硅微MEMS加工工艺教材.ppt

硅微MEMS加工工艺 王晓浩 EMAIL：wangxh@ntl.pim.tsinghua.edu.cn 电话硅微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, NH4OH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(NH2(CH2) 2NH2) 邻苯二酚(C6H4(OH) 2) 水(H2O) 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SiO2，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CO2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SiO2； ) 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?1019cm-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： Ri为低速区的腐蚀速率，N0为阈值浓度，NB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SiO2 ，LPCVD Si3N4； 背面光刻，腐蚀Si3N4和SiO2； 正面光刻，腐蚀Si3N4和SiO2； )体硅腐蚀。 流程2（不出现针孔）： 热氧化SiO2，LPCVD Si3N4； 背面光刻，腐蚀Si3N4，不去胶； 正面光刻，腐蚀Si3N4和SiO2，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