微机电系统设计与制造第4章.ppt
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1、MEMSMEMS的制造技术主要包括两类技术:体微加工和表的制造技术主要包括两类技术:体微加工和表面微加工。这两类加工技术的基本材料都用硅,而加面微加工。这两类加工技术的基本材料都用硅,而加工工艺的基础都是集成电路制造技术。工工艺的基础都是集成电路制造技术。1.1.表面微加工技术,来自金属膜的概念。在硅腐蚀的表面微加工技术,来自金属膜的概念。在硅腐蚀的基础上,采用不同薄膜淀积腐蚀方法,在硅片表面形基础上,采用不同薄膜淀积腐蚀方法,在硅片表面形成不同形状的层状微结构。成不同形状的层状微结构。2.2.LIGALIGA技术技术 3.3.键合工艺,按界面材料的性质,可分为两大类:键合工艺,按界面材料的性
2、质,可分为两大类:(1 1)硅)硅/硅基片的直接键合工艺;(硅基片的直接键合工艺;(2 2)硅)硅/硅基片的间硅基片的间接键合接键合 4.1.4.1.体微加工体微加工硅的体微加工技术包含硅的湿法和干法技术,硅刻蚀硅的体微加工技术包含硅的湿法和干法技术,硅刻蚀自终止技术、自终止技术、LIGALIGA技术、以及技术、以及DEMDEM技术。技术。第四章制造技术第四章制造技术MEMS 的的第四章制造技术第四章制造技术MEMS 的的4.1.1.4.1.1.蚀的湿法技术蚀的湿法技术蚀的湿法技术蚀的湿法技术 硅刻腐硅刻腐硅刻腐硅刻腐 EMSEMS中的体微加工的硅体刻蚀湿法技术原理介绍如下:中的体微加工的硅体
3、刻蚀湿法技术原理介绍如下:中的体微加工的硅体刻蚀湿法技术原理介绍如下:中的体微加工的硅体刻蚀湿法技术原理介绍如下:硅表面上的点便作为随机分布的局部区域的阳极与阴硅表面上的点便作为随机分布的局部区域的阳极与阴硅表面上的点便作为随机分布的局部区域的阳极与阴硅表面上的点便作为随机分布的局部区域的阳极与阴极。由于这些局部区域化电解电池的作用,硅表面发极。由于这些局部区域化电解电池的作用,硅表面发极。由于这些局部区域化电解电池的作用,硅表面发极。由于这些局部区域化电解电池的作用,硅表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流,一般超过生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流,一般超过生了氧化反应并引起相当大的腐蚀
4、电流,一般超过生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流,一般超过100A/cm100A/cm2 2。硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液所含的杂质、腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附所含的杂质、腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附所含的杂质、腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附所含的杂质、腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附过程等因素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大过程等因素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大过程等因素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大过程等因素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都
5、有很大的影响。的影响。的影响。的影响。用于这种化学腐蚀的化学试剂很多,常用的有用于这种化学腐蚀的化学试剂很多,常用的有用于这种化学腐蚀的化学试剂很多,常用的有用于这种化学腐蚀的化学试剂很多,常用的有HF-HNOHF-HNOHF-HNOHF-HNO3 3 3 3(氢氟酸氢氟酸氢氟酸氢氟酸-硝酸硝酸硝酸硝酸)腐蚀系统(各向同性腐蚀),腐蚀系统(各向同性腐蚀),腐蚀系统(各向同性腐蚀),腐蚀系统(各向同性腐蚀),第四章制造技术第四章制造技术MEMS 的的KOHKOHKOHKOH、EDPEDPEDPEDP腐蚀系统(各向异性腐蚀)。腐蚀系统(各向异性腐蚀)。腐蚀系统(各向异性腐蚀)。腐蚀系统(各向异性腐
6、蚀)。对于对于对于对于HF-HNOHF-HNOHF-HNOHF-HNO3 3 3 3和和和和H H H H2 2 2 2O O O O(或(或(或(或CHCHCHCH3 3 3 3COOH COOH COOH COOH 乙酸)腐蚀系统,硅乙酸)腐蚀系统,硅乙酸)腐蚀系统,硅乙酸)腐蚀系统,硅腐蚀的机理是,首先硅表面的阳极反应为腐蚀的机理是,首先硅表面的阳极反应为腐蚀的机理是,首先硅表面的阳极反应为腐蚀的机理是,首先硅表面的阳极反应为 S Si i+2h+2h+S Si i2+2+(4-1)(4-1)这这这这里里里里h h+表表表表示示示示空空空空穴穴穴穴即即即即SiSi得得得得到到到到空空空空
7、穴穴穴穴后后后后原原原原来来来来的的的的状状状状态态态态升升升升至至至至较较较较高高高高的氧化态。腐蚀液中的水解离发生下述反应:的氧化态。腐蚀液中的水解离发生下述反应:的氧化态。腐蚀液中的水解离发生下述反应:的氧化态。腐蚀液中的水解离发生下述反应:H H2 2O=(OH)O=(OH)-+H+H+(4-2)(4-2)S Si i+与(与(与(与(OHOH)结合为:)结合为:)结合为:)结合为:Si Si2 2+2(OH)+2(OH)-Si(OH)Si(OH)2 2 (4-3)(4-3)接着接着接着接着Si(OH)Si(OH)2 2放出放出放出放出HH2 2并形成并形成并形成并形成SiOSiO2
8、2,即,即,即,即Si(OH)Si(OH)2 2 SiOSiO2 2+H+H2 2 (4-4)(4-4)由由于于腐腐蚀蚀液液中中存存在在HFHF,所所以以O O2 2立立即即与与HFHF反反应应,反反应应式为式为SiOSiO2 2+6HFH+6HFH2 2SiFSiF6 6+2H+2H2 2O(4-5)O(4-5)早早期期研研究究结结果果表表明明,对对于于KOHKOH(氢氢氧氧化化钾钾)、H H2 2O O和和(CHCH3 3)2 2CHOHCHOH(异丙醇,即(异丙醇,即IPAIPA)腐蚀系统,硅的)腐蚀系统,硅的腐蚀机理的反应式如下:腐蚀机理的反应式如下:KOH+H KOH+H2 2O=K
9、O=K+2OH+2OH-+H+H+(4-6)(4-6)Si+2OHSi+2OH-+4H+4H2 2OSi(OH)OSi(OH)2-2-(4-7)(4-7)即首先将硅氧化成含水的硅化合物,结合反应如下式即首先将硅氧化成含水的硅化合物,结合反应如下式表示:表示:(4-8)(4-8)络合物络合物络合物络合物 由上述反应方程可知,首先由上述反应方程可知,首先KOHKOH将硅氧化成含水将硅氧化成含水的硅化合物,然后与异丙醇反应,形成可溶解的硅,的硅化合物,然后与异丙醇反应,形成可溶解的硅,这样络合物不断离开硅的表面。水的作用是为氧化这样络合物不断离开硅的表面。水的作用是为氧化过程提供过程提供OHOH-。
10、硅无论是在硅无论是在HF-HNOHF-HNO3 3腐蚀系统中,还是在腐蚀系统中,还是在KOHKOH腐腐蚀系统中,其腐蚀过程既可受反应速率限制,也可受蚀系统中,其腐蚀过程既可受反应速率限制,也可受扩散限制扩散限制.如果腐蚀取决于化学反应速率,这种过程称为反应速如果腐蚀取决于化学反应速率,这种过程称为反应速率限制。如果腐蚀剂通过扩散转移到硅片表面的则称率限制。如果腐蚀剂通过扩散转移到硅片表面的则称为扩散限制。与反应速率限制过程相比,扩散限制过为扩散限制。与反应速率限制过程相比,扩散限制过腐蚀过程中腐蚀条件发生变化,例如温度和腐蚀液的腐蚀过程中腐蚀条件发生变化,例如温度和腐蚀液的化学成分发生变化,将
11、会改变速率限制化学成分发生变化,将会改变速率限制 。整个过程决定单晶腐蚀的其他因素包括:晶体取向、导整个过程决定单晶腐蚀的其他因素包括:晶体取向、导电类型、掺杂原子浓度、晶格损伤以及表面结构。电类型、掺杂原子浓度、晶格损伤以及表面结构。如果在单晶硅各个方向上的腐蚀速率是均匀的称为各如果在单晶硅各个方向上的腐蚀速率是均匀的称为各向同性刻蚀,而腐蚀速率取决于晶体取向的则称为各向向同性刻蚀,而腐蚀速率取决于晶体取向的则称为各向异性腐蚀。异性腐蚀。在一定的条件下腐蚀具有一定的方向跃居第在一定的条件下腐蚀具有一定的方向跃居第一,是硅单晶片腐蚀过程中的重要特征之一。一,是硅单晶片腐蚀过程中的重要特征之一。
12、4.1.24.1.2硅体的各向同性刻蚀硅体的各向同性刻蚀 硅体的各向同性刻蚀在硅体的各向同性刻蚀在MEMSMEMS制造中有着极为广泛的制造中有着极为广泛的应用应用.而硅的各向同性腐蚀最常用的腐蚀液为而硅的各向同性腐蚀最常用的腐蚀液为HF-HF-HNOHNO3 3加水或者乙酸系统加水或者乙酸系统(通常称为通常称为HNAHNA系统系统)HNAHNA系统中,其腐蚀机理:硝酸硅发生氧化反应生成系统中,其腐蚀机理:硝酸硅发生氧化反应生成二二氧氧化化硅硅然然后后由由HFHF将将二二氧氧化化硅硅溶溶解解,其其反反应应式式Si+HNOSi+HNO3 3+HF=H+HF=H2 2SiFSiF6 6+HNO+HN
13、O2 2+H+H2 2O+HO+H22(4-10)(4-10)在这种腐蚀系统中,水和乙酸(在这种腐蚀系统中,水和乙酸(CHCH3 3COOHCOOH)通常作)通常作为稀释剂,在为稀释剂,在HNOHNO3 3溶液中,溶液中,HNOHNO3 3几乎全部电离,因几乎全部电离,因此此H H+浓度较高,而浓度较高,而CHCH3 3COOHCOOH是弱酸,电离度较小,是弱酸,电离度较小,它的电离反应为它的电离反应为CHCH3 3COOH=CHCOOH=CH3 3COOCOO-+H+H+(4.11)(4.11)图表面取向对腐蚀速率的影响与温度的关系图4.3腐蚀速率与温度的关系(高HF区,无稀释)自下而上每族
14、曲线对应的配比为:95%HF+5%HNO3,90%HF+10%HNO3,85%HF+15HNO3 图4.4腐蚀速率与温度的关系(H2O稀释)65%HF+20%HNO3+15%H2O,20%HF+60%HNH3+20%H2O图腐蚀速率与成分的关系 图4.6硅的等腐蚀线(HF:HNO3:稀释剂)图给出了分别用H2O和CH3COOH作为稀释剂的HF+HNO3,系统腐蚀硅的等腐蚀线(常用的浓酸的重量百分比是49.2%HF和69.5%HNO3)。用H2O和CH3COOH作为稀释剂的功能基本相似,其共同特点有:(1)在低HNO3及高HF浓度区(见图4.6的顶角区),等腐蚀曲线平行于等HNO3浓度线,由于该
15、区有过量的HF可溶解反应产物SiO2,所以腐蚀速率受HNO3的浓度所控制。(2)在低HF高HNO3区(见图4.6的右下角),等腐蚀线平行于HF浓度线。(3)当HFHNO3=11,稀释液浓度百分比小于10%时,随稀释液的增加对腐蚀速率影响较大草原稀释液从10%30%,腐蚀速率随秋耕释液的增加呈减小;稀释液大于30%后,稀释的微小变化会引起腐蚀速率的很大变化。4.1.3硅体的各向异性刻蚀硅体的各向异性刻蚀在MEMS制造中起着极其重要的作用,硅体的各向异性腐蚀机理为在有些溶液中单晶硅的腐蚀速率取决于晶体取向,即在某种晶体取向上硅的腐蚀速率非常快,而在其他方向上腐蚀速率又非常慢。基于硅的这种腐蚀特性,
16、可在硅基片上加工出各种各样的微结构。硅 体 的 各 向 异 性 腐 蚀 液 的 种 类 很 多。最 常 用 的(100)/(111)腐蚀速率比最大的是KOH腐蚀液。用KOH腐蚀液腐蚀单晶硅晶体其在三个常用晶面方向上的腐蚀速率情况是(100)(110)(111)。而(100)/(111)的最大腐蚀速率可达4001 图4.7给出了硅单晶片各向异性腐蚀示意图。图4.7硅单晶片各向异性腐蚀示意图Wb=W0o其中L是腐蚀深度。1、氢氧化钾的刻蚀机理 硅体的各向异性刻蚀的腐蚀剂基本是碱性溶液,而氢氧化钾溶液占一半以上,因此氢氧化钾是硅体的各向异性腐蚀重要的和常用的腐蚀剂。2、各向异性刻蚀的物理机理 图4.
17、8各向异性的物理机理 腐蚀3、腐蚀速率 图4.9腐蚀速率测试掩膜版 图4.10腐蚀后的测试图形显示表在不同KOH浓度和温度情况下,(100)面硅的腐蚀速率(m/h)KOH浓度2040608010020%1.577.0926.786.324630%1.325.9822.379.020640%1.175.2819.964.418350%0.843.7714.245.91314、体刻蚀的基本结构 硅体在氢氧化钾溶液中,各向异性腐蚀,利用此性能可制作各种各样微机械基本结构如图所示。图体硅微机械的基本结构 一般需要刻蚀制作薄膜时,掩膜开的窗口必须比膜的尺寸大,其倾斜的角度由几何计算得到为O,而斜坡所占的
18、面积也可计算得到。多晶硅所需刻蚀的深度为O时,单边斜坡所占的长度L=0.71D(4.18)4.1.4硅刻蚀的干法技术干法刻蚀具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的选择比大,以及能进行自动化操作等优点。因此,干法刻蚀在体微加工中将逐渐占有重要地位。干法刻蚀的过程可分为以下几个步骤:(1)腐蚀性气体粒子的产生;(2)粒子向衬底的传输(3)衬底表面的腐蚀;(4)腐蚀反映物的排除。干法腐蚀的种类很多,其中有:物理方法:离子腐蚀(溅射)Ion Etching(IE),离子束腐蚀Ion Beam Etching(IBE);化学方法:等离子体腐蚀 PlasmaEtching(PE);4.1.4.1物理腐蚀
19、技术(1)离子腐蚀(IonEtching,IE)图平行板反应器的结构原理(2)离子束腐蚀(IonBeamEtching,IBE)离子束腐蚀是一种利用惰性离子进行腐蚀的物理腐蚀。在离子束腐蚀中,被腐蚀的衬底和产生离子的等离子区在空间是分离的,如图4.13所示。图4.13离子束腐蚀装置结构原理 图4.14在纯物理离子腐蚀中出现的制造物的原理示意图 4.1.4.2 物理和化学腐蚀过程相结合 除去纯物理和纯化学干法腐蚀方法外,由于化学腐蚀所具有的高选择性和物理腐蚀所具有的各向异性,目前主要是将这两种方法组合起来使用。(1)等离子体腐蚀(Plasma Etcing,PE)(2)反应离子腐蚀(Reacti
20、ve Ion Etching,,RIE)(3)反应离子束腐蚀 4.2 硅体刻蚀自停止技术 硅体刻蚀自停止技术是体微加工中关键技术之一。它利用不同晶格取向的硅和掺杂浓度不同,使硅在不同的腐蚀液中表现出不同的腐蚀性能。可以认为KOH溶液对重掺杂硅基本上不腐蚀;同时又知道,重掺杂硼的硅腐蚀自停止效应比重掺杂磷的硅更明显,所以工艺中常用重掺杂硼的硅作为硅腐蚀的自停止层材料。图为重掺杂硼硅腐蚀的自停止腐蚀工艺。其工艺流程为:图4。15重掺杂硼的硅自停止腐蚀工艺 具有的高选择性和物理腐蚀所具有的各向异性,目前主要是将这两种方法组合起来使用。4.2.2(111)面自停止腐蚀技术 图为(111)面自停止腐蚀工
21、艺。其工艺流程为:4.2.3p-n结腐蚀自停止技术p-n结腐蚀自停止是一种使用硅的各向异性腐蚀剂如氢氧化钾的电化学腐蚀自停止技术,它利用了N型硅和P型硅在各向异怀腐蚀液中的钝化电位不同这一现象。图给出了在氢氧化钾腐蚀液(65,40%)中(100)晶向P型硅和N型硅样品的电流一电压特性。图4.20是一种典型的电化学腐蚀自停止方法。图4.16(111)面自停止腐蚀工艺 图4.17P型和N型硅在KOH腐蚀液中的特性 图4。20电化学腐蚀系统 图4.21硅在5%HF中的电化学腐蚀IV 4.2LIGA体微加工技术 LIGA体微加工技术由四个工艺组成部分:LIGA掩模板制造工艺;X光深层光刻工艺;微电铸工
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