MEMS工艺(4体硅微加工技术).讲义
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体硅微加工技术培训教材(PPT52张)
电火花加工机床
工作要素
电极材料——要求导电，损耗小，易加工；常用材料： 紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。
工作液——主要功能压缩放电通道区域，提高放电能量 密度，加速蚀物排出；常用工作液有煤油、机油、去离子 水、乳化液等。 放电间隙——合理的间隙是保证火花放电的必要条件。 为保持适当的放电间隙，在加工过程中，需采用自动调节 器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。
图7-73 激光切割
图7-74 激光焊接车身
电火花加工 利用两个电极间的火花 放电产生的高热使火花 放电区的材料熔化； 对材料的要求是导电 特点： 可加工导体或半导体超 硬材料 非接触加工 可制作高深宽比结构
电火花加工
激光加工特点 加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料， 特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚 石等硬脆材料。 加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材 料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。 非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。 可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至1μ以 下，实际上可实现φ0.01mm的小孔加工和窄缝切割。 加工速度快，效率高。 激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处 理等工作。
离子溅射刻蚀是纯粹的物理刻蚀过程，氩 气是最通用的离子源气体。
反应气体刻蚀
利用二氟化氙XeF2在气态可以直接与硅反 应生成挥发性SiF4产物的性质，可以对硅表 面进行各向同性刻蚀。
干法刻蚀与湿法腐蚀对比
导轮
Y 电极丝
X
工件
电火花线切割原理图
MEMS工艺(表面硅加工技术)
D、横向腐蚀形成空腔
腐蚀掉SiO2形成空腔，即得到多晶硅桥式可活动 的硅梁
五、影响牺牲层腐蚀 的因素
牺牲层厚度 腐蚀孔阵列
多晶
LT
塌陷和粘连及防止方法
酒精、液态 置换水； 酒精、液态CO2置换水； 依靠支撑结构防止塌陷。 依靠支撑结构防止塌陷。
六、表面微加工特点及关键 技术
表面微加工过程特点：
绝缘层部分淀积薄膜利用光刻图形化淀积牺牲层膜图形化牺牲层淀积机结构械薄膜图形化释放结构表面微机械加工原理示意图结构层和牺牲层牺牲层结构层四典型牺牲层腐蚀工艺二氧化硅多晶硅利用牺牲层制造硅梁的过程a淀积si并刻窗口在硅衬底上淀积一层si膜作为多晶硅梁的绝缘支撑并有选择地腐蚀出窗口b局部氧化生成sio作为牺牲层
硅 二氧化硅 多晶硅
利用牺牲层制造硅梁的过程
A、淀积Si3N4并刻窗口 在硅衬底上淀积一层Si3N4膜，作为多晶硅梁 的绝缘支撑，并有选择地腐蚀出窗口
B、局部氧化生成SiO2
利用局部氧化技术，在窗口处生成一层SiO2膜， 作为牺牲层。
C、淀积多晶硅并刻微梁
在SiO2层及剩下的Si3N4层上淀积一层多晶硅膜， 厚约2um
MEMS工艺—— 面硅加工技术
一、典型微加工工艺
硅工艺
体硅工艺 表面工艺 两者结合
非硅工艺
LIGA工艺 DEM工艺 其他工艺：超精密加工 、非切削加工、特种加 工技术
二、表面微加工技术
表面微机械加工以硅片为基体，通 过多层膜淀积和图形加工制备三维 微机械结构。 硅表面微机械加工是微机械器件完 全制作在晶片表面而不穿透晶片表 面的一种加工技术。
添加——图形——去除 添加：薄膜沉积技术 图形：光刻 去除：腐蚀技术 表面微加工和IC工艺的区别：形成机械结构！ 形成机械结构！ 形成机械结构
硅微MEMS加工工艺_图文
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
– 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)
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
• 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 。
MEMS技术——工艺(4半导体工艺)
形式：替代式扩散和间隙式扩散
恒定表面浓度扩散和再分布扩散
替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：
Ⅲ、Ⅴ族元素 一般要在很高的温度(950～1280℃)下进行 磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均 远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层 作为杂质扩散的掩蔽层
间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：
甩胶。
•氧化、蒸发后可立即甩胶，不必清洗。
清洗设备
兆声清洗设备
超临界干燥
硅片甩干机
光刻工艺过程 （2）甩胶
设备：甩胶台。 在硅片表面涂覆一层粘附性好，厚度适 当，厚薄均匀的光刻胶。 一般采用旋转法，针对不同的光刻胶黏 度和厚度要求，选择不同的转速。 可分辨线宽是胶膜厚度的5~8倍。
光刻工艺过程
“膜”——在很大面积（整个表面）上连续分 布，除非有意加工，不存在断裂不连续区域。 “多孔薄膜”，有孔，但仍然连续
薄膜的制备——氧化
定义：硅与氧化剂反应生成二氧化硅。 原理：氧化剂被表面吸附，向膜中扩散，在二氧化 硅和硅的接触界面反应生成新的二氧化硅，接触界 面向深层逐步推进。
O2
干氧氧化：Si+O2 SiO2
由颜色来确定氧化层厚度
氧化炉
2、化学气相淀积技术
CVD：Chemical Vapor Deposition
定义：使用加热、等离子体和紫外线等各种能源， 使气态物质经化学反应（热解或化学合成），形 成固态物质淀积在衬底上。相对的蒸发和溅射为 物理气相淀积。
特点：温度低、均匀性好、通用性好、台阶覆盖 性能好，适合大批量生产。
作业
选择一个感兴趣的MEMS技术，做一个技 术调研； 将技术调研的结果做一个综述，综述报告 的结构如下
作业一
MEMS技术 第三讲 工艺设计及版图设计
器件设计
• 原理
• 性能
第三讲主要内容
(3)
1、系统设计与器件设计 2、工艺设计 3、版图设计 4、关于微器件的一般知识
电容原理加速度传 感器
？
工艺流程设计
• Substrate passivation and poly ground plane
• n+ diffusion, 0.5 m thermal oxide, 0.15 m LPCVD nituride • 0.3 m phosphorus-doped LPCVD poly
进口
硅
出口
利用这种双金属 片致动原理研制 的阀如图4-319 所示。其中，硅 膜厚、直径为， 铝层厚，常开间 隙为的阀可控 0.2MPa、的气流， 泄漏仅为 45μL/min
体积膨胀和相变执行器
• 不利用固体的线形膨胀，而是利用体积膨胀也可
以制造出微机械执行器。一种典型的方法是形成 带有密封流体的空腔（如：空气、水蒸汽和液态 水等），这些物质可以被加热，然后就会膨胀。 但是，就象别的许多热驱动方法一样，这种方法 功耗较大，带宽较低，这是由于热时间常数所致。 变相的热执行器包括加热时相态可变的材料，这 样体积发生膨胀从而产生压力以及机械载荷。例 如，可以通过加热将水从液态转变为气态，产生 的气泡可以用作驱动力。
－Depositon of material Pattern transfer Removal of material
probe testing secticning individual DIE Assembly into package package seal final test
MEMS和微系统设计
课程内容
mems的制造工艺
mems的制造工艺【MEMS 的制造工艺】一、MEMS 的历史其实啊，MEMS 这玩意儿可不是突然冒出来的。
早在上世纪 50 年代，就已经有了关于微制造技术的初步探索。
那时候，人们就开始琢磨怎么在小小的芯片上做出复杂的结构。
到了 70 年代，一些研究机构和公司开始认真研究 MEMS 技术，不过当时的工艺还比较粗糙，能做出来的东西也很有限。
真正让 MEMS 大放异彩的是 80 年代以后。
随着半导体制造技术的飞速发展，MEMS 的制造工艺也越来越精细，能实现的功能也越来越强大。
比如说，汽车里的气囊加速度传感器，就是 MEMS 技术的一个重要应用。
说白了就是，MEMS 从一个小小的概念，逐渐成长为改变我们生活的重要技术，这一路走来，充满了挑战和突破。
二、MEMS 的制作过程1. 设计阶段这就好比盖房子之前要先画图纸。
工程师们要根据需要实现的功能，设计出MEMS 器件的结构和布局。
比如说，如果要做一个压力传感器，就得考虑怎么让压力能准确地转化为电信号，这就需要精心设计传感器的敏感结构。
2. 材料准备接下来就是准备材料啦。
MEMS 常用的材料有硅、玻璃、聚合物等等。
就拿硅来说吧，得把它加工成薄薄的晶圆，就像做面饼一样，要擀得又薄又均匀。
3. 光刻这一步就像是在晶圆上“画画”。
通过光刻胶和光刻机，把设计好的图案“印”在晶圆上。
比如说要做一个小小的齿轮，就得先把齿轮的形状光刻出来。
4. 刻蚀有了图案还不行，得把不需要的部分去掉。
刻蚀就好比是用小凿子把多余的部分一点点凿掉，留下我们想要的结构。
5. 沉积有时候还需要在晶圆上沉积一些材料，比如说一层绝缘层或者导电层，就好像给蛋糕上抹一层奶油。
6. 封装最后，把做好的 MEMS 器件封装起来，保护它不受外界的干扰和损伤。
这就像给宝贝穿上一件防护服。
三、MEMS 的特点1. 微型化MEMS 器件都非常小，小到你得用显微镜才能看清楚。
这就使得它们可以集成在各种设备中，不占地方。
第1讲 MEMS技术概述
2、Why MEMS In Science-Swimming
W l3 V∝ = 2 = l R l
Swimming: –The bigger the fish or ship the faster it tends to go, but only in the ratio of the square root of the increasing length. –V: the velocity (v) the swimming body can attain –W: the work (W) it can do, ∝L3 –R : the resistance (skin fiction) to overcome. ∝L2
加工技术(牺牲层、深 刻蚀、键合等） 牵引的 微小 型化 系统
1、What is MEMS
MEMS Marks Scale: From above 1um to below 1mm Manufacture: Batch Fabrication Technology Function: Micro-mechanics, electronics, fluidics, optics.
尺寸 (米)
Human hair Ant Cell phone
Human
MEMS
1、What is MEMS
Nano manipulation 10-10 10-9
Nanotube 10-8
NEMS 10-7 10-6
DNA Atom Bacteria
尺寸 (米)
1、What is MEMS
General Definition of MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems(MEMS) is the integration of mechanical elements, sensors, actuators, and electronics on a common substrate through the utilization of microfabrication technology.
MEMS工艺
Ø 硅片本身不被加工，器件的结构部分由淀 积的薄膜层加工而成，结构与基体之间的 空隙应用牺牲层技术，其作用是支撑结构 层，并形成所需要形状的最基本过程，在 微器件制备的最后工艺中解牺牲层。
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MEMS工艺
Ø 表面微加工过程特点：
Ø添加——图形——去除 Ø添加：薄膜沉积技术 Ø图形：光刻 Ø去除：腐蚀技术
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MEMS工艺
2.残余应力
在微机械加工中是固有的
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MEMS工艺
3.存在于薄膜结构中本身的应力
Ø由微加工过程中原子结构局部变化产 生的
Ø例如，过量掺杂会导致结构在表面微 加工后产生很大的残余应力
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MEMS工艺
粘连
Ø两个分离薄片粘附在一起的现象称为 粘连；
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MEMS工艺
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MEMS工艺
表面微机械加工的特点
Ø 1、在表面微机械加工中，硅片本身不被刻 蚀，没有穿过硅片，硅片背面也无凹坑。
Ø 2、表面微机械加工适用于微小构件的加工， 结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的 反应离子刻蚀工艺。
Ø 3、形成层状结构的特点为微器件设计提供 较大的灵活性。
Ø酒精、液态CO2置换水； Ø依靠支撑结构防止塌陷。
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MEMS工艺
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典型牺牲层腐蚀工艺
Ø 氧化，做体硅腐蚀掩膜层； Ø 光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口； Ø 体硅腐蚀出所需底层结构； Ø 去除SiO2； Ø 生长或淀积牺牲层材料； Ø 光刻牺牲层材料成所需结构； Ø 生长结构材料； Ø 光刻结构材料； Ø 牺牲层腐蚀，释放结构层； Ø 防粘结处理。
MEMS工艺
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MEMS工艺
Ø 表面微加工过程特点：
Ø添加——图形——去除 Ø添加：薄膜沉积技术 Ø图形：光刻 Ø去除：腐蚀技术
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MEMS工艺
2.残余应力
在微机械加工中是固有的
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MEMS工艺
3.存在于薄膜结构中本身的应力
Ø由微加工过程中原子结构局部变化产 生的
Ø例如，过量掺杂会导致结构在表面微 加工后产生很大的残余应力
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MEMS工艺
粘连
Ø两个分离薄片粘附在一起的现象称为 粘连；
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MEMS工艺
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MEMS工艺
表面微机械加工的特点
Ø 1、在表面微机械加工中，硅片本身不被刻 蚀，没有穿过硅片，硅片背面也无凹坑。
Ø 2、表面微机械加工适用于微小构件的加工， 结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的 反应离子刻蚀工艺。
Ø 3、形成层状结构的特点为微器件设计提供 较大的灵活性。
Ø酒精、液态CO2置换水； Ø依靠支撑结构防止塌陷。
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MEMS工艺
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典型牺牲层腐蚀工艺
Ø 氧化，做体硅腐蚀掩膜层； Ø 光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口； Ø 体硅腐蚀出所需底层结构； Ø 去除SiO2； Ø 生长或淀积牺牲层材料； Ø 光刻牺牲层材料成所需结构； Ø 生长结构材料； Ø 光刻结构材料； Ø 牺牲层腐蚀，释放结构层； Ø 防粘结处理。
MEMS工艺
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1.KOH system
溶剂：水，也有用异丙醇(IPA) 溶液：20% - 50% KOH 温度： 60 – 80º C 速率：~1um/分钟 特点：镜面，易于控制，兼容性差
Si H 2O 2KOH K 2 SiOቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2H
2
2.EDP system
EPW [NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2 (邻苯二酚)，H2O] 特点：蒸 气有毒，时效较差， P+选择性好
MEMS工艺—— 硅微加工工艺（腐蚀）
梁 庭
3920330(o) Liangting@
内容
腐蚀工艺简介 湿法腐蚀 干法刻蚀 其他类似加工工艺
腐蚀工艺简介
腐蚀是指一种材料在它所处的环境中由于另一种材料的作 用而造成的缓慢的损害的现象。然而在不同的科学领域对 腐蚀这一概念则有完全不同的理解方式。 在微加工工艺中，腐蚀工艺是用来“可控性”的“去除” 材料的工艺。
3、N2H4 （联氨、无水肼）
为有机、无色的水溶液，具有很强的毒性及挥发 性，在50oC以上就会挥发，故操作时需在良好装 置下及密闭容器中进行。 其优点包括相容于IC制程，对于氧化硅(SiO)及氮 化硅(SiN)等介电材料蚀刻率 低，Ti、Al、Cr、Au 及Pt等金属也无明显蚀刻反应，Ti和Al是目前最 常用的金属材料，蚀刻时不需有其它的保护层， 降低了制程的复杂性。
腐蚀工艺简介——腐蚀工艺重要性
大部分的微加工工艺基于“Top-Down”的加 工思想。 “Top-Down”加工思想：通过去掉多余材料 的方法，实现结构的加工。（雕刻——泥 人） 作为实现“去除”步骤的 腐蚀工艺是形成特定平面 及三维结构过程中，最为 关键的一步。
湿法腐蚀
湿法腐蚀——“湿”式腐蚀方法，基于溶液 状态的腐蚀剂。 湿法腐蚀工艺特点：
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)
1.KOH system
KOH是目前在微机电领域中最常使用的非等 向蚀刻液，为一碱金属之强碱蚀刻液，其金 属杂质会破坏CMOS的氧化层电性，所以不 兼容于IC制程； 但因其价格低廉、溶液配制简单、对硅(100) 蚀刻速率也较其它的蚀刻液为快，更重要的 是操作时稳定、无毒性、又无色，可以观察 蚀刻反应的情况，是目前最常使用的蚀刻液 之一。
硅的各向异性腐蚀技术
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（1： 400）
湿法腐蚀的化学物理机制
腐蚀——生长 晶体生长是典型的各向异性表现。 腐蚀作用：晶体生长的反过程
湿法腐蚀的化学物理机制
腐蚀过程：
反应物扩散到腐蚀液表面 反应物与腐蚀表面发生化学反应 反应物的生成物扩散到溶液中去
各向异性腐蚀简单小结：
粗糙晶面腐蚀比光滑晶面快。（111）面在腐 蚀过程中会因表面重建或吸附变得更平坦，因 而容易在腐蚀过程中显露出来。 理想晶体平滑面腐蚀速率的激活能和化学反应 的能量势差以及液体传输有关。前者的作用是 各向异性的，后者是各向同性的。 表面重构状态影响着腐蚀速率的变化 不同的腐蚀剂中，不同阳离子会影响腐蚀过程 中特殊面的稳定性，因而导致腐蚀结果不同。
各向异性腐蚀的特点：
腐蚀速率比各项同性腐蚀慢，速率仅能 达到1um/min 腐蚀速率受温度影响
在腐蚀过程中需要将温度升高到100℃左 右，从而影响到许多光刻胶的使用
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。
2 NH 2 (CH 2 ) 2 NH 2 Si 3C6 H 4 (CH 2 ) 2 NH 2 (CH 2 ) 2 NH Si(C6 H 4 O2 ) 3 2 H
3 2
EDP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。
4、TMAH
氢氧化四钾铵为有机、无色之水溶液，原本为半导体制程中 正胶的显影液，但目前亦应用于蚀刻制程中。 TMAH的毒性低为其最大优点，对于SiO及SiN等介电材料蚀 刻率低；对于Ti和Al有明显的蚀刻，在蚀刻组件前需加入适 当的硅粉末，降低对铝的蚀刻率，亦可加入酸来降低蚀刻液 的pH值，如酸与铝会发生化学反应生成硅铝酸盐，硅铝酸盐 对蚀刻液有较好的抵抗能力，可以保护铝材的电路。 TMAH的蚀刻反应过程会因操作参数不同而有极大的差异， 且长时间蚀刻蚀刻液亦不稳定。此外，适用于硅微加工的高 浓度TMAH(>15%)价格高昂，都是无法广泛应用的原因。
硅腐蚀方法：干法和湿法 腐蚀方向选择性：各向同性和各向异性 腐蚀材料选择性： 选择性刻蚀或非选择性 刻蚀 选择方法：晶向和掩模 多种腐蚀技术的应用：体硅工艺（三维技 术），表面硅工艺（准三维技术）
硅的各向异性腐蚀 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。
设备简单，操作简便，成本低 可控参数多，适于研发 受外界环境影响大
浓度、温度、搅拌、时间
有些材料难以腐蚀
湿法腐蚀——方向性
各向同性腐蚀——腐蚀速率在不同方向上 没有差别 各向异性腐蚀——对不同的晶面的腐蚀速 率有明显差别 利用各向异性腐蚀特性，可以腐蚀出各种 复杂的结构。
各向异性腐蚀和各向同性腐蚀