微机电系统设计与制造第4章.ppt

MEMS的制造技术主要包括两类技术 体微加工和表面微加工 这两类加工技术的基本材料都用硅 而加工工艺的基础都是集成电路制造技术 1 表面微加工技术 来自金属膜的概念 在硅腐蚀的基础上 采用不同薄膜淀积腐蚀方法 在硅片表面形成不同形状的层状微结构 2 LIGA技术3 键合工艺 按界面材料的性质 可分为两大类 1 硅 硅基片的直接键合工艺 2 硅 硅基片的间接键合4 1 体微加工硅的体微加工技术包含硅的湿法和干法技术 硅刻蚀自终止技术 LIGA技术 以及DEM技术 第四章制造技术MEMS的 第四章制造技术MEMS的 4 1 1 蚀的湿法技术硅刻腐EMS中的体微加工的硅体刻蚀湿法技术原理介绍如下 硅表面上的点便作为随机分布的局部区域的阳极与阴极 由于这些局部区域化电解电池的作用 硅表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流 一般超过100A cm2 硅表面的缺陷 腐蚀液的温度 腐蚀液所含的杂质 腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附过程等因素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大的影响 用于这种化学腐蚀的化学试剂很多 常用的有HF HNO3 氢氟酸 硝酸 腐蚀系统 各向同性腐蚀 第四章制造技术MEMS的 KOH EDP腐蚀系统 各向异性腐蚀 对于HF HNO3和H2O 或CH3COOH乙酸 腐蚀系统 硅腐蚀的机理是 首先硅表面的阳极反应为Si 2h Si2 4 1 这里h 表示空穴即Si得到空穴后原来的状态升至较高的氧化态 腐蚀液中的水解离发生下述反应 H2O OH H 4 2 Si 与 OH 结合为 Si2 2 OH Si OH 2 4 3 接着Si OH 2放出H2并形成SiO2 即Si OH 2SiO2 H2 4 4 由于腐蚀液中存在HF 所以O2立即与HF反应 反应式为SiO2 6HFH2SiF6 2H2O 4 5 早期研究结果表明 对于KOH 氢氧化钾 H2O和 CH3 2CHOH 异丙醇 即IPA 腐蚀系统 硅的腐蚀机理的反应式如下 KOH H2O K 2OH H 4 6 Si 2OH 4H2OSi OH 2 4 7 即首先将硅氧化成含水的硅化合物 结合反应如下式表示 4 8 络合物络合物 由上述反应方程可知 首先KOH将硅氧化成含水的硅化合物 然后与异丙醇反应 形成可溶解的硅 这样络合物不断离开硅的表面 水的作用是为氧化过程提供OH 硅无论是在HF HNO3腐蚀系统中 还是在KOH腐蚀系统中 其腐蚀过程既可受反应速率限制 也可受扩散限制 如果腐蚀取决于化学反应速率 这种过程称为反应速率限制 如果腐蚀剂通过扩散转移到硅片表面的则称为扩散限制 与反应速率限制过程相比 扩散限制过程活化能较低 所以它对温度变化较为敏感 如果在腐蚀过程中腐蚀条件发生变化 例如温度和腐蚀液的化学成分发生变化 将会改变速率限制 整个过程决定单晶腐蚀的其他因素包括 晶体取向 导电类型 掺杂原子浓度 晶格损伤以及表面结构 如果在单晶硅各个方向上的腐蚀速率是均匀的称为各向同性刻蚀 而腐蚀速率取决于晶体取向的则称为各向异性腐蚀 在一定的条件下腐蚀具有一定的方向跃居第一 是硅单晶片腐蚀过程中的重要特征之一 4 1 2硅体的各向同性刻蚀硅体的各向同性刻蚀在MEMS制造中有着极为广泛的应用 而硅的各向同性腐蚀最常用的腐蚀液为HF HNO3加水或者乙酸系统 通常称为HNA系统 HNA系统中 其腐蚀机理 硝酸硅发生氧化反应生成二氧化硅然后由HF将二氧化硅溶解 其反应式Si HNO3 HF H2SiF6 HNO2 H2O H2 4 10 在这种腐蚀系统中 水和乙酸 CH3COOH 通常作为稀释剂 在HNO3溶液中 HNO3几乎全部电离 因此H 浓度较高 而CH3COOH是弱酸 电离度较小 它的电离反应为CH3COOH CH3COO H 4 11 图4 2表面取向对腐蚀速率的影响与温度的关系 图4 3腐蚀速率与温度的关系 高HF区 无稀释 自下而上每族曲线对应的配比为 95 HF 5 HNO3 90 HF 10 HNO3 85 HF 15HNO3 图4 4腐蚀速率与温度的关系 H2O稀释 65 HF 20 HNO3 15 H2O 20 HF 60 HNH3 20 H2O 图4 5腐蚀速率与成分的关系 图4 6硅的等腐蚀线 HF HNO3 稀释剂 图4 6给出了分别用H2O和CH3COOH作为稀释剂的HF HNO3 系统腐蚀硅的等腐蚀线 常用的浓酸的重量百分比是49 2 HF和69 5 HNO3 用H2O和CH3COOH作为稀释剂的功能基本相似 其共同特点有 1 在低HNO3及高HF浓度区 见图4 6的顶角区 等腐蚀曲线平行于等HNO3浓度线 由于该区有过量的HF可溶解反应产物SiO2 所以腐蚀速率受HNO3的浓度所控制 2 在低HF高HNO3区 见图4 6的右下角 等腐蚀线平行于HF浓度线 3 当HF HNO3 1 1 稀释液浓度百分比小于10 时 随稀释液的增加对腐蚀速率影响较大草原稀释液从10 30 腐蚀速率随秋耕释液的增加呈减小 稀释液大于30 后 稀释的微小变化会引起腐蚀速率的很大变化 4 1 3硅体的各向异性刻蚀硅体的各向异性刻蚀在MEMS制造中起着极其重要的作用 硅体的各向异性腐蚀机理为在有些溶液中单晶硅的腐蚀速率取决于晶体取向 即在某种晶体取向上硅的腐蚀速率非常快 而在其他方向上腐蚀速率又非常慢 基于硅的这种腐蚀特性 可在硅基片上加工出各种各样的微结构 硅体的各向异性腐蚀液的种类很多 最常用的 100 111 腐蚀速率比最大的是KOH腐蚀液 用KOH腐蚀液腐蚀单晶硅晶体其在三个常用晶面方向上的腐蚀速率情况是 100 110 111 而 100 111 的最大腐蚀速率可达400 1图4 7给出了硅单晶片各向异性腐蚀示意图 图4 7硅单晶片各向异性腐蚀示意图 Wb W0 2Lcos54 7o其中L是腐蚀深度 1 氢氧化钾的刻蚀机理硅体的各向异性刻蚀的腐蚀剂基本是碱性溶液 而氢氧化钾溶液占一半以上 因此氢氧化钾是硅体的各向异性腐蚀重要的和常用的腐蚀剂 2 各向异性刻蚀的物理机理 图4 8各向异性的物理机理 腐蚀 3 腐蚀速率 图4 9腐蚀速率测试掩膜版 图4 10腐蚀后的测试图形显示 表4 3在不同KOH浓度和温度情况下 100 面硅的腐蚀速率 m h 4 体刻蚀的基本结构硅体在氢氧化钾溶液中 各向异性腐蚀 利用此性能可制作各种各样微机械基本结构如图4 11所示 图4 11体硅微机械的基本结构 一般需要刻蚀制作薄膜时 掩膜开的窗口必须比膜的尺寸大 其倾斜的角度由几何计算得到为54 7O 而斜坡所占的面积也可计算得到 多晶硅所需刻蚀的深度为O时 单边斜坡所占的长度L 0 71D 4 18 4 1 4硅刻蚀的干法技术干法刻蚀具有分辨率高 各向异性腐蚀能力强 腐蚀的选择比大 以及能进行自动化操作等优点 因此 干法刻蚀在体微加工中将逐渐占有重要地位 干法刻蚀的过程可分为以下几个步骤 1 腐蚀性气体粒子的产生 2 粒子向衬底的传输 3 衬底表面的腐蚀 4 腐蚀反映物的排除 干法腐蚀的种类很多 其中有 物理方法 离子腐蚀 溅射 IonEtching IE 离子束腐蚀IonBeamEtching IBE 化学方法 等离子体腐蚀PlasmaEtching PE 4 1 4 1物理腐蚀技术 1 离子腐蚀 IonEtching IE 图4 12平行板反应器的结构原理 2 离子束腐蚀 IonBeamEtching IBE 离子束腐蚀是一种利用惰性离子进行腐蚀的物理腐蚀 在离子束腐蚀中 被腐蚀的衬底和产生离子的等离子区在空间是分离的 如图4 13所示 图4 13离子束腐蚀装置结构原理 图4 14在纯物理离子腐蚀中出现的制造物的原理示意图 4 1 4 2物理和化学腐蚀过程相结合除去纯物理和纯化学干法腐蚀方法外 由于化学腐蚀所具有的高选择性和物理腐蚀所具有的各向异性 目前主要是将这两种方法组合起来使用 1 等离子体腐蚀 PlasmaEtcing PE 2 反应离子腐蚀 ReactiveIonEtching RIE 3 反应离子束腐蚀4 2硅体刻蚀自停止技术硅体刻蚀自停止技术是体微加工中关键技术之一 它利用不同晶格取向的硅和掺杂浓度不同 使硅在不同的腐蚀液中表现出不同的腐蚀性能 4 2 1重掺杂自停止腐蚀技术可以认为KOH溶液对重掺杂硅基本上不腐蚀 同时又知道 重掺杂硼的硅腐蚀自停止效应比重掺杂磷的硅更 明显 所以工艺中常用重掺杂硼的硅作为硅腐蚀的自停止层材料 图4 15为重掺杂硼硅腐蚀的自停止腐蚀工艺 其工艺流程为 图4 15重掺杂硼的硅自停止腐蚀工艺 具有的高选择性和物理腐蚀所具有的各向异性 目前主要是将这两种方法组合起来使用 4 2 2 111 面自停止腐蚀技术图4 16为 111 面自停止腐蚀工艺 其工艺流程为 4 2 3p n结腐蚀自停止技术p n结腐蚀自停止是一种使用硅的各向异性腐蚀剂如氢氧化钾的电化学腐蚀自停止技术 它利用了N型硅和P型硅在各向异怀腐蚀液中的钝化电位不同这一现象 图4 17给出了在氢氧化钾腐蚀液 65 40 中 100 晶向P型硅和N型硅样品的电流一电压特性 4 2 4电化学自停止腐蚀技术图4 20是一种典型的电化学腐蚀自停止方法 图4 16 111 面自停止腐蚀工艺 图4 17P型和N型硅在KOH腐蚀液中的特性 图4 20电化学腐蚀系统 图4 21硅在5 HF中的电化学腐蚀I V 4 2LIGA体微加工技术LIGA体微加工技术由四个工艺组成部分 LIGA掩模板制造工艺 X光深层光刻工艺 微电铸工艺 微复制工艺 其工艺流程如图4 22所示 4 3 1LIGA掩膜板制造工艺LIGA掩模板必须能有选择地透过和阻挡X光 一般的紫外光掩模板不适合做LIGA掩模板 表4 4LIGA掩模板的X光透光薄膜材料的性能及其优缺点 图4 22LIGA技术的工艺流程 4 3 2X光深层光刻工艺X光深层光刻工艺需平行的X光光源 由于需要曝光的光刻胶的厚度要达到几百微米 用一般的X光光源需要很长的曝光时间 而同步辐射X光光源不仅能提供平行的X光 并且强度是普通X光的几十万倍 这样可以大大缩短曝光时间 图4 23X光过渡掩模板制造工艺流程图 2 X光光刻胶 3 同步辐射X光曝光 4 光刻胶显影4 3 3微电铸工艺目前镍的微电铸工艺比较成熟 镍较稳定 且具有一定的硬度 可用于微复制模具的制作 由于金是LIGA掩模板的阻挡层 所以 在LIGA技术中 金的微电铸技术非常重要 有些传感器和执行器需要有磁性作为驱动力 所以 具有磁性的铁镍合金的微电铸对LIGA技术也很重要 其他如银 铜等也是LIGA技术常用的金属材料 LIGA的微电铸工艺技术难点之一 是对高深宽比的深孔 深槽进行微电铸 4 3 4微复制工艺 由于同步辐射X光深层光刻代价较高 无法进行大批量生产 所以LIGA技术的产业化只有通过微复制技术来实现 目前微复制方法主要有两种 注塑成型和模压成型 图4 29给出了注塑成型和模压成型两种微复制方法的工作原理 其中注塑成型适用于塑料产品的批量生产 模压成型适用于金属产品的批量 图4 29两种微复制方法的工作原理 4 3 5LIGA技术的扩展4 3 5 1准LIGA技术准LIGA技术是用紫外线或激光光刻工艺来代替同步辐射X光深层光刻工艺 该技术需高光敏性的光刻胶厚胶 目前利用该技术能刻出100m厚的微结构 但侧壁垂直度只有850左右 只能部分代替LIGA技术 适用于对垂直度和深度要求不高的微结构加工 图4 30给出了用紫外线光刻获得的厚60m的光刻胶及电铸出的铁镍合金微结构电镜照片 4 3 5 2牺牲层LIGA技术在微机械制造领域 很多情况下需要制造可活动的零部件 例如微阀 微马达和微加速度计等 利用牺牲层LIGA技术可制造活动的微器件 图4 31给出了牺牲层LIGA技术工艺原理图 4 3 5 3LIGA套刻技术 图4 31牺牲层LIGA技术工艺原理图 LIGA技术中 利用套刻技术获得含有台阶的微结构 该技术在第一次光刻 微电铸的基础上进行第二次套刻技术获得的微变速齿轮电镜照片 4 3 5 4倾斜曝光技术在LIGA技术中 可以通过倾斜曝光获得一些特殊的图形 如图4 34所示倾斜曝光原理图 图4 35给出通过倾斜曝光获得的复杂微结构电镜照片4 3 6DEM技术DEM技术充分利用了硅体微加工技术和LIGA技术的优点 解决了硅体微加工技术中只能加工硅材料的局限 该技术不像LIGA技术那样需昂贵的同步辐射光源和特制的X光掩模板 利用该技术可对非硅材料 如金属 塑料或陶瓷进行高深宽比三维加工 该技术的开发成功 将开拓微加工新领域 对我国微机电系统的研究起到很好的推动作用 4 4表面微加工4 4 1表微加工机理图4 41给出了表面微加工的基本过程 首先在硅片上淀积一隔离层 用于电绝缘或基体保护层 然后淀积牺牲层和图形加工 再淀积结构层并加工图形 最后溶解牺牲层 形成一个悬臂梁的微结构 图4 41表面微机械加工原理示意图 与体微加工相比较 表面微加工技术对于微小结构的尺寸更易控制 1 表面微加工使用的材料表面微加工要求所应用的材料是一组相互匹配的结构层 牺牲层材料 2 表面微加工的特点与体微加工和键合相比较 在表面微加工中 硅片本身不被刻蚀 没有孔穿过硅片 硅片背面也无凹坑 比较两者结构尺寸 如表4 8所示 可以看出表面微加工适用于微小结构件的加工 结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反应离子刻蚀 RIE 工艺 表面微加工形成的层状结构特点为微器件设计提供了较大的灵活性 在中心轴上加工转子是不可能的 而采用键合又会使工艺变得非常复杂 而表面微加工技术的另一个主要特点是可实现微小可动部件的加工 4 4 2多晶硅的表面微加工在多晶硅的表面微加工中 以掺杂或未掺杂的多晶硅作为结构材料 氧化硅作为牺牲层材料 氮化硅作为基体绝缘材料 氢氟酸作为化学腐蚀剂组成一组合理的材料系 目前在硅表面已经能够加工复杂的表面微结构零件 如悬臂梁 齿轮组 涡机 曲柄 镊子等 多晶硅表面微加工已是许多静电执行器的主要加工手段 4 4 2 1多晶硅的淀积4 4 2 2淀积态的薄膜应力4 4 2 3未掺杂薄膜的退火4 4 2 5二氧化硅在集成电路工艺中 二氧化硅是一种多用途的基本材料 它通过热氧化生长和为满足不同要求采用 图4 45平均残余应力与退火温度的关系曲线 不同工艺淀积获得 二氧化硅的腐蚀速率对温度最敏感 温度越高 腐蚀速率越快 腐蚀时必须严格控制温度 4 4 2 6氮化硅在集成电路工业中 氮化硅 Si3N4 广泛用于电绝缘和表面钝化 PECVD氮化硅主要用于集成电路的钝化 由于氮化硅的多孔性 在HF中其腐蚀速率高于热法生长的二氧化硅 因而在表面微结构中应用不多 主要应用于多晶硅表面微结构的基体绝缘 4 4 2 7磷硅玻璃 PSG 磷硅玻璃也是一种应用广泛的牺牲层材料 其淀积应力比二氧化硅小 其制备工艺 LPCVD采用SiO4 O和PH3 PECVD应用SiH4 N2O和PH3或四乙氧硅烷 TEOS 三甲亚磷酸盐 TMP 淀积而成 4 4 2 8粘附现象在牺牲层被刻蚀后 微器件要进行漂洗和吹干 在器件浸入和提出溶液的过程中 溶液蒸发会产生一个很大的毛细管作用力 把微器件拉向基体产生粘附现象 在两表面之间形成接角力 图4 49微器件粘附形成 a 和解决方法 b 示意图 4 4 3多晶硅的机械特性应用于表面微构件的薄膜存在着较大的残余应力该残余应力场对薄膜淀积条件和后工艺过程十分敏感这些残余应力影响着构件负载特性 输出 频率其他重要运行参数 所以在形成一个表面微加工工艺以前充分理解和掌握这些机械特性4 4 3 1原位特性试验装置薄膜本征应变场估价的试验装置是测量薄膜与基体分离后产生的尺寸变化 当薄膜与基体分离后 薄膜的应力得到松弛 其伸长或缩短正比于本征应变场的大小 试验装置为应力松弛提供了直接与间接的测量 1 悬臂梁测量悬臂梁的形变 可获得应变松弛的大小 薄膜残余应变与梁尺寸变化如下式表示 4 24 式中为残余应变 L0为悬臂梁原始长度 L为与基体分离后悬臂梁的长度 2 微桥对于细长部件 当端点负载超过其临界值发生弯曲时 Guckel等人提出测量局部应变场的装置 公式 4 25 为轴向负载细梁Euler 欧拉 弯曲应变的表达式 4 25 式中 K为边界尺寸相关的常数 t为薄膜厚度 L为梁的长度 图4 51所示微桥长度与弯曲应变的关系曲线 其本征应变值于 3 2 10 4和5 6 10 4之间 图4 51微桥长度与Euler变曲应变关系 4 4 3 2残余应力梯度实际上薄膜淀积后还要经历许多道工艺 面内in plane 应力通常随薄膜厚度而变 该应力的改变形成一个本征弯曲矢量M 其大小由下式给出 4 28 式中 t为薄膜厚度 x y 为薄膜中心到y距离面内应力的大小 图4 53给出了 与 的关系曲线 4 4 3 4负载响应特性前面讨论了测量薄膜残余应力大小和均匀性的方法 大量其他的薄膜机械性能如杨氏模量 泊松比和屈服强度等对微构件特性也起着同样重要的作用 这些性能对 图4 53挠曲度 与悬臂梁长度 的关系 材料性质也十分敏感 必须给予充分的注意 用一负载可调节器的纳米压痕仪 Nanoindenter 来评价悬臂梁的机械特性4 5键合技术键合技术包括有阳极键合技术 硅 硅基片直接键合 其他硅一硅间接键合技术等 阳极键合又称静电键合或协助键合 具有键合温度较低 与其他工艺相容性较好 键合强度及稳定性高 键合设备简单等优点 因此广泛应用于硅 硅基片之间的键合 非硅材料与硅材料 以及玻璃 金属 半导体 陶瓷之间的互相键合 4 5 1 14 5 1 1阳极键合机理阳极静电键合的机理 在强大的静电力作用下 将二被键合的表面紧压在一起 在一定温度下 通过氧一硅化学价键合 将硅及淀积有玻璃的硅基片牢固地键合在一起 阳极键合质量控制的主要因素 在硅片上淀积玻璃的种类 硅基片的准备 键合工艺和键合设备 1 玻璃种类对键合质量的影响 2 高质量的硅基片准备工艺 3 3 控制阳极键合工艺参数保证键合质量 4 键合装置对键合质量的影响阳4 5 1 3极键合技术的应用硅 硅阳极键合的许多实例是在微电子器件中制造SOI silicononinsulate 结构 此处介绍一种具体工艺流程 如图4 61所示 图4 61阳极键合在SOI结构中的应用 1 在第一块硅基片上用各向异性刻蚀技术刻出U型沟槽 并作氧化处理 2 在上述氧化处理的表面上沉积100厚的多晶硅 3 将多晶硅表面磨平 抛光后再氧化 或者在此抛光的表面上溅射沉积0 5 20厚的Corning7740玻璃层 4 选择合适的阳极键合工艺参数 将该基片与中一硅基片进行阳极键合 5 对第一块硅片进行减薄 SOI结构基本完成 可用作专用器件的制造 4 5 2硅 硅基片直接键合技术硅 硅基片直接键合 又称硅的熔融键合 应用这种键合技术必须符合两个要求 抛光的两个基片表面必须紧密接触 两者界面处的硅原子能形成稳定的键 4 5 2 1硅 硅基片直接键合机理抛光清洗后的硅基片表面 一般存在一层很薄的1 6nm氧化物 以区别于热法生成的氧化物 该薄层氧化物为本征氧化物 nativeoxide 在实际结构应用中 有的是硅 硅直接相键合 有的是硅 二氧化硅直接键合 也有的是二氧化硅 二氧化硅键合 4 5 2 2硅 硅直接键合工艺及其质量控制 键合质量主要受键合界面处空洞存在的影响 因此要控制工艺参数对界面空洞形成及清除 1 键合前基片表面预处理工艺 2 键合温度的控制 3 键合强度4 5 2 3键合基片界面处的微缺陷4 5 3其他硅 硅间接键合工艺硅 硅间接键合工艺还有多种 如有胶水 低温玻璃 金硅 金锡 共晶及其他金属 用合金中间层来达到键合目的 4 5 3 1金硅共晶键合金硅共晶键合的基本机理 在超大规模集成电路技术中硅芯片与基片的焊接经常使用金硅 焊锡 金膜的厚度对键合质量有一定的影响 若金膜太薄 没有足够的共晶熔体覆盖整个键合界面 且冷却下来后 该合金是硅加金二 相共晶 不太可能实现100 面积的键合 而若金膜太厚 则成本高 内应力大 对硅 硅键合的成本和质量也有影响 推荐的金膜厚度为100 1000nm 金膜共晶键合的缺点 是对空腔密封器件性能的