MEMS工艺(4体硅微加工技术)(2).ppt

湿法腐蚀的缺点 图形受晶向限制 深宽比较差 倾斜侧壁 小结构粘附 四 干法腐蚀 狭义的干法刻蚀主要是指利用等离子体放电产生的化学过程对材料表面的加工广义上的干法刻蚀则还包括除等离子体刻蚀外的其它物理和化学加工方法 例如激光加工 火花放电加工 化学蒸汽加工以及喷粉加工等 干法刻蚀的优点 具有分辨率高 各向异性腐蚀能力强 腐蚀的选择比大 能进行自动化操作等干法刻蚀的过程 腐蚀性气体离子的产生离子向衬底的传输吸附及反应衬底表面的腐蚀钝化及去除腐蚀反应物的排除 干法腐蚀的主要形式 纯化学过程 等离子体腐蚀 纯物理过程 离子刻蚀 离子束腐蚀 物理化学过程 反应离子腐蚀RIE 感应耦合等离子体刻蚀ICP 在物理腐蚀方法中 利用放电时所产生的高能惰性气体离子对材料进行轰击 腐蚀速率与轰击粒子的能量 通量密度以及入射角有关 在化学腐蚀中 惰性气体 如四氟化碳 在高频或直流电场中受到激发并分解 如形成氟离子 然后与被腐蚀材料起反应形成挥发性物质 在物理化学结合的方法中 既有粒子与被腐蚀材料的碰撞 又有惰性气体与被腐蚀材料的反应 反应离子刻蚀 反应离子刻蚀 Reactiveionetch 是在等离子中发生的 随着材料表层的 反应 剥离 排放 周期循环 材料被逐层刻蚀到制定深度 衡量反应离子刻蚀的指标 掩模的刻蚀比刻蚀的各向异性程度其它 刻蚀速率 刻蚀均匀性等 等离子腐蚀 利用气体辉光放电电离和分解稳定的原子所形成的离子和活性物质 与被腐蚀的固体材料作用 产生挥发性的物质或气态产品 刻蚀过程主要是化学反应刻蚀 是各向同性的 主要作为表面干法清洗工艺 离子轰击的作用 1 将被刻蚀材料表面的原子键破坏 2 将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉 DRIE ICP刻蚀工艺 1 现象 1 各向同性腐蚀 2 各向异性腐蚀 3 溅射腐蚀 等离子体腐蚀的主要现象和特点 1 速率高 2 环境清洁 工艺兼容性好 3 掩膜选择性好 30 1 4 表面光洁度好 应力集中少 5 无晶向限制 主要特点 1 好的截面形状 易于满足铸模要求 2 高的腐蚀速率 适于体硅要求 3 利用各向同性腐蚀 满足牺牲层腐蚀要求 4 可用于活动结构制作 5 可用于高深宽比结构制作 适应性 反应离子深刻蚀 改善刻蚀的方向性 即各向异性 一直是反应离子刻蚀技术发展过程中不懈追求的目标 完全化学刻蚀是各向同性的 完全的物理刻蚀虽然有很好的方向性 但有很差的选择性 即掩模本身经受不了长时间的刻蚀 电感耦合等离子体 ICP Bosch工艺 反应离子深刻蚀的要求 需要较高的刻蚀速率 否则刻穿500um厚的硅片需要太长的时间 需要极好的各向异性 即刻蚀的边壁垂直 除了离子物理溅射之外 反应离子刻蚀从本质上是各向同性 为了阻止或减弱侧向刻蚀 只有设法在刻蚀的侧向边壁沉积一层抗刻蚀的膜 Bosch工艺和Cryogenic工艺 所谓Bosch工艺就是在反应离子刻蚀的过程中 不断在边壁上沉积抗刻蚀层或边壁钝化 八氟环丁烷离化后在底面和侧壁形成聚合物钝化层 通入刻蚀气体SF6刻蚀掉底部钝化层 并进一步刻蚀硅 新暴露的侧壁被新的钝化层覆盖 离子溅射刻蚀 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 其它物理刻蚀技术 激光微加工技术飞秒激光对材料表面的辐照时间如此之短 激光的能量没有时间转化为热量扩散到相邻区域 激光微加工是一种快速成型技术 不需要曝光 显影 刻蚀的中间步骤 不受材料形状与大小的限制 喷墨打印头上的孔 激光是一种受激辐射而得到的加强光 其基本特征 强度高 亮度大 波长频率确定 单色性好 相干性好 相干长度长 方向性好 几乎是一束平行光 工作原理 激光加工 固体激光器 YAG 结晶母材由钇 铝和石榴石构成 激光器 红宝石激光器 混合气体 氦约80 氮约15 CO2约5 通过高压直流放电进行激励 波长10 6 m 为不可见光 能量效率5 15 气体激光器 CO2激光器 激光器 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1 以下 实际上可实现 0 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 激光加工可控性好 易于实现自动控制 加工设备昂贵 激光加工特点 激光打孔 广泛应用于金刚石拉丝模 钟表宝石轴承 陶瓷 玻璃等非金属材料 和硬质合金 不锈钢等金属材料的小孔加工 激光打孔具有高效率 低成本的特点 特别适合微小群孔加工 焦点位置对孔的质量影响 若焦点与加工表面之间距离很大 则激光能量密度显著减小 不能进行加工 如果焦点位置偏离加工表面1mm 可以进行加工 此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化 激光加工应用 激光热处理 原理 照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发 由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成 达到硬化 优点 快速 不需淬火介质 硬化均匀 变形小 硬化深度可精确控制 激光焊接 与打孔相比 激光焊接所需能量密度较低 因不需将材料气化蚀除 而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起 优点 没有焊渣 不需去除工件氧化膜 可实现不同材料之间的焊接 特别适宜微型机械和精密焊接 激光切割 激光切割具有切缝窄 速度快 热影响区小 省材料 成本低等优点 并可以在任何方向上切割 包括内尖角 可以切割钢板 不锈钢 钛 钽 镍等金属材料 以及布匹 木材 纸张 塑料等非金属材料 图7 74激光焊接车身 图7 73激光切割 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 工作原理 利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电 产生瞬时高温 工件材料被熔化和气化 同时 该处绝缘液体也被局部加热 急速气化 体积发生膨胀 随之产生很高的压力 在这种高压作用下 已经熔化 气化的材料就从工件的表面迅速被除去 4个阶段 1 介质电离 击穿 形成放电通道 2 火花放电产生熔化 气化 热膨胀 3 抛出蚀除物 4 间隙介质消电离 恢复绝缘状态 电火花加工机床 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 工作要素 脉冲宽度与间隔 影响加工速度 表面粗糙度 电极消耗和表面组织等 脉冲频率高 持续时间短 则每个脉冲去除金属量少 表面粗糙度值小 但加工速度低 通常放电持续时间在2 s至2ms范围内 各个脉冲的能量2mJ到20J 电流为400A时 之间 电火花线切割加工 用连续移动的钼丝 或铜丝 作工具阴极 工件为阳极 机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动 可切割出二维图形 同时 丝架可作小角度摆动 可切割出斜面 电火花加工类型 电火花线切割原理图 X Y 储丝筒 导轮 电极丝 工件 电火花成形加工 主要指孔加工 型腔加工等 电火花线切割机床 电火花线切割加工 加工过程显示 不受加工材料硬度限制 可加工任何硬 脆 韧 软的导电材料 加工时无显著切削力 发热小 适于加工小孔 薄壁 窄槽 形面 型腔及曲线孔等 且加工质量较好 脉冲参数调整方便 可一次装夹完成粗 精加工 易于实现数控加工 电火花加工特点 电火花加工应用 电火花成形加工 电火花打孔常用于加工冷冲模 拉丝模 喷嘴 喷丝孔等 型腔加工包括锻模 压铸模 挤压模 塑料模等型腔加工 以及叶轮 叶片等曲面加工 电火花线切割 广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模 样板 各种形状复杂的板类零件 窄缝 栅网等 工作原理 工件接阳极 工具 铜或不锈钢 接阴极 两极间加直流电压6 24V 极间保持0 1 1mm间隙 在间隙处通以6 60m S高速流动电解液 形成极间导电通路 工件表面材料不断溶解 溶解物及时被电解液冲走 工具阴极不断进给 保持极间间隙 不受材料硬度的限制 能加工任何高硬度 高韧性的导电材料 并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和型腔 加工形面 型腔生产率高 与电火花加工比高5 10倍 采用振动进给和脉冲电流等新技术 可进一步提高生产效率和加工精度 阴极在加工中损耗小 加工表面质量好 无毛刺 残余应力和变形层 设备投资大 有污染 需防护 模具型腔 枪炮膛线 发电机叶片 花键孔 内齿轮 小而深的孔加工 电解抛光 倒棱 去毛刺等 电解加工特点 电解加工应用 工件与磨轮保持一定接触压力 突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙 电解液从中流过时 工件产生阳极溶解 表面生成一层氧化膜 其硬度远比金属本身低 易被刮除 露出新金属表面 继续进行电解 电解作用与磨削作用交替进行 实现加工 电解磨削效率比机械磨削高 且磨轮损耗远比机械磨削小 特别是磨削硬质合金时 效果更明显 电解磨削 电子束加工 电子束加工是近年来得到较大发展的特种加工方法 在精密微细加工方面 尤其是在微电子学领域中得到较多的应用 电子束加工主要用于打孔 焊接等的精加工和电子束光刻化学加工 真空条件下 利用电流加热阴极发射电子束 经控制栅极初步聚焦后 由加速阳极加速 通过透镜聚焦系统进一步聚焦 使能量密度集中在直径5 10 m斑点内 高速而能量密集的电子束冲击到工件上 被冲击点处形成瞬时高温 几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度 工件表面局部熔化 气化直至被蒸发去除 工作原理 电子束束径小 最小直径可达0 01 0 05mm 而电子束长度可达束径几十倍 故可加工微细深孔 窄缝 材料适应性广 原则上各种材料均能加工 特别适用于加工特硬 难熔金属和非金属材料 非接触加工 无工具损耗 无切削力 加工时间极短 工件无变形 加工速度高 切割1mm厚钢板 速度可达240mm min 在真空中加工 无氧化 特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金 加工设备较复杂 投资较大 多用于微细加工 特点及应用 离子束加工 离子束加工与电子束加工的原理基本相同 不同的只是离子质量比电子质量大数千 数万倍 经过聚焦加速后 靠离子打击加工件的动能 或将工件的原子撞击出来 撞击效应 或将靶材的原子撞出后飞溅沉积到工件表面上 溅射效应 或直接将离子束中的离子打入工件表层之内 注入效应 可实现对材料的 毫微米级 或 原子级 加工 超声波加工 一 超声波加工的基本原理 声波频率超过16000Hz被称为超声波 超声波加工是利用超声波振动的冲击磨料对工件进行加工的一种方法 它不仅能加工脆硬金属材料 而且适合于加工不导电的脆硬非金属材料 如玻璃 陶瓷等 同时超声波还可用于清洗 焊接和探伤等 利用工具端面作超声 16 25kHz 振动 使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工 超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡 通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动 此时振幅一般很小 再通过振幅扩大棒 变幅杆 使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0 01 0 15mm 工作原理 变幅杆 超声波发生器 超声波加工原理图 工具 工件 超声波加工 二 超声波加工的特点 方法及应用 1 超声波加工适合于加工各种脆硬材料 材料越是脆硬 越适宜超声波加工 2 超声波可用于加工薄壁 薄片等易变形零件 加工精度高 3 超声波加工设备简单 但生产效率低 加工方法可采用超声波直接加工 超声波旋转加工 超声波机械复合加工 超声波焊接 涂覆 清洗等 图7 76超声波加工机床 图7 77超声波加工样件 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料 如玻璃 陶瓷 半导体 宝石 金刚石等 可加工各种复杂形状的型孔 型腔 形面 工具与工件不需作复杂的相对运动 机床结构简单 被加工表面无残余应力 无破坏层 加工精度较高 尺寸精度可达0 01 0 05mm 加工过程受力小 热影响小 可加工薄壁 薄片等易变形零件 生产效率较低 采用超声复合加工 如超声车削 超声磨削 超声电解加工 超声线切割等 可提高加工效率 超声波加工特点及应用 工作原理 加工装置 图