硅7.08501.92.31.572.33钢（最高强度）4.215002.17.90.9712W4.04854.119.31.784.5不锈钢2.16602.07.90.32917.3*表示单晶第8页/共163页9二

微机械系统中常用工艺

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、掺杂工艺等等，也有微机械特有的工艺,如键合。用以加工出悬臂梁、孔、轴、弹簧等用于微机械的结构。第9页/共163页102.1氧化（oxidation）工艺

氧化工艺是IC工艺的基础，主要用途为：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保护作为电绝缘材料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：热生长法和化学气相淀积法（CVD）第10页/共163页11热生长法

就是在高温条件下（900C-1100C），使氧气（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SiO2反应方程式：Si+O2=SiO2(干氧)Si+2H2O=SiO2+2H2(湿氧)

第11页/共163页12特点：1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少，消耗Si的厚度与生长SiO2的厚度比为

1：2.33热生长出来的SiO2薄膜较淀积生长的SiO2膜致密，两者之间腐蚀速度比较见表2.1.1应用：热生长SiO2薄膜主要用于表面钝化，屏蔽保护。第12页/共163页132.1.2CVD(chemicalvapordeposition)法：是一种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一种薄膜生长方法。加工示意图如下：鼓泡器加热装置淀积室硅片尾气处理第13页/共163页14在微系统加工中，大量使用低压化学气相淀积技术（LPCVD），LPCVD根据反应温度和反应机理不同，有可分为：LTO,TEOS,HTO等,反应方程式为：LTO：SiH4+O2=SiO2+2H2TEOS：Si(C2H5O)4+12O2=SiO2+8CO2+10H2O在TEOS中，产生副产物水，会使SiO2膜质量下降，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SiO2膜的方法，几种生长方法比较如下表：第14页/共163页15

淀积方法热氧化LTOLEOS源气体O2SiH4+O2TEOS+O2工艺温度(℃)900-1100400-500700组分SiO2SiO2(H)SiO2(Cl)密度(g/㎝3)2.22.12.2强度(109dyne/cm2)3C3T1CTEOS:Si(OC2H5)4

第15页/共163页16氧化法

49％HFBHF28ml49%HF+113gNH3F+170mlH2OP-Etch15ml49%HF+10mlHNO3+300mlH2O热氧化69001000-2500128LTO1090049001200不同生长SiO2的腐蚀速度比较（A／ｍｉｎ）第16页/共163页17特点及应用可以生长大于1m厚的SiO2薄膜，这在硅表面微机械中有重要应用。LPCVD法生长的SiO2质地疏松，可以用作牺牲层。第17页/共163页182．2光刻（lithography）工艺

光刻是一种图形转移动的方法，即通过曝光，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。光刻的工艺流程为：第18页/共163页19带掩膜的硅片硅片清洗前烘对准曝光显影刻蚀掩膜去除未暴光的胶第19页/共163页20带掩膜的硅片硅掩膜第20页/共163页21清洗、上胶、前烘硅掩膜光刻胶第21页/共163页22光刻版对位曝光硅掩膜光刻胶第22页/共163页23显影硅掩膜光刻胶第23页/共163页24刻蚀掩膜硅掩膜光刻胶第24页/共163页25去除未曝光的光刻胶硅掩膜第25页/共163页26光刻胶●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X光光刻胶。●紫外光刻胶：分为负型光刻胶和正型光刻胶两种。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。第26页/共163页27光刻版掩模光刻胶负型光刻胶曝光示意图第27页/共163页28光刻版掩模光刻胶正型光刻胶曝光示意图第28页/共163页29光刻种类按工作波长，光刻可分为近紫外光刻，远紫外光刻，电子束光刻和X光光刻等。在IC生产中大量使用的是远紫外光刻。按光刻的工作方式，可分为接触式光刻，和投影步进式光刻，其中步进式光刻是当今IC工业生产的主流。第29页/共163页30●接触式光刻：就是将光学掩膜用0.05到0.3个大气压压在涂胶的基片上进行曝光。可以得到1微米的线宽。●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。投影光刻可分为1：1投影和N：1步进式投影两种。★特点：1曝光精度高

2掩膜版使用寿命长

3光路复杂第30页/共163页312．3刻蚀（etching）工艺

●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，另外还可以对表面抛光。●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、砷化镓等半导体，金属、多晶硅等导体，二氧化硅、氮化硅等绝缘体。

第31页/共163页32湿法腐蚀工艺●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。●湿法腐蚀的反应机理是电化学反应。（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蚀两种。第32页/共163页33湿法腐蚀反应机理：络合化物反应阳极反应式Si+2h+→Si2+Si2＋与(OH)-结合：Si2++2(OH)－→Si(OH)2Si(OH)2分解：Si(OH)2→SiO2+H2用HF溶解SiO2，生成络合物H2SiF6：SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O第33页/共163页34各向同性腐蚀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。典型的腐蚀液：49％HF＋69％HNO3＋CH3COOH，即HNA溶液。反应方程式：Si＋HNO3＋6HF＝H2SiF6＋H2NO2＋H2O＋H2

特点及应用：对SiO2腐蚀明显，不能用SiO2作掩膜。主要用于平面抛光。第34页/共163页35硅掩膜光刻胶各向同性腐蚀示意图第35页/共163页36各向异性腐蚀各项异性腐蚀是不同晶向的腐蚀速度不同的腐蚀。<111>面腐蚀速度最慢，<100>面腐蚀速度最快，<110>面速度居中。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。第36页/共163页37<100><111>54.75。<110><111><110>,<100>晶向各向异性腐蚀图第37页/共163页38

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（EDP）；KOH和水的混合液。

EDP最适合微机械的加工，其特点是：●能进行各向异性腐蚀，可以加工出各种独特点形状。●选择腐蚀性强，适用于SiO2，Si3N4，Cr，Au等多种材料作掩膜的腐蚀。●腐蚀速度和掺杂浓度密切相关。第38页/共163页39KOH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，缺点是对SiO2的腐蚀速度较快，腐蚀时要注意SiO2层的厚度。必要时可使用Si3N4作掩膜。第39页/共163页40KOH各向异性腐蚀例图第40页/共163页41腐蚀液典型配比温度℃腐蚀速度(um/min)<100>/<111>腐蚀速度比与掺杂的关系掩膜HF:HNO3:醋酸10：30:80ml220.7--31:1≦1017cm-3腐蚀速度减少50倍SiO2(300A/min)25:50:30ml22401:1无关Si3N49:75:30ml2271:1SiO2(700A/min)KOH（水，异丙醇）40g:100ml851.4400:1掺杂≧1020时，腐蚀速度减小20倍Si3N4SiO2(14A/min)50g:100ml501.0第41页/共163页42腐蚀液典型配比温度（℃）腐蚀速度(um/min)<100>/<111>腐蚀速度比与掺杂关系掩膜乙二胺：邻苯二酚：水(EDP)75ml:120g:240ml1150.7535:1掺硼大于7×1019cm-3时，腐蚀速度减小50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第42页/共163页43自停止腐蚀

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（≥7×1019cm－3）时，腐蚀速度在KOH中减小5－100倍，在EDP中减小250倍。腐蚀速度与低掺杂时的腐蚀速度比近似为0。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，这就叫自停止腐蚀。第43页/共163页44应用：用于体微机械深挖槽工艺，制作悬臂梁、阀门等结构。缺点：●重掺杂表面不能再加工电路●重掺会带来晶体体缺陷，产生应力，影响机械性能。第44页/共163页45自停止腐蚀工艺示意图硅衬底第45页/共163页46自停止腐蚀工艺示意图硅衬底重掺硼区扩散或离子注入形成P＋区第46页/共163页47自停止腐蚀工艺示意图硅衬底重掺硼区掩膜背面生长掩膜第47页/共163页48自停止腐蚀工艺示意图硅衬底重掺硼区掩膜第48页/共163页49自停止腐蚀工艺示意图硅衬底重掺硼区掩膜自停止腐蚀第49页/共163页50电化学腐蚀

＋Pt硅片电化学腐蚀工艺和自停止腐蚀工艺相反，电化学腐蚀用来腐蚀重掺的衬底，留下轻掺杂的外延层，这样可以加工出和自停止腐蚀相同的结构，而避免了自停止工艺的缺点。第50页/共163页51电化学腐蚀示意图重掺衬底第51页/共163页52电化学腐蚀示意图重掺衬底轻掺外延第52页/共163页53电化学腐蚀示意图重掺衬底轻掺外延掩膜第53页/共163页54电化学腐蚀示意图重掺衬底轻掺外延掩膜第54页/共163页55＋－Pt重掺衬底轻掺外延掩膜第55页/共163页56电化学腐蚀示意图重掺衬底轻掺外延掩膜第56页/共163页57干法刻蚀

干法刻蚀:利用等离子体刻蚀作用进行图形转移称为干法刻蚀。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。第57页/共163页58干法刻蚀种类：等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、离子铣、反应离子束刻蚀等。其中以反应离子刻蚀最常用。加工材料（M）刻蚀用气体刻蚀速率（A/min)刻蚀选择性M/胶M/SiM/SiO2多晶硅Cl2500—800525—30SiO2CF4+H2500520SiSF6+Cl21000-4500580干法刻蚀工艺参数第58页/共163页59DRIE加工例图第59页/共163页60干法刻蚀与湿法腐蚀区别干法刻蚀的侧向腐蚀小，故刻蚀出来的槽陡直。可以进行大纵深图形的加工。湿法腐蚀侧向腐蚀明显,可以制作出非陡直结构。第60页/共163页61RIE各向异性刻蚀效果图第61页/共163页62硅湿法镜面腐蚀图第62页/共163页632.4外延及掺杂技术

在晶片上生长一层与衬底同晶向材料的过程就叫外延。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。方法是：LPCVD用途：生长多晶硅。用于硅表面微机械。第63页/共163页64•多晶硅外延反应方程式：SiH4=Si+2H2(580°C热分解)•典型生长速度：100A/min630°C•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、晶粒边界和杂质第64页/共163页65掺杂工艺掺杂工艺是IC生产的常用工艺。为了得到所希望的特性，如电阻率，把杂质掺如单晶中，这就是掺杂。有P、N两种杂质。对于硅，P型杂质有：B,Al,AsN型杂质有：P,Ga,Te等掺杂的方法有：熔体掺杂、外延生长掺杂、扩散掺杂和离子注入等。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，通过控制气体组分来控制掺杂浓度。第65页/共163页66扩散掺杂工艺：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，最终形成稳定的杂质浓度分布的过程。•扩散分为：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线。这二者结合为两步扩散法。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。分别对应于不同的扩散系统。第66页/共163页67离子注入掺杂：将杂质以离子的形式加速到很高的能量，打入到晶片内，实现杂质的掺入。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掺杂。第67页/共163页682.5键合工艺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。

键合工艺分为硅硅键合、硅和玻璃键合等。第68页/共163页69硅硅键合过程：硅片抛光硅片清洗硅片贴紧高温退火第69页/共163页70硅硅键合的问题1平整度的问题2清洗问题3对位问题第70页/共163页71硅和玻璃键合又称静电键合、场助键合。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，玻璃中对Na＋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，硅和玻璃间发生化学反应，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。第71页/共163页72硅与玻璃键合示意图第72页/共163页73

目前静电键合理论认为在界面处发生了如下的电化反应：阳极硅面：Si＋2H2O=SiO2+4H++4eSi+O-Si-OH=Si-O-Si+h++e

玻璃表面：Na2O=2Na+0.5O2+2eN2O+H+=2Na++OH-阴极：玻璃表面：Na++e＝Na第73页/共163页74影响硅和玻璃键合的因素1.

键合材料的表面平整度2.

键合材料热膨胀特性3.

键合温度4.

键合工作电压5.

电极形状第74页/共163页75三.硅微机械加工实例微机械按加工方式可分为:体微机械和多晶硅表面微机械。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。多晶硅表面微机械的特点是：用CVD法在硅表面外延多晶硅和淀积牺牲层。第75页/共163页763.1悬臂梁的制作悬臂梁的制作可分为体硅腐蚀和表面生长两种。第76页/共163页77体硅腐蚀制作悬臂梁工艺流程图硅衬底SiO2掩膜光刻胶光刻版生长SiO2掩膜第77页/共163页78硅衬底SiO2掩膜光刻胶光刻版第78页/共163页79悬臂梁光刻版第79页/共163页80硅衬底SiO2掩膜光刻胶光刻版腐蚀SiO2层第80页/共163页81硅衬底SiO2掩膜光刻胶光刻版各项同性腐蚀出悬臂梁第81页/共163页82硅衬底SiO2掩膜光刻胶光刻版去处SiO2掩膜第82页/共163页83体硅腐蚀加工悬臂梁结构第83页/共163页84多晶硅表面加工悬臂梁流程图第84页/共163页85硅衬底绝缘层多晶硅牺牲层生长绝缘层第85页/共163页86硅衬底绝缘层多晶硅牺牲层生长牺牲层第86页/共163页87硅衬底绝缘层多晶硅牺牲层第一次光刻：光刻锚点第87页/共163页88锚点光刻版图第88页/共163页89硅衬底绝缘层多晶硅牺牲层湿法腐蚀出锚点位置第89页/共163页90硅衬底绝缘层多晶硅牺牲层第二次光刻：光刻垫子第90页/共163页91垫子光刻版图第91页/共163页92硅衬底绝缘层多晶硅牺牲层腐蚀出垫子的位置第92页/共163页93硅衬底绝缘层多晶硅牺牲层LPCVD生长多晶硅第93页/共163页94悬臂梁光刻版图第94页/共163页95硅衬底绝缘层多晶硅牺牲层第三次光刻：光刻悬臂梁图形第95页/共163页96硅衬底绝缘层多晶硅牺牲层完整的悬臂梁抛面图第96页/共163页973.2微阀制作微阀是一种执行器。阀门开启和关闭受控于信息处理单元。加工中要用到键合工艺。第97页/共163页98微阀制作工艺流程硅第98页/共163页99硅掩膜第99页/共163页100硅加热电阻光刻版光刻胶第一次光刻：光刻腔体第100页/共163页101硅掩膜第101页/共163页102硅掩膜第102页/共163页103硅第103页/共163页104硅加热电阻背面淀积金属第104页/共163页105硅加热电阻光刻版光刻胶第二次光刻：光刻加热电阻图形第105页/共163页106硅加热电阻光刻胶第106页/共163页107硅加热电阻刻蚀加热电阻图形第107页/共163页108硅加热电阻掩膜第108页/共163页109硅加热电阻掩膜光刻胶第三次光刻：光刻进口第109页/共163页110硅加热电阻掩膜第110页/共163页111硅加热电阻掩膜第111页/共163页112硅加热电阻掩膜微阀上半部加工完成第112页/共163页113硅掩膜第113页/共163页114硅掩膜光刻版第四次光刻：光刻阀门第114页/共163页115硅掩膜第115页/共163页116硅掩膜第116页/共163页117硅第117页/共163页118硅掩膜第118页/共163页119硅掩膜光刻版第五次光刻：光刻通道第119页/共163页120硅掩膜第120页/共163页121硅加热电阻第121页/共163页122硅加热电阻掩膜背部淀积第122页/共163页123硅掩膜光刻版第六次光刻：光刻出口第123页/共163页124硅掩膜第124页/共163页125硅掩膜第125页/共163页126硅第126页/共163页127硅加热电阻硅硅键合INOUT第127页/共163页1283.3微马达的制作微马达是典型的有源微机械器件，马达的转动、转动速度都受控于外电路。微马达工艺复杂，要用到多层牺牲层和结构层（structurallayer)。第128页/共163页1292＋1/2工艺制作马达第129页/共163页130硅绝缘层第130页/共163页131硅绝缘层多晶硅第131页/共163页132P扩散第132页/共163页133硅绝缘层多晶硅光刻胶第一次光刻：光刻导电盘第133页/共163页134硅绝缘层多晶硅½过程：导电盘淀积第