传感器的加工工艺

传感器的加工工艺

姓名：2021/6/271传感器的加工工艺传感器的发展和传感器的加工工艺有着密切的联系，在近现代的科技发展中，加工工艺的进步也促进了传感器制造业的进步。从工艺上讲，传感器制造技术分为部件及子系统制造工艺和封装工艺。前者包括半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等，后者包括硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯片组件工艺等。2021/6/272传感器的加工工艺应用不同的加工方法所能得到的加工精度2021/6/273

腐蚀工艺

主要有化学腐蚀（湿法）和离子刻蚀（干法）两大类。（1）湿法腐蚀：包括各向异性化学腐蚀、电化学腐蚀、掺杂控制的选择性腐蚀等。（2）干法腐蚀：包括等离子刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、离子束化学刻蚀(CAIBE)和离子研磨等。2021/6/274湿法腐蚀工艺所谓湿法腐蚀，就是将晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀，在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触的材料通过化学反应逐步浸蚀溶掉。首先，溶液里的反应物将利用扩散效应来通过一层厚度相当薄的边界层，以达到被蚀刻薄膜的表面。然后，这些反应物将于薄膜表面的分子产生化学反应，并生成各种生成物。这些位于薄膜表面的生成物，也将利用扩散效应而通过边界层到溶液里，而后随着溶液被排出。2021/6/275湿法腐蚀工艺硅片各向异性腐蚀（a）典型的锥形坑被（1111）晶面限制，通过氧化硅掩模上开的方洞，从硅的（100）晶面向内各向异性腐蚀；（b）悬臂梁开掩模，慢凸角根切速率的各向异性腐蚀图；（c）掩模同（b）采用快速凸角根切速率性能的腐蚀剂，如EDP，产生圈套程序的根切效果；（d）对（c）进一步腐蚀形成悬挂在坑上的悬臂梁；（e）图示为在充分长时间的腐蚀后，各向异性腐蚀的根切使腐蚀的形状收敛于预计的形状2021/6/276干法腐蚀是利用粒子轰击对材料的某些部位进行选择性地剔除的一种工艺方法。主要采用纯化学作用的等离子腐蚀及纯物理作用的离子腐蚀或具有物理、化学作用的腐蚀方法，是利用气相刻蚀剂与被刻蚀的样品表面接触而实现的刻蚀技术。当与被腐蚀物接触时，就发生化学反应生成挥发性物质，达到腐蚀目的。干法腐蚀工艺等离子刻蚀机2021/6/277表面牺牲层技术表面牺牲层技术就是在形成微机械结构的空腔或可活动的微结构过程中，先在下层薄膜上用结构材料淀积所需的各种特殊结构件，再用化学刻蚀剂将此层薄膜腐蚀掉，但不损伤微结构件，然后得到上层薄膜结构（空腔或微结构件）。被去掉的下层薄膜只起分离层作用，故称其为牺牲层（sacrificiallayer，厚度约1-2μm）。2021/6/278表面牺牲层技术表面牺牲层技术2021/6/279薄膜工艺薄膜：一般将厚度在0.25mm以下的片状塑料称为薄膜。在传感器中，利用真空蒸镀、溅射成膜、物理气相沉积、化学气相沉积（CVD）、等离子化学气相沉积等工艺，形成各种薄膜，如多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、金属（合金）膜。2021/6/2710化学气相沉积

化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，简称CVD)技术是利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态沉积物的工艺过程。它一般包括三个步骤:①产生挥发性物质；②将挥发性物质输运到沉积区；③于基体上发生化学反应而固态产物。立式CVD装置图2021/6/2711真空蒸镀真空蒸镀是在高真空环境中，将蒸发材料加热至蒸发温度蒸发后而冷凝在要镀膜的基体上的过程。大型蒸镀设备主要由镀膜室、工作架、真空系统、电器控制四部分组成。真空蒸镀原理示意图2021/6/2712溅射成膜工艺溅射法是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质做成的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离子在靶表面原子碰撞过程中将后者溅射出来。这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，实现薄膜的沉积。溅射方式有射频溅射、直流溅射和反应溅射等多种，其中射频溅射应用广泛。2021/6/2713溅射成膜工艺射频磁控溅射原理示意图2021/6/2714光刻技术

集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。首先要在硅片上涂上一层耐腐蚀的光刻胶，随后让强光通过一块刻有电路图案的镂空掩模板（MASK）照射在硅片上。被照射到的部分(如源区和漏区)光刻胶会发生变质，而构筑栅区的地方不会被照射到，所以光刻胶会仍旧粘连在上面。接下来就是用腐蚀性液体清洗硅片，变质的光刻胶被除去，露出下面的硅片，而栅区在光刻胶的保护下不会受到影响。随后就是粒子沉积、掩膜、刻线等操作，直到最后形成成品晶片（WAFER）。为了实现向特征尺寸为0.1μｍ的跨越，出现了下一代光刻技术，如深紫外光刻(DUV)、电子束投影光刻(EBL)、X射线光刻(XRL)、离子束投影光刻(IBL)、极紫外光刻(EUV)和压印光刻技术(NIL)。2021/6/2715深紫外光刻

深紫外光刻工艺2021/6/2716电子束光刻

电子束投影光刻系统2021/6/2717X射线光刻三种点Ｘ射线源2021/6/2718压印光刻压印工艺原理2021/6/2719离子注入技术离子注入就是把掺杂剂的原子引入固体中的一种材料改性方法。离子注入的基本过程（1）将某种元素的原子或携

带该元素的分子经离化变成

带电的离子（2）在强电场中加速，获得

较高的动能（3）注入材料表层（靶）以

改变这种材料表层的物理或

化学性质2021/6/2720离子注入技术离子注入系统示意图2021/6/2721LIGA技术

LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写。LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术（工艺流程如图所示），主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。LIGA工艺流程2021/6/2722辅助工艺粘接：双组分环氧树脂粘接剂（-65℃~150℃）共晶键合：共晶点温度下相互接触一定时间后冷却冷焊：两种金属层在高压、低温下不熔融而相互连接起来钎焊：参与金属化连接的两金属被焊剂浸润再连接起来硅-硅直接键合：硅片放入1050℃的管式炉中加热1小时自然连接微装配2021/6/2723封装技术对于微电子来说，封装的功能是对芯片和引线等内部结构提供支持和保护，使之不受外部环境的干扰和腐蚀破坏；而对于微传感器封装来说，除了要具备以上功能以外，更重要的是微传感器要和外部环境之间形成一个接触界面而获取非电信号。一般说来，微传感器封装比集成电路封装昂贵得多，仅封装成本就占总成本的70%以上。2021/6/2724封装层次结构给出了机器或系统的封装层次结构

2021/6/2725质量控制微传感器的失效分析技术主要包括：光学显微镜、扫描电子显微镜、扫描激光显微镜、原子力显微镜、聚焦离子束、红外显微镜等。微传感器是电子和机械的有机结合，其可靠性主要包括机械、电子、材料以及机械与电子部分相互作用时的可靠性等，其失效分析手段