mems微机电系统.ppt

微光机电系统 机制班戚二辉 主要内容 1 电子束光刻胶的最新发展2 MEMS常用材料3 MEMS工艺技术 一 电子束光刻胶 最新的电子束光刻胶发展 美国道康宁公司电子部 DowCorningElectronics 推出的DowCorning XR 1541电子束光刻胶 这一新型先进的旋涂式光刻胶产品系列是以电子束 electronbeam 取代传统光源产生微影图案 可提供图形定义小至6纳米的无掩模光刻技术能力 XR 1541电子束光刻胶 可用于各种高纯度 半导体等级配方的XR 1541电子束光刻胶 是由甲基异丁基酮 MIBK 带性溶剂中的含氢硅酸盐类 HSQ 树脂所构成 这些负光刻胶 negative toneresists 可在标准旋涂沉积涂布设备上使用 在单一涂布中形成30到180纳米等不同厚度的薄膜 而定制化的配方还可应客户需求生产更薄或更厚的薄膜 此外 还提供绝佳的蚀刻阻抗以及下降至3 3纳米的边线定义 可在标准水基显影剂中显影 二 MEMS常用的材料 MEMS的材料与加工技术是MEMS技术的主要组成部分 MEMS发源于微电子技术 其材料仍以硅为主 主要加工技术则借用了半导体工艺 不过 由于MEMS的应用涉及多个领域 其材料与加工手段要比集成电路丰富得多 1 结构材料 目前 硅是最常用的结构材料 它不仅是性能优良的半导体 而且具有优良的机械和电性能 而且加工技术较为完善 结构用硅材料根据微观晶体组成又可分为单晶硅和多晶硅两类 单晶硅的断裂强度和硬度比不锈钢高 而弹性模量与不锈钢相近 密度却仅为不锈钢的1 3 单晶硅的机械品质因数高 滞后和蠕变极小 因而机械稳定性极好 多晶硅是由大量排列和取向无序的单晶颗粒构成的 它一般通过薄膜技术淀积在衬底上 机械性能与单晶硅相近 但性能受工艺影响较大 硅的导热性较好 硅材料对多种物理量具有敏感特性 因此 硅是一种十分优良的MEMS材料 与一般的金属材料相比 硅也有一定的特殊性 单晶硅的机械特性是各向异性的 呈现一定的脆性 容易以断裂方式屈服 机械特性受工艺影响大 例如弹性模量会随着掺杂浓度的增加而增加 在加工中 应该注意减少硅片表面 边缘和体内缺陷的形成 尽量少用切 磨 抛光等机械加工 在高温工艺 多层薄膜的淀积中要尽量减少内应力的引入 采取一定的表面钝化 保护措施等 多晶硅作为MEMS最常用的结构材料之一 它易于用IC技术进行构件制造 且机械性能满足要求 用微机械加工制造的典型多晶硅薄膜的厚度至少大于3 m 膜更厚 其强度和韧性更好 表面微机械加工还采用其它结构材料 以获得可控的残余应力值 杨氏模量 薄膜形态 硬度 电导率和光反射特性 第一类材料是金属 包括Al和化学气相淀积 CVD 钨 电镀镍 铜等 特别是Al 它具有良好的光反射特性 可用于构成微光学系统的结构 如TexasInstrument的DMD 此时 牺牲层材料可以采用气相淀积的有机物 如光刻胶 聚酰亚胺 聚对二甲苯等 第二类材料包括CMOS工艺中制作互连所用的二氧化硅 多晶硅等 释放可在CMOS工艺后通过无掩模的干法刻蚀完成 这些材料的应用可以简化机械结构与电路的集成 但机械特性有一定的限制 第三类材料是氮化硅 这种薄膜的表面比多晶硅表面光滑 可以直接淀积光发射材料 其张应力可以通过让薄膜富硅化和在氧化气氛中退火的办法来减小 表1硅及一些材料的机械性能 2 功能材料 这是一类有能量变换能力并可以实现敏感和致动 Actuation 也称为执行 功能的材料 功能材料包括各种压电材料 光敏材料 形状记忆合金 电流变体 气敏和生物敏等多种材料 三 MEMS的体微加工工艺 这种工艺的目的是从硅衬底上有选择性地通过腐蚀的办法除去大量的材料 从而实现所需的悬空结构 模片和沟 槽等 特点 1 获得的结构的几何尺寸较大 相应的质量大 机械性能较好2 存在对硅材料的浪费较大3 与集成电路的兼容性不好 根据腐蚀剂的相态 即液相 气相和等离子态 可以将体型微机械加工的腐蚀方法划分为三种 采用液相腐蚀剂的腐蚀工艺往往又称为湿法腐蚀 而采用气相和等离子态腐蚀剂的腐蚀工艺则称为干法腐蚀 1 湿法刻蚀 湿法化学腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法 所谓湿法腐蚀 就是将晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀 在腐蚀过程中 腐蚀液将把它所接触的材料通过化学反应逐步浸蚀溶掉 1 各向同性腐蚀 各向同性腐蚀 各方向上有相同的腐蚀速率作用 去除表面损伤在单晶硅上构造结构清洗炉管常用腐蚀剂 HNAHF HNO3 H2O HAC 反应过程 Si 2H Si2 Si2 2OH Si OH 2氢被释放形成SiO2HF溶解SiO2形成水溶液H2SiF6Si HNO3 6HF H2SiF6 H2NO2 H2O H2 H2O HAC的作用 稀释剂或缓冲剂 HAC的作用是控制HNO3的溶解度 在使用时间内使氧化速率保持常数 H 的固容度一定 不同组分对腐蚀速率的影响 HF高 HNO3低 腐蚀速率由HNO3浓度控制 开始阶段困难 易变 在一定周期内硅表面缓慢生长氧化层 腐蚀受氧化 还原反应控制 趋于依赖晶向 HF低 HNO3高 腐蚀速率受HF溶解形成的SiO2的速率控制 反应有自钝化特点 表面覆盖SiO2 30 50A 基本限制来自去除硅的复合物腐蚀各向同性 抛光作用 2 各向异性腐蚀 各向异性腐蚀 腐蚀速率依赖于单晶晶向KOH 肼 联胺 乙二胺 邻苯二酚 EDP 沿特定晶向腐蚀对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率有机腐蚀剂 EPW 乙二胺 邻苯二酚 H2O 联胺无机腐蚀剂 碱性腐蚀液 KOH NaOH LiOH CsOH NH4OH 湿法各向异性腐蚀硅片常用的腐蚀液如下 1 KOH系统 常用KOH H2O和 CH3 2CHOH 异丙醇 IPA 的混合溶液 其腐蚀反应方程式为在腐蚀过程中含水硅化物与异丙醇形成可溶解的硅络合物离开硅的表面 例如对于85 下的KOH 44g 100mL水 腐蚀速率为1 4 m min 各向异性比 100 111 为400 1 作为掩模板的Si3N4 SiO2的腐蚀速率为0 14nm min 2 EPW系统 乙烯二胺 NH2 CH 2NH2 邻苯二酚 C6H4 OH 2 和水称为EPW 其腐蚀反应方程式可表达为 EPW水溶液 750mL乙烯二胺 120g邻苯二酚 100mL水 在115 温度下 腐蚀速率为0 75 m min 各向异性比为35 1 对掩模板SiO2的腐蚀速率为0 2nm min 2 干法腐蚀 是靠腐蚀剂的气态分子与被腐蚀的样品表面接触来实现腐蚀功能的 分类 平行电极等离子体刻蚀 PE 反应等离子刻蚀 RIE 深反应等离子刻蚀 DIRE 离子束刻蚀 IBE 反应离子束刻蚀 RIBE 平行电极等离子刻蚀 PE PE是比较早期的刻蚀方法 腐蚀气体分子在高频电场 标准工业频率13 56MHz 作用下 发生电离形成辉光放电 产生等离子体 利用离子与薄膜间的化学反应 生成挥发性物质 由真空抽走 达到刻蚀的目的 这种刻蚀速率较快 但各相异性差 适用于微米级线宽刻蚀 反应等离子刻蚀 RIE RIE是在平板式反应器 PE 的基础上使阴极与阳极的面积比为2 3 1 加工的硅片放在阳极板上 被激励的等离子体与阳极板表面形成偏压加速正离子溅射相结合进行刻蚀 反应离子刻蚀中以物理溅射为主 兼有化学腐蚀 RIE的优点 A 可以容易地开始和结束 B 对硅片上温度的微小变化不是那么敏感C 等离子体刻蚀有很高的各向异性 一个RIE的工艺包括以下六个步骤 分离 气体由等离子体分离为可化学反应的元素 扩散 这些元素扩散并吸附到硅片表面 表面扩散 到达表面后 四处移动 反应 与硅片表面的膜发生反应 解吸 反应的生成物解吸 离开硅片表面 排放 排放出反应腔 高深宽比刻蚀 DRIE 依赖于高密度等离子源以及刻蚀 钝化工艺交替来实现 高密度等离子源产生于电感耦合或ECR可实现的指标 深宽比 30 1 90 2o 对胶选择比 50 100 1对SiO2选择比 120 200 1腐蚀速率 2 3微米 分 离子束刻蚀是利用具有一定能量的离子轰击材料表面 使材料原子发生溅射 从而达到刻蚀目的 把Ar Kr或Xe之类惰性气体充入离子源放电室并使其电离形成等离子体 然后由栅极将离子呈束状引出并加速 具有一定能量的离子束进入工作室 射向固体表面撞击固体表面原子 使材料原子发生溅射 达到刻蚀目的 属纯物理过程 IBE刻蚀特点方向性好 各向异性 陡直度高分辨率高 可达到0 01 m不受刻蚀材料限制 金属or化合物 无机物or有机物 绝缘体or半导体均可 刻蚀过程中可改变离子束入射角 来控制图形轮廓加工过程中 损伤比较严重加工精度不容易控制 离子束刻蚀速率影响因素A 被刻蚀材料种类B 离子能量C 离子束流密度D 离子束入射角度 IBE相关刻蚀数据 离子能量 350eV 离子能量 350eV 由于IBE刻蚀对材料无选择性 对于那些无法或者难以通过化学研磨 电介研磨难以减薄的材料 可以的通过IBE来进行减薄 另外 由于离子束能逐层剥离原子层 所以具有的微分析样品能力 并且可以用来进行精密加工 反应