SOI微加速度计的制备工艺研究.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除SOI微加速度计的制备工艺研究 姓名： 班级： 学号：电话：Email： 精品文档摘要MEMS 技术是极具发展潜力的技术之一，是当前十分活跃的研究领域。MEMS技术广泛应用于诸多领域，包括国防、汽车工业和生物医学等。微加速度计是MEMS 技术应用的一个重要领域，MEMS 技术的最初成功和商业化的产品就是微加速度计。目前微加速度计凭借其体积小、重量轻、功耗低和高灵敏度等优点已成为惯性导航领域的关键部件。SOI 材料的出现更是让微加速度计的研究有了新的方向和重点，SOI 微加速度计已经成为新的研究热点。SOI ( silicon-on-insulator)材料具有耐高温、低压、低功耗方面的优势,可以使加工的MEMS 硅传感器大幅提高对恶劣测量环境的适应能能力,拓展MEMS 硅传感器的应用范围。本文结合微细加工与纳米技术课程的项目设计要求和个人的兴趣，对SOI微加速度计的制备工艺进行了初步的研究。由于个人知识水平所限以及缺乏具体的实验条件，本课题的研究方法主要采用的是文献研究法。本文从研究SOI微加速度计的制备工艺出发，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究的问题。文献研究法被子广泛用于各种学科研究中。其作用有：能了解有关问题的历史和现状，帮助确定研究课题。能形成关于研究对象的一般印象，有助于观察和访问。能得到现实资料的比较资料。有助于了解事物的全貌。本文的涉及的文献主要来自中国（CNKI）学术文献总库，部分来自百度百科等网络资源。关键词：MEMS 技术SOI 微加速度计 制备工艺1概述微加速度计是微惯性测量组合（包括微加速度计和微陀螺仪）的关键部件，在许多相关领域都有着广阔的发展和应用前景。特别是基于 SOI(绝缘衬底上的硅，Silicon on insulator)的微加速度计已成为目前研究和分析的热点，采用 SOI技术的微加速度计不但具有较好的硅机械特性，而且使 CMOS（互补金属氧化物半导体，Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺与 MEMS 加工工艺能够兼容，为加速度计表头与 CMOS 单片集成提供了可能，实现了惯性器件微型化、可集成化、易批量生产等优点。SOI 材料同样在 MEMS 中得到了广泛的应用，现代 MEMS 加速度计和陀螺仪要求系统具有高稳定性、高灵敏度、高分辨率、高品质因数和低噪声等，SOI 材料能较好的满足这些高性能要求。同时，基于 SOI 材料制备的 MEMS 器件具有工艺简单的优势，目前已经成为国际上研究的热点，SOI 技术尚没有成熟处于研究阶段，因此对基于 SOI 材料的微加速度计研究具有重要的意义。MEMS是当前极具发展前景的技术之一，关系到国家的经济繁荣、国防安全和航空科技等许多领域，在可预见的未来里将会有极大的发展。MEMS技术不仅涉及到如物理学、化学和生物学等基础自然科学，还大量交叉到如材料学、机械学和电子信息学等工程科学，是一门综合性很强的学科。MEMS技术将会是一场新的产业革命，必会对许多相关领域产生巨大的冲击和影响。微加速度计是MEMS技术中最早成熟和商品化的产品，已经大量应用在汽车、航空和工业自动化等领域，智能汽车的出现更是离不开微加速度计的广泛应用。微加速度计的尺寸是在微米到毫米量级，在尺寸上比传统的加速度计小了很多，这也造就了微加速度计的诸多优点，如体积小、重量轻和工作速度快等，微加速度计已经成为MEMS技术研究的重要方向。相比于硅基的微加速度计，基于SOI材料的微加速度计更是具有许多优势，如工艺简单、高可靠性和稳定性等；SOI微加速度计在国内外都得到了高度重视，各国都争相研究，尚且技术远没有成熟，因此对SOI微加速度计的研究具有重要的意义。2研究目标与研究内容本文的研究目标是通过查阅相关文献，得出SOI微加速度计的几种常见制备工艺，并进行比较的出各自优缺点，给SOI微加速度计的加工提供参考依据。本文首先介绍了微加速度计的加工制造技术的主要方法以及各种方法的优缺点。然后对深槽硅刻蚀工艺进行了研究，比较了各种方法的优缺点，选择金属掩蔽层刻蚀作为深槽硅刻蚀方法，介绍了深槽硅刻蚀工艺流程。最后研究了整个 SOI 微加速度计的加工工艺，提出了改进的 DRIE 背面刻蚀工艺，能够有效的避免 Lag 效应和 footing 效应对梳齿底部的损伤，并分别给出了活动梳齿为悬空和悬浮两种结构以及不同电极材料的 SOI 微加速度计的具体加工制作流程，完成了对整个器件加工工艺的研究和设计。3研究过程与结果目前微加速度计的加工制造技术主要分为三种，分别为表面微机械加工技术、体微机械加工技术和 LIGA 加工技术。采用表面微机械加工技术的优点是能方便地与集成电路工艺相兼容，其缺点是制作的多晶层厚度不足，导致质量块和侧壁电容都比较小，从而灵敏度低，机械热噪声大，越来越难以满足微加速度计对高性能的要求；而体微机械加工技术可以制作出较大的质量块和侧壁电容，从而克服了灵敏度低和机械热噪声大的缺点，与表面微机械加工技术相比有明显的优势；LIGA 加工技术也可以制作出较大的质量块和侧壁电容，但相关设备昂贵和复杂，相比于体微机械加工技术更难以控制；因此体微机械加工技术是目前加工微加速度计的主要技术。SOI 微加速度计加工工艺技术主要包括 DRIE 背面刻蚀技术、RIE 反应离子刻蚀技术和 DRIE 释放结构三个主要工艺步骤。其中，DRIE 干法刻蚀工艺是最重要的关键工艺技术，深槽硅刻蚀的效果会对器件的分辨率、灵敏度和量程等性能产生重要的影响，甚至会直接导致器件功能的失效。在浅槽硅刻蚀中，由于刻蚀的深度较小，通常采用光刻胶作为刻蚀过程中的保护层，往往能够达到刻蚀要求。但在深槽硅刻蚀中，刻蚀深度可达几十甚至几百微米，而光刻胶对硅的刻蚀选择比一般只有 1:3，显然光刻胶作为保护层是不可能的；由于反应离子刻蚀中有很大一部分是利用化学反应来进行刻蚀的，而化学反应是各向同性的腐蚀，刻蚀过程中存在比较严重的侧向腐蚀，影响了尺寸的精确度，因此在刻蚀过程中硅槽的侧壁保护尤为重要，往往通过在侧壁形成一层难挥发的钝化层，钝化层阻止刻蚀气体对侧壁的腐蚀从而起到保护侧壁的作用，如图 1 所示为典型的深槽硅刻蚀。图 1典型的深槽硅刻 SEM 图3.1深槽硅刻蚀目前，深槽硅刻蚀方法主要有以下四种：基于 Bosch 工艺的 ASE（AdvancedSilicon Etching）刻蚀、低温刻蚀、湿法腐蚀和金属掩蔽刻蚀。现对金属掩蔽刻蚀做简要介绍。金属掩蔽的深槽硅刻蚀主要分为以下四个步骤，工艺流程如图 2 所示。1. 前期准备硅片的清洗：a.将浓硫酸和双氧水按 7:3 的比例进行配制，加热煮沸到 120时，将硅片放入溶液中清洗以去除表面有机物和颗粒等，清洗时间为 30 分钟，再用去离子水冲洗 30 分钟。b.将氢氟酸和水按 1:10 的比例进行配置，然后将硅片放入溶液中浸泡以去除硅片表面的自然氧化层。镀膜：利用磁控溅射台在硅片表面溅射一层约 0.2m 厚的铝膜作为保护层。铝膜的图形形成：主要分为光刻和湿法腐蚀。光刻主要分为以下五个步骤：a.甩胶：甩胶台转速为 3000 转每分钟，时间为 30 秒。b.前烘：设置烘箱温度为 90，前烘时间为 15 分钟。c.光刻：曝光时间约为 8 秒。d.显影：显影时间 20 秒。e.后烘：设置烘箱温度为 120，后烘时间为 30 分钟。湿法腐蚀：a. 配制磷酸与一至两滴酒精的混合溶液，然后放置与电炉上进行加热至 90并稳定后，将硅片放入溶液进行腐蚀，腐蚀时间为 2 分钟。b.用大量的去离子水冲洗腐蚀后的硅片，然后用丙酮去完光刻胶并置于烘箱内烘干。2. 硅的干法刻蚀开机硅片的刻蚀：将菜单调出，按方案修改菜单中的参数，进行硅片刻蚀。关机3. 去铝：利用铝的湿法腐蚀方法对刻蚀后的硅片进行腐蚀，去除硅片表面残余的铝膜。4. 测试：利用台阶仪测量硅刻蚀的深度等参数。图 2 金属掩蔽的深槽硅刻蚀工艺流程图3.2 SOI 微加速计加工工艺目前国内没有加工 SOI 微加速计的标准工艺流程，还处于研究阶段。根据活动梳齿的结构不同，可以分为悬空和悬浮两大类；根据微加速计电极材料的不同，可以分为表面镀金属作为电极和重掺杂顶层硅作为电极两种类型。悬空结构是首先通过 DRIE 深槽反应离子刻蚀技术去除 SOI 材料的底层硅，然后采用 RIE 反应离子刻蚀技术刻蚀掉二氧化硅层，最后采用 DRIE 深槽反应离子刻蚀技术将敏感质量块和梳齿刻蚀出具体的结构和形状，完成整个悬空结构的SOI 微加速度计制作；而悬浮结构是首先通过 DRIE 深槽反应离子刻蚀技术将敏感质量块和梳齿刻蚀出具体的结构和形状，然后采用湿法腐蚀技术腐蚀掉中间的二氧化硅层，最后释放结构完成整个悬浮结构的 SOI 微加速度计制作；以下分别说明。一、 表面镀金属作为电极的悬空 SOI 微加速度计的工艺研究根据微加速度计中活动梳齿的悬空结构特点，结合上述克服Lag效应和footing效应的具体措施，采用表面镀金属钛和改进的 DRIE 背面刻蚀工艺来制作这种类型的微加速度计，该工艺的具体步骤为：(1) 制备 SOI 材料。(2) 生长金属钛薄膜，最后作为微加速度计的电极。(3) 生长金属铝薄膜，作为 DRIE 刻蚀硅的保护层。(4) 采用 DRIE 深槽反应离子刻蚀技术来背面刻蚀基底硅。(5) 采用 RIE 反应离子刻蚀技术刻蚀掉二氧化硅层。(6) 背面溅射一层金属铝薄膜。(7) 采用 DRIE 深槽反应离子刻蚀技术将敏感质量块和梳齿刻蚀出具体的结构和形状。(8) 用热磷酸把残余的铝薄膜去除掉，完成整个微加速度计的结构释放。二、 重掺杂顶层硅作为电极的悬空 SOI 微加速度计的工艺研究根据微加速度计中活动梳齿的悬空结构特点，采用重掺杂顶层硅和改进的DRIE 背面刻蚀工艺来制作这种类型的微加速度计，该工艺的具体步骤为：(1) 制备 SOI 材料。(2) 对顶层硅进行重掺杂，最后作为微加速度计的电极。(3) 在器件的正面和背面都溅射一层金属铝薄膜。(4) 采用 DRIE 深槽反应离子刻蚀技术来背面刻蚀铝薄膜和基底硅，先将铝薄膜刻蚀出所需要的图形，然后将铝薄膜作为保护层来刻蚀基底硅层。(5) 采用 RIE 反应离子刻蚀技术刻蚀掉二氧化硅层。(6) 背面溅射一层金属铝薄膜。(7) 采用 DRIE 深槽反应离子刻蚀技术将敏感质量块和梳齿刻蚀出具体的结构和形状。(8) 用热磷酸把残余的铝薄膜去除掉，完成整个微加速度计的结构释放。三、 表面镀金属作为电极的悬浮 SOI 微加速度计的工艺研究根据微加速度计中活动梳齿的悬浮结构特点，采用表面镀金属钛和湿法腐蚀二氧化硅的工艺来制作这种类型的微加速度计，该工艺的具体步骤为：(1) 制备 SOI 材料。(2) 生长金属钛薄膜，最后作为微加速度计的电极。(3) 生长金属铝薄膜，作为 DRIE 刻蚀硅的保护层。(4) 将铝薄膜刻蚀出所需要的图形。(5) 将铝薄膜作为保护层来刻蚀钛薄膜和硅。(6) 用热磷酸把残余的铝薄膜去除掉。(7) 湿法腐蚀去除二氧化硅层，完成整个微加速度计的结构释放。四、重掺杂顶层硅作为电极的悬浮 SOI 微加速度计的工艺研究根据微加速度计中活动梳齿的悬浮结构特点，采用重掺杂顶层硅和湿法腐蚀二氧化硅的工艺来制作这种类型的微加速度计，该工艺的具体步骤为：(1) 制备 SOI 材料。(2) 对顶层硅进行重掺杂，最后作为微加速度计的电极。(3) 在顶层硅薄膜上镀一层金属铝薄膜。(4) 刻蚀铝薄膜和顶层硅，先将铝薄膜刻蚀出所需要的图形，然后将铝薄膜作为保护层来刻蚀器件硅层。(5) 用热磷酸把残余的铝薄膜去除掉。(6) 湿法腐蚀去除二氧化硅层得到悬浮的结构。3.3各种 SOI 微加速度计的工艺比较与选择活动梳齿的悬空结构和悬浮结构各自有其优点和缺点。就制作微加速度计工艺的稳定性而言：制作悬浮结构的工艺步骤中含有湿法腐蚀去除 SOI 材料中间的二氧化硅层，使得工艺误差增大和可控性降低，最后得到微加速度计性能也较差；而悬空结构则可以很好的克服悬浮结构的缺点，可以避免像悬浮结构那样采用湿法腐蚀二氧化硅，可以全部采用干法刻蚀来制造悬空结构，干法刻蚀的诸多优点大大地提高了工艺的稳定性和可靠性，且可以大批量的生产。就微加速度计的抗冲击能力而言：由于悬浮结构的微加速度计没有大量的镂空结构，因而其不容易被损坏；而悬空结构的微加速度计由于被刻蚀掉了大部分衬底材料，使得其很容易被损坏导致失效。就电学方面而言：悬浮结构的敏感质量块和活动梳齿在重力或外界加速度作用下容易与衬底接触，会对器件灵敏度造成很大的影响，在特别严重时更会导致器件失效；而悬空结构没有衬底的作用，很好地消除了寄生效应，并且由于 DRIE 干法刻蚀容易控制器件层薄膜的厚度，可以方便地增加敏感质量块的质量，因而微加速度计的灵敏度和分辨率都可以得到提高。表面镀金属作为电极的加工过程比较繁琐，涉及的工艺步骤可控性相对较差，在此工艺基础上做出的器件往往表面比较粗糙，且金属层与顶层硅接触不好，微加速度计整体性能较差；而重掺杂顶层硅作为电极的加工工艺过程减少，增加了制作工艺的可控性。通过以上对悬空结构和悬浮结构的优缺点比较，以及对微加速度计电极材料的工艺分析，最终选择重掺杂顶层硅作为微加速度计的电极材料，采用重掺杂顶层硅和改进的DRIE背面刻蚀工艺来制作敏感质量块和活动梳齿为悬空结构的SOI微加速度计。4关键技术4.1MEMS技术MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）即微机电系统或微系统，是 20 世纪 80 年代才随着集成电路、微细加工技术和超精密加工技术逐渐发展起来的一种新兴技术。目前世界上对微机电系统尚无统一的定义，一般认为它是集成微电子和微机械功能于一体的微型机电器件或系统，主要由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统和电源组成，图 3为理想的 MEMS 模型结构图。图3理想的 MEMS 模型结构MEMS是在微电子的基础上发展起来的，因此微机械加工技术很好地继承了微电子加工技术。许多微电子领域的工艺可以很好地移植到MEMS中，如集成电路制造中常用的氧化、光刻、扩散、离子注入、湿法腐蚀、干法刻蚀、外延和淀积等都在MEMS制造中经常用到。但是不同于微电子器件的二维结构，MEMS结构往往是三维结构要复杂的多，为了能够制造出这些复杂的微米量级的三维结构，又逐渐发展出一些MEMS特有的微机械加工技术。总的来说，MEMS的微机械加工技术主要分为以下四类：表面微机械加工技术、体微机械加工技术、键合技术和LIGA技术。4.2 SOI技术SOI（Silicon-On-Insulator）即绝缘层上硅，其结构分为三层：硅-绝缘层-硅，具体为衬底硅上有一层绝缘层，绝缘层上再有一层硅，其中绝缘层一般是二氧化硅。SOI 的技术特点是在顶层硅和衬底硅之间引入了二氧化硅层，二氧化硅将表面器件和衬底隔离，减少了一些有源或无源的寄生元件，容易形成全介质的绝缘和隔离，因此 SOI 器件与体硅器件相比具有许多优点，如漏电流小、无闩锁效应、低功耗、源漏寄生电容小、工作速度快、跨导高、电流驱动能力强和抗辐射能力强等。材料通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。此外，SOI材料还被用来制造MEMS光开关，如利用体微机械加工技术。SOI是硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在Silicon（硅）晶体管之间，加入绝缘体物质，可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。优点是可以较易提升时脉，并减少电流漏电成为省电的IC。原本应通过交换器的电子，有些会钻入硅中造成浪费。SOI可防止电子流失。摩托罗拉宣称中央处理器可因此提升时脉20%，并减低耗电30%。除此之外，还可以