（微电子学与固体电子学专业论文）mems工艺优化及其应用.pdf

摘要 m e m s 是微机电系统的简称，是多种学科交叉融合的前沿高技术，是未来的主导产业 之一，将对2 l 世纪人类的科学技术、生产方式和生活方式产生深远的影响。m e m s 标准 工艺的研究对于m e m s 器件的制造有着重要的意义。m e m s 标准工艺主要由工艺流程以及 版图设计规则两部分组成。本论文基于硅基微细加工技术，按照硅基m e m s 微型传感器 的器件结构，利用现有设备条件，对表面牺牲层m e m s 工艺以及体硅m e m s 工艺中部分 关键技术进行工艺摸索。主要开展了以下几方面的工作： 1 - 、初步探索了表面牺牲层m e m s 工艺中对在聚酰亚胺牺牲层薄膜上淀积结构层的应 力及应力梯度控制。通过一系列对比试验验证了聚酰亚胺薄膜对于温度的不稳定性， 为在聚酰亚胺薄膜上淀积低应力结构层提供了工艺的优化方向。 2 、主要研究了m e m s 体硅工艺的核心一深硅刻蚀工艺，优化了深硅刻蚀工艺条件， 得到了较好的工艺结果( 几乎垂直的侧壁陡直度，小于2 0 0 n m 的侧壁粗糙度以及切底) 。 在此基础上初步优化设计了一套硅基m e m s 体微细加工标准工艺流程，并已成 功用于研发m e m s 惯性器件，为高效率制造出高性能的m e m s 器件提供了技术支持。 关键词：m e m s 标准工艺微细加工技术设计规则深硅ic p 刻蚀聚酰亚胺牺牲层应 力及应力梯度控制 a bs t r a c t m e m si ss h o r tf o rm i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ；w h i c hi sam u l t i d i s c i p l i n a r y h i 曲- t e c hi n d u s t r y , w o u l db eo n eo fw o r l d sm o s tl e a d i n gi n d u s t r i e s i tw i l lh a v e r e v o l u t i o n a r yc o n s e q u e n c e sf o rm a n k i n di ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ；m o d eo fp r o d u c t i o na n d l i f e s t u d yo fm e m ss t a n d a r d p r o c e s ss t u d yo fm e m ss t a n d a r dp r o c e s sd i r e c t l y i n f l u e n c e df a b r i c a t i o no fm e m sd e v i c e 。m e m ss t a n d a r dp r o c e s sf o r m sb yp r o c e s sf l o w a n dl a y o u td e s i g nr u l e s t 】蚯st h e s i sb a s e do nm i c r of a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r eo fs i l i c o nb a s e dm e m sm i c r os e n s o rd e v i c e ，u t i l i z e d e q u i p m e n ti ne x i s t e n c e d e v e l o p e da n do p t i m i z e daf e wk e yp r o c e s s e so fm e m ss a c r i f i c i a l 1 a y e rp r o c e s sa n dm e m s b u l kp r o c e s sb a s e do ns i l i c o n a l lt h ew o r k sa n ds t u d i e sw o u l db es h o w n ： 1 e x p l o r e dt h es t r e s sa n ds t r e s sg r a d i e n tc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yo ft h es t r u c t u r el a y e r m e m b r a n ed e p o s i t e do np o l y i m i d em e m b r a n ea ss a c r i f i c i a l l a y e r v 烈i d a t e d t h a tt h e p h y s i c a li n s t a b i l i t y o ft h e p o l y i m i d em e m b r a n e a ss a c r i f i c i a l l a y e r u n d e rc h a n g i n g t e m p e r a t u r eb yas e r i a lo fe x p e r i m e n t i n d i c a t e daw a yt oo p t i m i z et h ep r o c e s so fd e p o s i t i n g l o w - s t r e s sm e m b r a n ea ss t r u c t u r el a y e ro np o l y i m i d em e m b r a n e 2 w o r k e do v e ra n i s o t r o p i cs i l i c o ne t c h i n g ( a s e ) p r o c e s s ，t h ec o r ep r o c e s so fm e m s b u l kp r o c e s sb a s e do ns i l i c o n o p t i m i z e dt h ea s e p r o c e s s ，g o tt h eo p t i m i z e dr e s u l t ( b e t t e r v e r t i c a l i t yo fe t c h i n gp r o f i l e 1 0 w e rs c a l l o pa n dl o w e ru n d e r c u t ) 。 t h e nid e s i g nas i l i c o n b a s e dm e m sb u l ks t a n d a r dp r o c e s sf l o wb a s e do nm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds t r u c t u r eo fm e m sd e v i c e t h i st h e s i so f f e r st e c h n o l o g ys u p p o r t f o rf a b r i c a t i o nh i g h p e r f o r m a n c em e m sd e v i c ew i 血l l i g he f f i c i e n c y 。 k e yw o r d s ：m e m ss t a n d a r dp r o c e s sm i c r o - f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yl a y o u td e s i g n r u l e a n i s o t r o p i cs i l i c o n e t c h i n gp o l y i m i d ea ss a c r i f i c i a ll a y e r s t r e s s a n ds t r e s sg r a d i e n tc o n t r o l l i n g l i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，m e m s 工艺优化及其应用是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：么衄丝给立月纬 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：避 导师签名：监 趁年三省日 理坦年三月当日 第一章引言 1 1m e m s 的特点及发展状况 m e m s 是微机电系统( m i c r oe l e c t r o n i cm e c h a n i c a ls y s t e m ) 的简称，m e m s 指 的是特征长度在1 毫米以下；1 微米以上；结合有电学与机械部分；用集成电路制造 工艺批量加工的器件【i 】【2 】【3 】，图i 1 标明了m e m s 器件的尺寸范围。 ，护翻孔，o i 了c a 付lu 4 n l w l i g h ty e a r 俨 l - _ _ _ 一 m e l e r 符产焉亍焉鼍历= 祭婴焉f 焉鼍孑= 再0 2 l 。，a m 9 栅。，p 耐f h 哦沁m 棚a m e 。甜l h u m a nh a i rl m a n t y p i c a lm a n - m a d e d e v i c e s 图1 1m e m s 器件的尺寸范i 司 m e m s 的特点可以概括为微型化与集成化h 】【5 l 。其中，微型化是m e m s 的最主要特 征，体现于器件的特征尺寸降低到微米量级，由此可以进一步降低器件的成本与能耗， 同时也减小的器件的体积。集成化指的是利用大规模集成电路( v l s i ) 相关技术使器 件的机械结构、电学结构和其他结构集成在一个小面积的空间内，形成具有特定功能 的微型系统，使之可以得到更广泛的应用。m e m s 的产生基于集成电路制造工艺的发展， 利用集成电路制造工艺可以达到对m e m s 器件的批量生产，这样不但节约了m e m s 器件 的制造成本，也实现了m e m s 器件的高效率和大批量生产。 由于m e m s 技术具有以上特点，所以m e m s 技术可以应用于其他领域，例如：i t 产业、军事领域、航空航天、汽车、生物医学、环境监控等领域。m e m s 已经对2 1 世 纪的科学技术、生产方式以及人类生活质量等造成了深远影响。 m e m s 起源于2 0 世纪7 0 年代。1 9 6 2 年，第一个硅微型压力传感器问世，1 9 8 7 年 美国加州大学伯克利分校的m u l l e r 等人研制出转子直径为6 0 1 2 0um 的硅微型静电 电机，1 9 8 7 1 9 8 8 年间，一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开，m e m s 一词在这 些会议中被广泛采纳并渐渐成为一个世界性的学术用语【6 】。 由于m e m s 技术在军事、航天、信息、医学、工业和农业等领域有着广阔的应用 前景，受到了世界各国的高度重视，相继投入大量的人力、物力开展了对m e m s 器件的 研究。其中美国、欧洲、日本等国家都制订了大规模的发展计划予以推动m e m s 技术 的研发： 美国是最早将m e m s 技术商品化的国家，政府方面通过国防部的d a r p a ( d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ) 计划积极投入m e m s 的研究，每年投资m e m s 技 术用于开发的经费达5 0 0 0 万美元。1 9 9 3 年，美国a d i 公司成功地将微型加速度计商 品化，并大批量将其应用于汽车防撞气囊。标志着m e m s 技术商品化的开端。 日本通产省自1 9 9 1 年开始了为期1 0 年总投资2 5 0 多亿日元的微机械技术研究开 发计划。 欧洲的早期m e m s 研究计划主要体现在法德两国。到1 9 9 3 年底，欧洲共有8 所科 研院校，2 3 个国家研究所，建立了3 1 个微系统研究小组。 我国对于m e m s 方面的研究工作起步较晚，始于2 0 世纪9 0 年代。清华大学、北 京大学、上海交通大学以及中国科学院下属的部分研究所开展m e m s 技术的研究工作， 并在某些方面取得了一定的成果。国家自然科学基金、“8 6 3 ”、“9 7 3 等计划对于m e m s 技术研究都给予了充分的重视和资助。但是，我国m e m s 技术的发展比起美国、日本、 欧洲等国家仍然有着一定的差距。 1 2m e m s 的应用及前景 m e m s 技术的研究和应用主要集中在三个方向：微型传感器，微型执行器和微型系 统。其中微型传感器与微型执行器经过了数十年的发展，已取得了很大的进展，技术 已经相对成熟，产品广泛应用于各个领域。微系统则是将微型传感器、微型执行器及 其相关的信号采集电路、控制电路、电源全部高度集成在一起，并且与其他学科相结 合，达到能够独立完成某种功能的程度。 传感器指的是能够感应一定范围内的被测量量，并且按照某种规律将被测量量转 化为某种可用信号的器件。利用m e m s 技术制造的微型传感器不仅具有体积小、低功 耗、低成本、易集成等优点，还也可以利用微观尺度下的敏感机制而实现高灵敏度。 目前最成功的微型传感器是微型加速度传感器和微型压力传感器。 执行器也被称为驱动器或致动器，指的是将控制信号与能量转化为可控运动与功 率输出的器件。常用的驱动方式包括静电、电磁、电热、压电等，体积等比例缩小对 于微型执行器的性能有着重要的影响，总体上来说微型执行器的能量转换效率较低、 输出功率、位移、驱动力等都很小。 除了简单的微型执行器与微型传感器之外，高度集成化并具有一定功能的微系统 是m e m s 技术研究的最终目标。微系统的主要发展方向是将m e m s 技术结合光学而产生 的微型光机电系统( m o e m s ) 、将m e m s 技术结合生物技术而产生的生物医学微系统 ( b i o m e m s ) 以及将m e m s 技术与射频或微波通信技术相结合产生的射频微系统 ( r f m e m s ) 。微型光机电系统使用m e m s 技术可以实现多种类型的高性能光学器件，满 足光学器件对于微小尺寸与高精度的要求；利用m e m s 技术制造的光学器件容易达到 2 阵列化、低成本和高效率制作，可以很好的应用于光通信。利用m e m s 技术制造的生 物医学微系统不仅可以深入到细胞内部，对极其细微的结构和化学物质进行研究，还 促进了各种先进的诊断仪器与医疗仪器、药物开发、药物释放、微创手术等领域的发 展。使用m e m s 技术的射频微系统则实现了通讯部件的集成化与微型化，可以提高信 号处理速度和缩小个人移动系统的体积，大大促进了移动通信的发展。 1 3m e m s 标准工艺的意义与组成 对于m e m s 产品来说，除了电路之外制造一个m e m s 器件所需要的机械结构并非很 复杂：一个可动的悬空结构以及探测这个悬空结构位移变化量的方法。要制造这个悬 空结构需要选择合适的材料作为结构层以及一种有效去除这个结构层四周材料的工 艺( 结构释放) 。如果被去除的材料来自衬底，则一般称之为体微细加工( b u l k m i c r o m a c h i n g ) ，如果被去除的材料不是来自衬底，而是和结构层一样是被沉积上去 的，这样的工艺则被称之为表面微细加工( s u r f a c em i c r o m a c h i n g ) 。m e m s 器件的加 工工艺中，只有一小部分作为产品或公司的专有工艺存在，其他的大多数都可以被划 分到标准工艺中去。开展标准化m e m s 工艺研究可以使m e m s 技术从研究走向应用，最 终实现产业化1 7 j 。 标准工艺的核心主要是开发一种或多种可适用于多种器件、重复性好、成品率高 的工艺模块，辅以相应的版图设计规则。研究人员根据版图设计规则和工艺流程进行 器件与版图设计，工艺线按照标准工艺流程流片，使得研究人员以高可靠性与高效率 完成流片。早在八十年代末期，伯克利的一批研究人员与其他大学和公司合作开发了 表面牺牲层工艺，并将经过优化的牺牲层工艺向b s a c ( b e r k e l e ys e n s o ra n da c t u a t o r c e n t e r ) 的成员开放众多的学生、学者和工程师围绕这一m e m s 标准化优化工艺进 行了大量实验设计。美国的许多大公司及研究机构都引进这一技术并使之标准化。不 仅是美国，现在我国大部分提供对外加工的工艺线都有提供标准化工艺为缺乏实验条 件的研究机构服务，建立标准化工艺对于对外服务的工艺线来说是有着非常重要的意 义f 8 】。 1 4 主要研究内容 初步探索了表面牺牲层m e m s 工艺中对在聚酰亚胺牺牲层薄膜上淀积结构层的应力 及应力梯度控制。通过一系列对比试验验证了聚酰亚胺薄膜对于温度的不稳定性，为 在聚酰亚胺薄膜上淀积低应力结构层提供了工艺的优化方向。 主要研究了m e m s 体硅工艺的核心一深硅刻蚀工艺，优化了深硅刻蚀工艺条件，得 到了较好的工艺结果( 几乎垂直的侧壁陡直度，小于2 0 0 h m 的侧壁粗糙度以及切底) 。 3 第二章i v i e m s 工艺及工艺原理介绍 2 1m e m s 的制造技术分类 目前m e m s 的制造技术总共有三种，分别来自不同的国家和地区。其中第一种是 以美国为代表的基于集成电路工艺技术，以薄膜沉积、图形化与刻蚀技术对硅材料进 行加工，以形成硅基m e m s 器件。第二种是以日本为代表的利用传统机械加工手段， 利用大机器制造出小机器，然后再用小机器制造出微机器的方法来制造m e m s 器件， 加工手段有微细电火花加工、超声波加工等。第三种则是以德国为代表的l i g a 技术 ( 德文l i t h o g r a p i e - - 光刻、g a l v a n o f o r m u n g - - 电铸和a b f o r m u n g - - 塑铸) 主要通过x 射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法制造m e m s 器件。其中基于 集成电路工艺的m e m s 制造技术与传统i c 工艺相兼容，而且适合批量生产，已经成为 m e m s 制造的主流技术【9 l 【1 0 1 。 2 2 薄膜沉积、图形化和刻蚀技术 基于集成电路的m e m s 制造技术主要分为几大类型：薄膜沉积技术、图形化技术 以及刻蚀技术。其中薄膜沉积技术主要用于在衬底上淀积不同材料的薄膜；图形化技 术主要是利用光刻手段在需要加工的衬底形成有图形的掩膜层、刻蚀技术则主要是将 已经图形化的掩膜上面的图形转移到掩膜下面的衬底层上面。 2 2 1 薄膜沉积技术及其工艺原理 薄膜沉积技术主要分为物理气相沉积技术( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 以及 化学气相沉积技术( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 。物理气象沉积是利用外界能量把 被淀积靶材料从固态变为气态，然后再变成固态沉积在衬底上的过程。物理气相沉积 过程中只有物质相态的改变而没有发生化学反应。物理气相沉积可以淀积多种金属与 非金属薄膜，成本低、稳定性好，但是成膜质量不如化学气象沉积所得薄膜，而且对 于台阶的覆盖性不是很好。其中电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等工艺属于物理气相 沉积。 电子束蒸发与热蒸发的成膜原理比较相似，是在真空腔体内，将被淀积材料加热， 蒸发的被沉积材料分子离开材料表面最终沉积在衬底表面，从而形成薄膜。由于蒸镀 这种方法具有较强的方向性，即大部分被沉积材料粒子是沿着一定方向淀积到衬底表 面上的，因此衬底上台阶结构的深处会因为结构侧壁的阻挡而无法淀积，所以形成的 薄膜覆盖率较差。通过旋转样品的方法可以提高蒸发镀膜的台阶覆盖率。蒸镀的薄膜 主要表现为拉应力，应力的大小随着金属熔点的升高而增大，在蒸发时增加 4 衬底的温度可以减小应力【1 1 1 ，图2 1 标明了电子束蒸发工艺的工艺原理。 图2 1电子束蒸发工艺原理 磁控溅射技术是依靠等离子体辉光放电提供的能量实现的。将靶材料做为真空室 中产生等离子体的一个电极，在另一个电极上放置样品，然后在真空室中通入惰性气 体( 一般为氩气) ，通过射频源使惰性气体离子化并在真空腔室内产生等离子体。离 子被电场加速后以较高能量撞击靶材料表面，使得靶材料原子脱离电极后沉积于样品 表面，从而形成薄膜。由于原子脱离靶材的能量是通过辉光放电产生的离子提供的， 所以磁控溅射不需要太高的温度；而且沉积到样品上的粒子能量大于蒸发沉积，所以 形成薄膜的附着力较大。磁控溅射的成膜均匀性和台阶覆盖率都要好于蒸发成膜，图 2 2 标明了磁控溅射工艺的工艺原理。 5 图2 2 磁控溅射工艺原理 化学气相沉积技术是在反应腔室内反应物以气流的方式传输到样本附近，使其发 生化学反应生成固态物质并沉积在样本表面的一种薄膜沉积技术。化学气象沉积技术 可以淀积多种材料，如多晶硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅以及部分金属材料，化学气 相沉积技术的优点在于淀积的薄膜拥有很好的台阶覆盖率和薄膜均匀性。化学气相沉 积主要分为常压化学气相沉积( a t m o s p h e r e p r e s s u r ec v d ) 、低压化学气象沉积 ( l o w p r e s s u r ec v o ) 和等离子增强化学气象沉积( p l a s m ae n h a n c e dc v d ) 。 常压化学气相淀积技术( a p c v d ) 指的是在大气化学气相沉积工艺，是化学气相 沉积工艺最原始的方法压下进行的一种。所需系统简单、反应速度较快，但是成膜的 均匀性差，现在已很少用于集成电路制造工艺。 低压化学气象沉积( l p c v d ) 一般将反应腔室内的压强减小到l o p a 至1 0 0 0 p a 。由 于腔室的压强减小，导致反应气体的平均分子自由程与气体的扩散系数变化，低压化 学气象沉积的成膜均匀性与成膜致密性都很好。 等离子增强化学气相沉积( p e c v d ) 是采用高频等离子驱动，利用辉光放电来代 替热来分解反应气体。使得很多只能在高温下才能进行的反应可以在低温下进行，这 样就使得可以在低温下对样品进行薄膜淀积，图2 3 标明了等离子增强化学气象沉积 工艺的工艺原理。 6 图2 3 等离子增强化学气象沉积i 艺原理 上述儿种化学气相沉积工艺中，a p c v d 与l p c v d 形成的薄膜质量好于p e c v d ，但 是a p c v d 与l p c v d 工艺的淀积温度较高，一般都在6 0 0 c 以上。p e c v d 工艺的温度较 低( 一般低于3 5 0 ) ，而且形成薄膜不如l p c v d 与a p c v d ；p e c v d 只能单面淀积薄膜t 而a p c v d 与l p c v d 一般可以同时在样品的双面淀积薄膜。 2 22 图形化技术及其工艺原理 图形化技术主要包括紫外线光刻与电子柬曝光技术。其中最常用的是紫外光刻技 术，由于m e m s 器件的特征尺寸一般都在l m 以上紫外光刻技术在m e m s 制造工艺 中占有根重要的地位。紫外光刻工艺属于图形曝光技术，紫外光刻工艺是将光刻掩膜 版上面的几何图形，通过光化学反应转移到样品上涂覆的光袤崛 上的过程。光刻胶是 由树脂、感光化台物与溶剂组成的混合物。其中树脂决定了光刻胶的机械性能与热性 能：感光化合物决定了光刻胶对与辐射的灵敏度；溶剂则控制了光刻胶的黏度。紫外 光刻工艺主要包括6 个步骤：样品预处理、匀胶、前烘、曝光、显影和后烘( 坚膜) ， 图24 标明了光刻工艺的工艺原理。 d e p o s i tp h o t o r e s i s t s il i c o nw a r e r u v l i g h t d e v e l o pr e s i s t 图2 4 光刻工艺原理 电子束曝光技术原理与光刻工艺原理基本相同，差别在于电子束曝光技术不使用 掩膜版进行图形转移，而是使用电子束直接将图形扫描出来。这样导致了电子束光刻 有着极高的分辨率( 1 0 0 n m 以下) ，同时也导致了电子束光刻的超低曝光速率，同时 电子束曝光设备非常复杂，其维护与运行成本极高，这样也导致了电子束光刻工艺的 成本居高不下。 2 2 3 刻蚀技术及其工艺原理 刻蚀技术主要分为干法刻蚀与湿法刻蚀。干法刻蚀主要利用反应气体与等离子体 进行刻蚀；湿法刻蚀主要利用化学试剂与被刻蚀材料发生化学反应进行刻蚀。其中干 法刻蚀包括离子束刻蚀( i o nb e a me t c h i n g ) 、反应离子刻蚀( r e a c t i o ni o ne t c h i n g ) 和感应耦合等离子体刻蚀( i n d u c t i v ec o u p l ep l a s m a se t c h i n g ) 。 离子束刻蚀( i b e ) 的本质是物理刻蚀，使用惰性气体氩气作为离子源，利用真 空下离子直接轰击样品表面，高能离子垂直入射到样品表面将能量转移给被刻蚀材料 的原子，使其离开衬底表面。粒子束刻蚀对于刻蚀材料没有特殊要求，而且刻蚀为各 向异性，刻蚀后侧壁的陡直度很好。离子束刻蚀的缺点在于刻蚀速率较慢，对于被刻 蚀材料与掩膜的选择比不高，而且物理轰击容易对样品表面造成损伤。 反应离子刻蚀( r i e ) 利用等离子体产生的活性中型反应基团与被刻蚀材料发生 化学反应。除了化学反应之外，带能量的离子轰击样品表面时也会发生物理溅射，这 8 样也可以起到一定的刻蚀作用。反应离子刻蚀是物理刻蚀与化学反应刻蚀的结合。反 应离子刻蚀的速率较快，对于被刻蚀材料与刻蚀掩膜的选择比较高。缺点在于对与被 刻蚀材料有所要求，主要用于刻蚀氧化硅、氯化硅等材料，图25 标明了反应离子刻 蚀工艺的工艺原理。 。j 。) ， ! ! ! ! 兰： p 1 珏m 。 兰竺竺! ! l 图2 6 感应耦台等离子体刻蚀系统 2 3 其他m e m s 制造工艺 除了上述介绍的几类基于集成电路制造工艺外，还有部分工艺仅仅用于制造硅基 m e m s 器件1 3 】。这些工艺包括热氧化( t h e r m a lo x i d a t i o n ) - y 艺、晶片键合工艺 ( w a f e r - b o n d i n g ) 、深硅刻蚀工艺( a n i s o t r o p i cs i l i c o ne t c h i n go ra d v a n c e ds i l i c o n e t c h i n g ) 和化学机械抛光工艺( c h e m i c a l m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ) 。这些工艺的原理及 特点如下： 2 3 1 热氧化工艺 热氧化工艺主要用于在硅衬底上生成高质量的二氧化硅薄膜。热氧化工艺也分为 两种：干氧氧化与湿氧氧化。其主要反应方程式如下： s i + 2 h 2 0 s i 0 2 + 2 h 2湿氧氧化 s i - i - 0 2 一s i 0 2干氧氧化 热氧化是高温工艺，高质量的二氧化硅都在8 0 0 一1 2 0 0 下生成，而且其生成 速率极其缓慢。其中湿氧氧化速率要高于干氧氧化。比起化学气相沉积方法淀积二氧 化硅薄膜，热氧化工艺生长二氧化硅薄膜的成本较低。 2 3 2 晶片键合工艺 晶片键合工艺( w a f e r - b o n d i n g ) 是将两片晶片经过清洗等预处理后，使用某种手 段将两片晶片互相固定连接在一起的一种工艺。键合可以在晶片内部形成腔体或者沟 道，经过多次晶片键合工艺后更可以制造复杂的微结构。根据晶片的键合手段可以将 晶片键合工艺分为四种：熔融键合、阳极键合、热压键合和黏结键合1 1 4 垅】。 熔融键合工艺可以完成硅片间的键合、玻璃片间键合以及玻璃片与硅片键合。熔 融键合工艺的原理在于使用表面足够清洁的晶片，先加压使晶片暂时键合在一起，然 后对晶片加温使用热能打开晶片表面共价键，然后生成新的共价键从而将晶片永久固 定在一起。熔融键合需要高温以打开晶片表面共价键，而且对于设备要求较高，从而 造成了较高的成本。 阳极键合只能完成硅片与玻璃片间的键合，而且对于玻璃片有着一定的要求，阳 极键合使用的玻璃片含有钠离子。阳极键合的原理是在加有电压的情况下，玻璃中的 钠离子在电场作用下移动从而在玻璃片与硅片表面形成耗尽层，晶片被耗尽层产生的 静电引力吸引而紧密接触，在键合界面形成共价键固定在一起。阳极键合工艺所需温 度比起熔融键合要低一些，可以在低温工艺中使用，图2 7 为阳极键合工艺的工艺原 理图。 1 0 幽27 阳极键合工艺原理圈 热压键合工艺是利用夹在晶片中间的介质层( 一般为金属) 在一定的温度与压力 条件下实现晶片键台。其中晶片中间的介质层形成共晶合金需要一定的温度与压力。 热压键合的键合强度不如阳极键合与熔融键台。 黏结键合是利用晶片间的聚合物作为介质层，使其在一定温度和压力下固化将晶 片键合在一起。黏结键合的成本很低，工艺简单，但是键台强度很低，而且容易造成 污染。 2 3 3 深硅刻蚀工艺 深硅刻蚀工艺( a n i s o t r o p i es i l i c o ne t c h i n go r a d v a n c e ds i l i c o ne t c h i n g ) 是在反应 离子刻蚀的过程间隙不断在侧壁上淀积聚合物保护层，以达到高深宽比刻蚀。深硅刻 蚀工艺的原理的详细说明将于第三章进行，图27 为深硅刻蚀工艺的原理圉。 掩聪 23 4 化学机械抛光工艺 图2 7 深硅刻蚀工艺原理图 化学机械抛光工艺是用旋转的磨盘对加有磨料的样品进行研磨与抛光的过程。化 学机械抛光工艺是化学反应与机械研磨共同存在的过程。化学机械抛光工艺的主要目 的是减薄样品厚度以及提高样品表面平整度。磨料在化学机械抛光工艺中有着很重要 的地位，磨料中不仅含有亚微米级的颗粒用于对样品的机械研磨，还含有酸、碱、氧 化剂等物质，这些物质起到溶解被去除材料的作用。 第三章关键工艺技术及优化 m e m s 制造工艺是m e m s 的核心技术，在集成电路技术( i c ) 基础上发展起来 的硅m e m s 加工技术具有批量生产、成本低、易于与电路集成等优点，得到了广泛 的应用。由于m e m s 器件的多样性，而且多具有可动的微结构，形成了m e m s 不同 于其它半导体器件的自己的特点，m e m s 器件与半导体器件的工艺评价方法不同。因 此图形与结构的保真性是主要问题。本章针对硅基m e m s 标准工艺相关的表面牺牲 层工艺和体硅工艺中最重要的几个关键工艺技术进行了实验研究和参数优化。 3 1 表面牺牲层工艺及其关键工艺摸索 表面牺牲层工艺是典型的薄膜工艺，其原理为在衬底上淀积某种材料薄膜作为牺 牲层，然后将牺牲层图形化之后，在牺牲层薄膜上面淀积由另一种材料薄膜做为结构 层，然后对结构层图形化，形成所需的结构层图形后利用刻蚀工艺将结构层下面的牺 牲层材料全部去除后，使得部分结构层悬浮于衬底材料上方，形成可动微结构。在牺 牲层工艺中，结构层薄膜的应力与应力梯度控制是工艺中最关键的部分。应力过大会 导致薄膜裂开，应力梯度过大会导致悬空结构被破坏【2 3 j 【2 4 】【2 5 】。 3 1 1 聚酰亚胺薄膜特性及其作为牺牲层的应力分析 固化后的聚酰亚胺薄膜具有耐腐蚀( 除浓硝酸、浓氢氧化钾与p i r a n h a 腐蚀液) 、 耐高温( 3 5 0 ) 、耐辐射和绝缘等优越性能，而且去除聚酰亚胺薄膜比较容易( 在辉 光放电情况下通入氧气可以轻松去除聚酰亚胺材料) ，聚酰亚胺薄膜可用于做s i ，a l ， 陶瓷等材料的保护膜和钝化膜、牺牲层和多层间绝缘层等【2 6 【2 7 j 。 薄膜内应力与薄膜间应力梯度产生的三个原因在于薄膜间由于晶格失配与缺陷 导致应力；由于薄膜间的热膨胀系数不同导致的热应力：在薄膜生长过程中由于岛屿 聚集产生的应力。由于聚酰亚胺为聚合物材料，所以聚酰亚胺不存在与结构层之间的 因晶格失配导致的应力。而作为聚合物材料，其热膨胀系数与结构层的差异将作为导 致应力与应力梯度的主要因素。 3 1 2 聚酰亚胺薄膜上淀积介质层的应力与应力梯度控制单项实验 本人设计了用于测试应力与应力梯度的专用实验结构以及相关工艺试图对淀积 在聚酰亚胺牺牲层上的介质膜进行应力与应力梯度的控制。 1 2 单项实验工艺流程： ( 1 ) 在硅片上涂覆聚酰亚胺材料并进行剧化，图31 为工艺涂覆牺牲层后的硅 片。 幽3i 在硅片上涂覆聚酰胺材料并吲化 ( 2 ) 在固化的聚酰亚胺薄膜上使用等离子增强化学气象沉积工艺淀积氮化硅薄膜 层。由于考虑到氮化硅介质层应力变化范围较大，可调节的空闯很多，所以选择氮化 硅为介质层材料，等离子增强化学气象沉积法淀积氮化硅温度较低( 3 0 0 c ) ，低于聚 酰亚胜层固化温度( 3 5 0 c ) ，不会破坏聚酰亚胺薄膜，图32 为淀积介质层后的硅 。 图3 2 在聚酰亚胺材料上淀积介质层 ( 3 ) 对氯化硅介质层进行光刻与刻蚀工艺，图33 为经过光刻与刻蚀后的硅片。 图3 3 刻蚀氮化硅材料后的硅片 ( 4 ) 使用氧气在等离子体辉光放电条件下去除部分聚酰亚胺薄膜材料，使得部分 介质层悬空然后使用检测仪器观察悬空部分的形变方向与形变程度即可得知介质层 的应力与应力梯度，图3 4 为进行结构释放后的硅片。 蚓3 4 部分释放聚酰亚胺薄膜材料 应力及应力梯度测试结构 削3 5 应力梯度测试结构 图3 5 为本人自行设计的应力梯度与薄膜内应力测试结构：上图中左侧为单端固 定的悬臂粱结构组，主要负责应力梯度的粳4 试，在悬臂粱部分下面的聚酰亚胺牺牲层 被完全释放之后，悬臂粱悬空部分会由于应力梯度的原因而发生形变( 向上翘曲或向 下塌陷) ，通过观察其形变量与形变方向可以得知应力梯度的大小与方向。右侧为双 端固支粱结构，主要负责应力的测试，当双端固支梁下面的聚酰亚胺牺牲层被完全释 放之后双端固支梁结构会由于薄膜内应力的原因发生形变，由形变的方向可以得知 薄膜内应力的性质。实验的最终目的为使以上两种结构释放后不发生明显的形变，即 应力与应力梯度都被控制在很小的范围之内。 表3 - 1 聚酰亚胺释放实验参数及结果 实验结果：使用同样工艺参数制各的氮化硅薄膜进行试验，在聚酰亚胺牺牲层释 放阶段使用不同的工艺参数( 功率、时间) 进行释放时，发现在同样功率、同样的气 体流量下，进行多次短时间的释放与进行较少次数长时间的释放得到的实验结果不 同，其中进行多次短时间释放后单端悬臂粱结构的翘曲程度要远远小于较少次数长时 间释放后单端悬臂梁的翘曲程度。这表明了减少单次实验时间进行聚酰亚胺牺牲层释 放可以有效减小薄膜的应力梯度。 rhrt-l，-l。lrej一_ ：=：骓惑”孤皤射i。酉k可嗣褂h瓣珂hh翻蹦潋哺 结果分析：由于释放聚酰亚胺薄膜需要依靠侧蚀来进行横向释放，横向侧蚀的释 放速率远远小于纵向刻蚀，导致结构释放的时间较长。由于等离子体长时间对样品进 行物理轰击会使得样品被加热，聚酰亚胺薄膜的受热膨胀后降温恢复原状，这个形变 过程会造成介质层应力梯度变大。需要尽量避免长时间高功率的释放聚酰亚胺牺牲 层，进行短时间，多次数的释放可以有效控制减小应力梯度。 3 2 光刻工艺及工艺优化 3 2 1 光刻工艺的原理及优化方向 光刻工艺的原理在第二章曾经做过一个简单的介绍，由于光刻工艺的步骤较多， 这就导致了光刻工艺中可以优化的细节问题较多。优化光刻工艺的目的是尽量将光刻 掩膜版上的图形以最小的误差转移到光刻胶上。工艺优化方面主要包括对于光刻胶的 选择；对于样品的预处理以及光刻工艺中步骤及工艺参数的调整。 对于光刻胶的选择方面，光刻胶分为两种：正胶与负胶。正胶与负胶在曝光显影 后留下的图形是不同的( 如图3 6 ) 所示，正胶在曝光后掩膜版图形被曝光部分发生 反应，经过显影工艺后被显影液所溶解。负胶的情况则正好相反：被曝光部分图形残 留，未经曝光部分图形溶于显影液。由于正胶与负胶曝光后发生的化学反应不同导致 了正胶的分辨率普遍要高于负胶，对于光刻工艺来说，分辨率是非常重要的技术指标， 因此工艺中我们选择正胶。 岜jd 当e 兰e 当 凹白 图3 6 正胶与负胶的区别 在光刻工艺中，光刻版是很重要的道具之一。光刻工艺中图形转移的模板就是光 刻版。如果光刻版被污染则会对光刻后形成的图形造成影响，因此定期对光刻版进行 清洁及保养是很重要的。 光刻工艺主要分为六个步骤：对样品预处理、匀胶、前烘、曝光、显影及坚膜， 下面依次从对这些步骤进行详细的介绍。 对于样品的预处理是很重要的细节，裸片在光刻之前使用标准清洗基本上可以去 除绝大部分有机无机杂质以及污垢。对于有结构的样品需要根据样品上的结构层材料 进行清洗。对于二氧化硅与氮化硅等材料，在涂覆光刻胶之前需要先使用六甲基二硅 氮烷( h d m s ) 在样品表面形成单分子层，使表面疏水化以增强光刻胶与表面材料的 粘附性。 旋涂光刻胶是最标准的匀胶方法，将光刻胶滴在样品表面，以一定的速率旋转样 品一定时间后，样品上形成非常均匀的光刻胶涂层。光刻胶中溶剂的含量决定了光刻 胶的粘稠程度，也决定了以同样转速下不同种类光刻胶涂层的厚度。对于同种类光刻 胶的厚度调节，可以用控制匀胶速率的方法来调节。对于本套体硅m e m s 工艺来说， 在满足刻蚀所需光刻胶厚度的条件下，尽量使用厚度较低的光刻胶。因为体硅工艺对 硅衬底进行深刻蚀，评价深刻蚀的一个重要指标就是侧面陡直度。过于厚的光刻胶会 对深刻蚀的侧面陡直度产生影响。 前烘的目的是蒸发掉光刻胶中的溶剂，一般采用热板或者烘箱进行前烘，对于不 同种类的光刻胶有着不同的前烘条件。一般来说，厚度越大的光刻胶，前烘所需时间 越长。 曝光则是光刻图形化工艺中最重要的部分，曝光的工艺参数决定了图形转移的质 量，曝光的工艺参数有：曝光时间以及曝光方式。曝光时间要根据不同的图形与不同 的曝光设备进行调整才能够得到比较满意的结果。曝光方式的选择主要取决于对曝光 后形成图形的应用。 显影是利用化学溶剂将被光刻胶被感光部分溶解掉的过程。对于不同种光刻胶， 采取不同种显影液，而且显影时间要根据对图形的不同要求进行调整。 坚膜是显影之后的步骤，坚膜对于光刻胶作为掩膜的刻蚀工艺有很大的意义。坚 膜的目的是使光刻胶中剩余溶剂挥发，使得作为掩膜的光刻胶更加耐刻蚀。 对于光刻胶来说，每次对其加热使得光刻胶中溶剂挥发的过程都会导致光刻胶体 积变小。曝光显影之前的光刻胶，由于其并未形成图形，所以对于光刻工艺的结果影 响不大，但是对于显影后的光刻胶，胶上已经形成了图形，坚膜导致光刻胶变化，也 就会导致其线条变化。对于大尺寸图形来说，线条有小范围的变化可以接受。但是对 于小尺寸的图形来说，线条变化就会对制造出的器件性能有着比较严重的影响。因此 本人经过大量的实验，用增加前烘时间( 增加前烘时间至2 3 倍，推荐使用烘箱) ， 改变光刻的步骤的方法解决了刻蚀工艺中小尺寸图形掩膜的问题。 3 2 2 优化光刻工艺的实验摸索 对于光刻步骤中参数的摸索，本人设计了一张版图来专门进行曝光条件与显影条 件的摸索。 1 6 一 瞠37 用于对曝光条件与显影条件摸索的测试结构 图3 7 是一个用于对光刻工艺的细线条图形转移效果的测试结构，其线条宽度与 间距相同，本人设计了四个不同尺寸的此种结构。其线条宽度分别为2 5 u m 。在使 用同种相同厚度的光刻胶在同一台设备不同条件下曝光，不同条件下显影后，使用显 微镜对结果进行拍照测量得到了可以基本保持微小线条尺寸的工艺条件 使用a z 5 2 1 4 光刻胶，曝光设备为s u s s - m a 6 接触式紫外曝光设备，显影液为 23 8 的t m a h 溶液进行手动显影。第一次实验参数为曝光时间6 5 秒，显影时间4 6 秒。实验结果如图38 - - 3l i 所示，其中光刻胶图形的尺寸照版图设计尺寸有着明显 的差异，其宽度缩小很多，可以认定与曝光剂量和显影时间有关。本次实验结果为工 艺参数优化提供了依据。 图3 8 实验结果l 线条与图形闻距皆为2 u m 倒3 9 实验结果2 线条与图形间距皆为3un l 图31 0 实验结果3 线条与图形间距皆为4 u 1 1 3 图3 1 1 实验结果4 线条与图形问距皆为5 m 经过一系列工艺摸索最终确定光刻的工艺条件为：曝光6 3 秒，显影3 8 秒。其 中图31 2 _ 31 5 是以上述工艺条件曝光显影后得到的线条尺寸。基本上与光刻版上图 形尺、j 保持一致。 2 0 4 微米 l9 8 馓术 19 2 微米 图3 j 2 实验结果5 线条与图形间距皆为2u m _ = i j 崮31 3 实验结果6 线条与图形间距皆为3u m 图31 23l5 显示的实验结果说明，选择不同的曝光参数，可以改变线条矧距。 优化后的工艺条件，减小了图形转移的误差，基本上可以真实再现光刻版上的线条。 厂= _ _ _ _ 一二 i 嘲31 4 实验结果7 线条与图形间距皆为4 “m 1 1 。1 1