硅微加工工艺.ppt

硅微细加工工艺 主讲：XX 机械研13-4 * 硅微细加工工艺 1、硅 2、硅的体微加工技术 3、硅的表面微加工技术 1、硅 单晶硅是MEMS和微系统采用最广泛的材料。 单晶硅的特点： a.良好的传感性能，如光电效应、压阻效应、霍尔效应等； b.单晶硅的杨氏模量、硬度和抗拉强度与不锈钢非常接近，但其质量密度与铝相仿； c.非常脆，不能产生塑性变形； d.热膨胀系数小，熔点较高； e.硅材料是各向异性的。 * 2、硅的体微加工技术 硅微细加工（Silicon Micromachining）主要是指以硅材料为基础制作各种微机械零部件的加工技术。总体上分为体加工和面加工两大类。 体加工主要指各种硅刻蚀（腐蚀）技术，而面加工则指各种薄膜制备技术。 * 2.1硅的体微加工技术 硅的体微加工（Bulk Micromachining）技术是指利用刻蚀（Etching）等工艺对块硅进行准三维结构的微加工，即去除部分基体或衬底材料，以形成所需要的硅微结构。 刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。 * 2.1.1湿法刻蚀 湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻物质之间的化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。 工艺特点 设备简单、操作方便、成本低 可控参数多，适用于研发 受外界环境影响大（浓度、温度、搅拌、时间） 有些材料难以腐蚀 * 湿法刻蚀——方向性 各向同性刻蚀——刻蚀速率在不同方向上没有差别 各向异性刻蚀——对不同晶面的刻蚀速率由明显的差别 * 各向同性湿法刻蚀 常用的各向同性刻蚀剂是HNA系统，它是HF（氢氟酸）、HNO3（硝酸）、CH3COOH（乙酸）和水的混合溶液。 湿法单晶硅刻蚀剂的刻蚀机理：(a)空穴注入硅后形成Si2+或Si+；(b)Si2+与OH－聚合为[Si(OH)2]2+；(c)在溶液中，硅氢氧化物（硅化物）与溶液中的络合剂产生反应；(d)反应的产物溶解在溶液中。 * 各向同性刻蚀的停蚀技术 HNA系统在高稀释情况下(如体积1HF+3HNO3+8CH3COOH)可以对掺杂浓度不同的硅进行选择性刻蚀。 实验表明，对于高掺杂硅和低掺杂硅，在HNA系统刻蚀2min后，其刻蚀深度比为160:1；随时间的推移，15min后，比值降为6.7:1。这是由于在反应中亚硝酸(HNO2)增加，导致了两种硅的刻蚀程度开始接近。 为了保持较好的选择性刻蚀效果，可以加入氧化剂（如双氧水H2O2）或还原剂（如叠氮化钠NaN3）以控制HNO2的产生，这样就可以达到对低掺杂硅几乎不刻蚀的停蚀效果。 * 各向异性湿法刻蚀 各向异性刻蚀是指在某个方向上的刻蚀速率远大于另一个方向。 机理：刻蚀液发射空穴给硅，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。 特点： 刻蚀速率比各向同性刻蚀慢，速率仅达1um/min； 刻蚀速率受温度影响； 在刻蚀过程中需要将温度升高到100OC左右，从而影响到很多光刻胶的使用。 * 刻蚀液 无机刻蚀液：KOH、NaOH、LiOH和NH4OH等。 有机刻蚀液：EPW、TMAHW和联氨等。 常用体硅刻蚀液： (1)KOH系列溶液； (2)EPW（E：乙二胺；P：邻苯二酚；W：水）系列溶液。 这些刻蚀剂的共同特点：对硅的[100]晶面的刻蚀速度最快，[110]晶面次之，[111]晶面的刻蚀速度最慢。 硅在[111]和[100]晶面的刻蚀速度之比为1:400。 * 各向异性刻蚀的停蚀技术 主要方法有：重掺杂停蚀、(111)面停蚀、电化学停蚀和PN结停蚀等。 例：(111)面停蚀方法 常用的KOH系列刻蚀液对(111)和(100)晶面的刻蚀速率相差极大，因此如果选用(111)面作为停蚀面，就可以在(100)面上刻蚀出(111)取向的硅膜。 * 2.1.2干法刻蚀 优点：各向异性刻蚀性强；分辨率高；刻蚀3um以下线条。 类型： ?等离子体刻蚀：化学性刻蚀； ?溅射刻蚀：纯物理刻蚀； ?反应离子刻蚀（RIE）：结合?、?。 * ?等离子体刻蚀（Plasma Etching，PE）原理 a.产生等离子体：刻蚀气体经辉光发电后，成为具有很强化学活性的离子及游离基——等离子体。 b.等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。 特点： 选择性好； 各向异性差。 刻蚀气体：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。 * * ?溅射刻蚀原理 a.形成能量很高的等离子体； b.等离子体轰击被刻蚀的材料，使其被撞原子飞溅出来，形成刻蚀。 特点：