硅微MEMS加工工艺.ppt

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,硅微,MEMS,加工工艺,王晓浩,EMAIL：,wangxh,ntl,.,pim,.,tsinghua,.,edu,.,cn,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,NH,4,OH,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(,NH,2,(CH,2,),2,NH,2,),邻苯二酚(,C,6,H,4,(OH),2,),水(,H,2,O),EPW,腐蚀条件,腐蚀温度：115左右,反应容器在甘油池内加热，加热均匀；,防止乙二胺挥发，冷凝回流；,磁装置搅拌，保证腐蚀液均匀；,在反应时通氮气加以保护。,掩膜层：用,SiO,2，,厚度4000埃以上。,腐蚀设备,影响腐蚀质量因素,腐蚀液成分,新旧腐蚀液,试剂重复性,温度,保护,搅拌,牺牲层技术,属硅表面加工技术。,是加工悬空和活动结构的有效途径。,采用此种方法可无组装一次制成具有活动部件的微机械结构。,牺牲层材料,影响牺牲层腐蚀的因素,牺牲层厚度,腐蚀孔阵列,塌陷和粘连及防止方法,酒精、液态,CO,2,置换水；,依靠支撑结构防止塌陷。,典型牺牲层腐蚀工艺,)氧化，做体硅腐蚀掩膜层；,)光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口；,)体硅腐蚀出所需底层结构；,)去除,SiO,2,；,),生长或淀积牺牲层材料；,)光刻牺牲层材料成所需结构；,)生长结构材料；,)光刻结构材料；,)牺牲层腐蚀，释放结构层；,)防粘结处理。,自停止腐蚀技术,机理：,EPW,和,KOH,对硅的腐蚀在掺杂浓度小于1,10,19,cm,-3,时基本为常数，超过该浓度时，腐蚀速率与掺杂硼浓度的4次方成反比，达到一定的浓度时，腐蚀速率很小，甚至可以认为腐蚀“停止”。,腐蚀速率经验公式：,R,i,为低速区的腐蚀速率，,N,0,为阈值浓度，,N,B,为掺杂浓度，,a,与腐蚀液的种类有关，用,EPW,腐蚀可取4。,自停止腐蚀典型工艺流程,双面光刻,MEMS,器件的结构一般是平面化的三维结构，很多器件两面都有结构或图形，而且有对准要求，需要双面光刻。,设备：投影双面光刻机或红外双面光刻机。,双面光刻制版问题,两面图形不同,考虑镜向问题,双面光刻制版问题,两面图形相同,子图形呈中心对称分布,子图形不左右对称分布，且两面的图形上下反对称分布，则整个硅片上所有芯片的图形应该都是从左向右或从右向左的；,子图形不左右对称分布，且两面的图形上下对称分布，则硅片上左右两半边的芯片图形应该是反向分布的，都指向中心或背向中心。,针孔问题,流程1（出现针孔）：,热氧化,SiO,2,，LPCVD Si,3,N,4,；,背面光刻，腐蚀,Si,3,N,4,和,SiO,2,；,正面光刻，腐蚀,Si,3,N,4,和,SiO,2,；,),体硅腐蚀。,流程2（不出现针孔）：,热氧化,SiO,2,，LPCVD Si,3,N,4,；,背面光刻，腐蚀,Si,3,N,4,，,不去胶；,正面光刻，腐蚀,Si,3,N,4,和,SiO,2,，,去胶；,体硅腐蚀。,凸角腐蚀补偿,凸角腐蚀是指在硅岛或硅梁的腐蚀成型过程中，凸角部分被腐蚀掉的现象，体硅各向异性腐蚀时经常出现，这是因为对(100)晶面的硅片体硅腐蚀时，凸角的边缘与110方向平行，而腐蚀液对此方向的腐蚀速度较快。若要腐蚀出带凸角的整齐的台面结构，必须采取凸角补偿。,凸角腐蚀补偿,相关尺寸,补偿角及补偿岛,凸角腐蚀补偿,重掺杂自停止腐蚀法,当目标结构的厚度相对较薄时,在加工结构前先在硅片上扩散自停止层，深度达到所需结构厚度，光刻后用干法腐蚀出结构图形，然后体硅腐蚀，准确得到设计的结构。,MEMS,基本结构加工工艺,