微机电系统第三章MEMS制造技术-1课件

第三章

MEMS制造技术3.1集成电路基本制造技术3.2体微加工技术3.3表面微加工技术3.4其他微加工技术内容提要1第三章

MEMS制造技术3.1集成电路基本制造技术内容提简介集成电路简史集成电路制造概述MEMS制造概述集成电路与MEMS制造比较2简介集成电路简史2集成电路简史电子技术的发展是以电子器件的发展而发展起来的。电子器件的发展，历经近百年，经历了四个阶段的更新换代：电子管晶体管集成电路超大规模集成电路历次变革都引发了电子技术和信息技术的革命。以下为电子器件发展年表：1906年：第一只电子管诞生1912年前后：电子管的制造日趋成熟引发了无线电技术的发展1918年前后：逐步发现了有一类半导体材料1920年：发现半导体材料所具有的光敏特性3集成电路简史电子技术的发展是以电子器件的发展而发展起来的。3集成电路简史1924年：发现半导体与金属接触时具有的整流特性1932年前后：运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象。1940年：对半导体的理性研究有文章成果发表1943年：研制出硅点接触整流二极管-美国贝尔实验室1943年前后：电子管已成为电信息处理和传输设备的主体1945年：第一台[电子管电子数字积分计算机（ENIAC）]诞生4集成电路简史1924年：发现半导体与金属接触时具有的整流特集成电路简史1947年12月：肖克莱和巴登等人发明半导体锗点接触三极管1948年：提出半导体的PN结理论并制成硅结型晶体三极管1955年：硅结形场效应晶体管问世1956年：硅台面晶体管问世1956年：肖克莱因在半导体领域的系列成就获诺贝尔奖1956年：肖克莱半导体实验室成立1957年：美国仙童半导体公司成立（由肖克莱半导体实验室解体而成）Intel公司总裁葛洛夫为仙童半导体公司的创始人之一5集成电路简史1947年12月：肖克莱和巴登等人发明半导体锗点集成电路简史1958年：超高频硅微波晶体管问世1959年：提出汽相制备单晶硅晶层的设想并或成功1959年：硅与锗等主要半导体材料的氧化物特性数据1959年：德州仪器建成世界第一条集成电路生产线1960年：发明以硅外延平面结构为架构模式的晶体管制造技术，被后人称为硅外延平面工艺技术。该技术虽经不断完善，但其思路的实质未变，沿用至今。该技术解决了此前无法解决的晶体管性能上的若干矛盾，为晶体管由分立的模式6集成电路简史1958年：超高频硅微波晶体管问世6集成电路制造概述超净间(Cleanroom)亦称为无尘室或清净室。“超净间”是指将一定空间范围内之空气中的微粒子、有害空气、细菌等之污染物排除，并将室内之温度、洁净度、室内压力、气流速度与气流分布、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围内，而所给予特别设计之房间。亦即是不论外在之空气条件如何变化，其室内均能俱有维持原先所设定要求之洁净度、温湿度及压力等性能之特性。超净间最主要之作用在于控制产品(如硅芯片等)所接触之大气的洁净度日及温湿度，使产品能在一个良好之环境空间中生产、制造，此空间我们称之为“超净间”。7集成电路制造概述超净间(Cleanroom)亦称为无尘室或超净间(Cleanroom)按用途分类（可分为两大类）工业超净间以无生命微粒的控制为对象。主要控制空气尘埃微粒对工作对象的污染，内部一般保持正压状态。它适用于精密机械工业、电子工业（半导体、集成电路等）宇航工业、高纯度化学工业、原子能工业、光磁产品工业（光盘、胶片、磁带生产）LCD（液晶玻璃）、电脑硬盘、电脑磁头生产等多行业。生物超净间主要控制有生命微粒（细菌）与无生命微粒（尘埃）对工作对象的污染。8超净间(Cleanroom)按用途分类（可分为两大类）8超净间构成超净间并非简单的净化环境，还需要配合过渡间1（更衣间）、过渡间2，风淋室、工作间1、工作间2和传递间等。洁净度标准：每立方米体积内大于0.5微米颗粒数的平均值作为评判标准，具体级别划分如下9超净间构成9MEMS制造概述典型MEMS器件加速度传感器(ASXL202Accelerometer)平面工艺＋3Dtechnology10MEMS制造概述典型MEMS器件10基础电路与MEMS制造比较集成电路领域已经非常成熟集成电路制造技术成熟、标准化高层次设计工具设计与制造完全分立MEMS远未成熟没有标准的MEMS制造技术没有高层次设计工具设计任何一个简单的MEMS器件，都需要对制造有深入的理解MEMS发展的主要限制在于制造Andsowebegin…11基础电路与MEMS制造比较集成电路领域已经非常成熟11集成电路制造程序3.1集成电路基本制造技术测

试

切

割

刻

蚀

光刻薄膜制备掩膜制造掺

杂

封

装

硅片12集成电路制造程序3.1集成电路基本制造技术测试切集成电路制造程序13集成电路制造程序13

分单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅具有优良的物理性质，其机械稳定性能良好，滞后和蠕变极小，质量轻，密度小。力学性能好，具有高的强度密度比和高的刚度密度比。表3.1各向异性：硅属于立方晶体结构。硅单晶在晶面上的原子密度是以（111）>（110）>（100）的次序递减，因此扩散速度是以（111）<（110）<（100）方向递增.腐蚀速度也是以（111）<（110）<（100）的顺序而增加3.1.1集成电路使用的材料硅材料14

3.1.1集成电路使用的材料硅材料14多晶硅单晶硅是指整个晶体内原子都是周期性的规则排列,而多晶是指在晶体内各个局部区域里原子是周期性的规则排列,但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同。因此多晶体也看作是由许多取向不同的小单晶体组成的，如图所示。

15多晶硅15多晶硅薄膜具有与单晶硅相近的敏感特性、机械特性，它在微机械加工技术中多用于作为中间加工层材料。在工艺上可与单晶硅工艺相容，又能进行精细加工，而且还可以根据器件的需要充当绝缘体、导体和半导体。16多晶硅薄膜具有与单晶硅相近的敏感特性、机械特性，它在随着单晶硅园片直径越来越大，制造集成电路会出现以下问题（1）硅片电参数径向均匀性质差（2）硅片平整度的问题（3）采用低温加工环境硅片制造17随着单晶硅园片直径越来越大，制造集成电路会出现以下问题硅片制单晶生长

工业上使用的单晶炉，普遍采用石墨电阻加热式单晶炉。其组成部分有炉腔部分、提升机构，气参控制、电子控制和电源。拉晶过程中必须在真空或高纯惰性气氛中进行，以免熔硅和石墨在高温下氧化。可供选择的惰性气体有氦或氩。拉晶过程

位错通过悬挂链和应力场的作用，直接影响载流子的传导过程，因此集成电路制造中应当采用无位错或少位错的硅单晶。18单晶生长18从单晶硅锭到硅片抛光需要经过多次机械加工和化学腐蚀，表面抛光以及清洗，检测和若干其他辅助工艺。（1）晶向测定

在籽晶切割，定位面研磨和切片操作之前，需要进行定向，使晶向及其偏差范围符合工艺规范要求，用X射线衍射定向法测定。（2）机械加工

单晶硅外形整理，切割分段，外圆滚磨和定位面研磨等，然后进行切片。对于大直径单晶硅，应使用带式切割机切断。硅片制备19从单晶硅锭到硅片抛光需要经过多次机械加工和化学腐蚀，表面（3）切片切片是硅片制备中重要工序，其四个重要工艺参数，即晶向、原度、平行度、翘度。抛光是硅片表面的最后一次重要加工，也是精细的表面加工，抛光后的硅片表面应当是结净的，无加工伤痕的，平整的和镜面光滑的。

20（3）切片20

光刻工艺是一种图象复印同刻蚀(化学的、物理的、或两者兼而有之)相结合的综合性技术。它先用照相复印的方法，将光刻掩模的图形精确地复印到涂在待刻蚀材料（二氧化硅、铝、多晶硅等薄层）表面的光致抗蚀剂（亦称光刻胶）上面，然后在抗蚀剂的保护下对待刻材料进行选择性刻蚀，从而在待刻蚀材料上得到所需要的图形。3.1.2光刻工艺21光刻工艺是一种图象复印同刻蚀(化学的、物理的、或两者兼而在光刻工艺中使用的光刻胶有两大类：一类叫负性光刻胶，其未感光部分能被适当的溶剂溶除，而感光的部分则留下，所得的图形与光刻掩模图形相反；另一类叫正性光刻胶，其感光部分能被适当的溶剂溶除而留下未感光的部分，所得的图形与光刻掩模图形相同。采用负性光刻胶制作图形是一种人们熟知而且容易控制的工艺。其涂层对环境因素不那么灵敏，且具有很高的感光速度，极好的粘附性和搞蚀能力，成本低，适用于工业化大生产。目前刻蚀5m左右线条主要使用负性光刻胶。负性光刻胶的主要缺点是分辨率较低，不适于细线条光刻。22在光刻工艺中使用的光刻胶有两大类：一类叫负性光刻胶，其未

表面处理涂胶前烘曝光显影后烘腐蚀除胶23表面处理23光刻胶的性能指标有感光度、分辨率、粘附性、抗蚀性、针孔密度、留膜率、稳定性等。根据待加工材料的性质，加工图形的线宽及精度要求，曝光方式、腐蚀方法等正确选用光刻胶。(1)感光度感光度是表征光刻胶对光线敏感程度的性能指标。它既与光刻胶本身的性质有关，又与具体的光刻工艺条件有关光刻胶的主要性能24光刻胶的性能指标有感光度、分辨率、粘附性、抗蚀性、针孔密（2）分辨率分辨率是光刻胶的又一项重要性能指标，它是指用某种光刻胶光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。分辨率通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示。（3）粘附性（4）抗蚀性湿法刻蚀二氧化硅或金属时，要求光刻胶本身能较长时间经受住酸、碱的浸蚀；干法刻蚀时，要求光刻胶能较长时间经受住等离子体的作用。25（2）分辨率25（5）针孔密度单位面积上的针孔数称为针孔密度。光刻胶膜上的针孔在腐蚀过程中会传递到衬底上去，危害极大。（6）留膜率留膜率是指曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前胶膜厚度之比。留膜率除与光刻胶本身的性质有关外，还受光刻工艺条件的影响。如胶膜厚度、前烘温度、曝光气氛、曝光量、显影液成分等26（5）针孔密度26在硅片上制作器件或电路时，为进行定域掺杂与互连等，需要进行多次光刻，各次光刻的工艺条件略有差异，但一般都要经过涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀和去胶7个步骤。衬底材料对光刻工艺的影响衬底材料的表面清洁度，表面性质和平面度对光刻质量均有影响。光刻工艺27在硅片上制作器件或电路时，为进行定域掺杂与互连等，需要进行多增粘处理二氧化硅是主要的刻蚀对象。由于光刻胶与衬底之间的粘附力大小对光刻质量有极大影响，所以改善二氧化硅表面性质的处理方法，会提高粘附力涂胶

涂胶就是将光刻胶均匀地涂敷在硅片的表面，其质量要求：膜厚符合设计要求，膜厚均匀，胶面上看不到干涉花纹。负胶的片内膜厚误差应小于5%，正胶应小于2%；胶层内无点缺陷；涂层表面没有尘埃碎屑。28增粘处理282929对位与曝光

对位与曝光是光刻工艺中最关键的工序，它直接关系到光刻的分辨率、留膜率、条宽控制和套准精度。曝光的目的是用尽可能短的时间使光刻胶充分感光，在显影后得到尽可能高的留膜率，近似于垂直的光刻胶侧壁和可控的条宽。一般情况下，正胶和负胶显影后的侧壁形状都是梯形，正胶的侧壁较负胶的侧壁要陡直得多。曝光时间越长，光的衍射效应对光刻胶侧壁的影响越严重。除了曝光量以外，光刻胶的膜厚，衬底的反射，胶膜和掩模之间的间距，以及显影条件等因素都会影响条宽变化量。

30对位与曝光30显影

显影是用溶济除去未曝光部分（负胶）或曝光部分（正胶）的光刻胶，在硅片上形成所需的光刻胶图形。影响显影质量的因素显影液与分辨率对于负胶细线条（<5μm）光刻来说，显影时光刻胶的膨胀是影响成象分辨率和线宽的主要原因。与负胶相比正胶显影液是含水的碱性溶液。它对光刻胶的渗透作用较小。未曝光部分的光刻胶不发生化学变化，表面仍呈疏水性。显影液对它的作用很小，因此正胶显影不存在光刻胶的膨胀问题，使正胶的分辨率可以做得很高。因此正胶广泛用微细加工。31显影31后烘后烘的目的是去除显影后胶层内残留的熔液，充分的后烘可提高光刻胶的粘附力和抗蚀性。后烘又称坚膜。在一些特殊场合，高温后烘时产生的塑性流动还可以封闭胶层的微小针孔，或者减小衬底的侧向腐蚀。32后烘32湿法腐蚀腐蚀是为了去除显影扣裸露出来的介质层。覆盖在硅片上的介质主要有下面几种，SiO2、Si3N4等绝缘膜，多晶硅等半导体膜以及Al等金属膜。光刻过程的腐蚀，一般应考虑以下六个问题：①腐蚀均匀性；②腐蚀方向性；③腐蚀选择性；④腐蚀速度；⑤公害和安全措施；⑥经济性。其中最重要的问题是腐蚀方向性与腐蚀选择性。33湿法腐蚀33A．二氧化硅的腐蚀二氧化硅是IC制造中使用最多的一种绝缘介质，关于二氧化硅的湿化学腐蚀机理及NH4F对腐蚀的“缓冲”作用，许多书中都有叙述。B．氮化硅的腐蚀不含氧的纯Si3N4称为硬氮化硅，含氧与氢等的SiN4称为软氮化硅，两者蚀速不等，前者蚀速比后者小。氢氟酸对Si3N4的腐蚀比二氧化硅慢得多，而磷酸正好与之相反。因此，可以用热磷酸去除硅和二氧化硅上的Si3N4层。34A．二氧化硅的腐蚀34C．多晶硅腐蚀以往多晶硅多半用HF-HNO3-HAC（冰醋酸）的混合液进行腐蚀，由于腐蚀终点难于控制，腐蚀质量不佳，现已基本上采用干法腐蚀。D.铝腐蚀铝腐蚀液的种类较多，但使用效果最好的是由磷酸、硝酸、冰醋酸与水组成的混合腐蚀液。E.钝化膜腐蚀IC芯片的钝化普遍采用CVD生长的磷硅玻璃（PSG）。由于钝化腐蚀必然要接触铝表面，因此应尽量减少腐蚀液对铝膜的腐蚀与氧化作用。35C．多晶硅腐蚀35干法腐蚀法腐蚀具有分辨率高、各向异性，腐蚀能力强，不同材料的腐蚀选择比大，腐蚀均匀性重复性好，以及易于实现连续自动操作等优点，干法腐蚀已成为超大规模集成电路制造的标准腐蚀技术。（1）等离子体腐蚀等离子体腐蚀是依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀材料发生化学反应的一种选择性腐蚀方法。36干法腐蚀36去胶

当二氧化硅或铝等待刻蚀材料腐蚀完毕后，起刻蚀掩蔽作用的光刻胶，就必须去除干净。去胶后硅片表面无残胶，残迹，去胶工艺可靠，不损伤下层的衬底表面。去胶的方法很多，目前采用湿法去胶，去胶液是有机或无机试剂，具体的去胶液应根据不同的衬底材料和工艺要求选用。如二氧化硅、氮化硅、多晶硅等衬底材料一般用硫酸中添加过氧化氢，去胶效果好，去胶液可反复多次使用。金属衬底去胶需用专门的有机类去胶剂。37去胶37光刻机ASML、Canon、Nikon25％半导体工业设备投入提高分辨率的方法波长248nm/193/157nm数值孔径0.8538光刻机383.1.2薄膜沉积化学气相淀积(Chemicalvapordeposition)热氧化(Thermaloxidation)物理气相淀积(Physicalvapordeposition)外延(Epitixy)393.1.2薄膜沉积化学气相淀积(Chemicalvapo化学气相淀积

化学气相淀积（chemicalvapourdesition简称为CVD）是使一种或数种物质的气体以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。已发展多种实用的CVD技术。按淀积温度可分为低温（200-500℃），中温（500-1000℃），高温（1000-1200℃）三种；按反应压力分为常压与低压；按反应壁温度可分为热壁与冷壁两类，按反应激活方式可分为热激活、等离子体激活，光激活等。目前最常用的是常压冷壁、低压热壁、等离子激活等三种淀积方法。40化学气相淀积化学气相淀积（chemicalvapour淀积二氧化硅分掺杂与不掺杂两种。不掺杂二氧化硅可用作离子注入或扩散的掩模、防止固态掺杂源内杂质外扩散的覆盖层、以及MOS电路场氧化层的增厚层。掺磷二氧化硅用作金属层间绝缘材料、器件表面的最后钝化层及有害杂质的吸除层。掺有磷、砷、硼的二氧化硅有时作固-固扩散源使用。二氧化硅41淀积二氧化硅分掺杂与不掺杂两种。不掺杂二氧化硅可用作离子

氮化硅在集成电路制造中用作钝化膜，局部氧比膜，扩散掩膜、绝缘介质膜，以及杂质或缺陷的萃取膜使用。氮化硅重要的性质是对水、氧、钠、铝、镓、铟都具有极强的扩散阻挡能力，因此它是一种较理想的钝化材料。

CVD氮化硅的结构是以900℃为界，淀积温度超过900℃时，薄膜开始晶化。低于900℃时，基本上为非晶态，非晶态氮化硅与晶态氮化硅相比，虽然密度较小，硬度较低，腐蚀速率较快，但薄膜的连续性好，针孔少，阻挡杂质扩散的能力更强，适于集成电路制造的要求。氮化硅42氮化硅在集成电路制造中用作钝化膜，局部氧比膜，扩散掩膜、

折射率与蚀速是衡量氮化硅质量的两个常用参量。薄膜富硅时，折射率增加，薄膜含氧时折射率下降。含氧过多会损害薄膜对杂质的阻挡作用。CVD氮化硅膜具有极大的张应力，可达到1×109Pa，因而膜厚超过200nm时有可能发生龟裂。淀积前衬底表面的颗粒杂质含导致膜的应力集中现象。43折射率与蚀速是衡量氮化硅质量的两个常用参量。薄膜富硅时，氮化硅的制备氮化硅有晶态与非晶态两种结构，作为器件使用的氮化硅应当是非晶态的。氮化硅的制备方法很多，有热生长法、反应溅射法、蒸发法、CVD法等等。但在器件生产中主要采用CVD法。此时常利用下述反应进行淀积：（700-900℃）℃3SiN4+4NH3Si3N4+12H2

多晶硅

44氮化硅的制备44热氧化技术1二氧化硅膜的结构氧化工艺是集成电路制造中的基本工艺。为满足集成电路制造的要求，出现了制备二氧化硅膜的多种方法。热氧化工艺生长的二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构。这种结构的基本单元是一个由Si—O原子组成的正四面体，45热氧化技术1二氧化硅膜的结构氧化工艺是集成电路制造中的不同方法制备的二氧化硅膜的物理性质有所不同如密度、折射率、电阻率、介电常数、介电强度等二氧化硅膜的化学性质：有极高的化学稳定性，不溶于水，除氢氟酸外，其他酸与其不起作用，可以被HF所腐蚀，二氧化硅膜的绝缘性能。Si—SiO2的界面特性在此界面上与存在着二氧化硅层中的可动离子电荷，所以控制Si—SiO2中的电荷数目及漂移是关注的问题之一。2.二氧化硅膜的性质3.热氧化工艺

在半导体生产中，普遍采用干氧一湿氧一干氧交替的氧化方法。46不同方法制备的二氧化硅膜的物理性质有所不同如密度、折射率物理气相淀积物理气相淀积(Physicalvapordeposition,PVD)利用外界能量把被淀积靶材料从固体变为气态，并再变成固态沉积在衬底的过程PVD过程只有物质相态的改变而没有化学反应过程PVD可以淀积多种金属和非金属，成本低、稳定性好，但是薄膜质量和台阶覆盖较差PVD蒸镀(Evaporation)溅射(Sputtering)47物理气相淀积物理气相淀积(Physicalvaporde48484949PVD的优缺点蒸镀和溅射都是有方向性的大批量生产，均匀性较好适用材料范围较广台阶覆盖性一般薄膜性能可控设备较为复杂50PVD的优缺点蒸镀和溅射都是有方向性的50外延51外延51掺杂是人为的方法.将所需杂质按要求的浓度与分布掺入到材料中,以达到改变材料的电学性质,形成半导体器件的目的。利用掺杂技术可以制备p—n结，电阻器、欧姆接触和互连线等。掺杂技术在集成电路制造中主要采用扩散法与离子注入法。应根据实际需要，选择合适的掺杂方法。3.1.4掺杂技术52掺杂是人为的方法.将所需杂质按要求的浓度与分布掺入到材料1扩散原理

扩散运动是微现粒子热运动的统计结果.在一定温度下杂质原子具有一定的能量,能够克服某种阻力进入半导体,并在其中缓慢的迁物运动.这些杂质原子不是代替硅原子的位置,而是处在晶体的间隙中,因此扩散有替位式扩散和间隙式扩散两种方式。扩散运动总是从浓度高的地方向浓度低的地方移动,宏观上看,好象有一个力使原子沿着浓度下降的方向运动,运动的快慢与温度,浓度梯度有关。531扩散原理532扩散方法在气固扩散中包含液态源扩散。粉状源扩散，气状源扩散；固一固扩散包含乳胶源扩散、CVD掺杂二氧化硅源