第九章集成化传感器和微系统..ppt

第九章集成化传感器和微系统 董文博SY1010103 1 第九章集成化传感器和微系统 9 1概述9 2集成化传感器微细加工技术 9 1 1传感器的微型化 集成化9 1 2多功能化和多参数集成9 1 3传感器与微型计算机结合 2 9 1概述 9 1 1微型化 集成化 以前大多数传感器和后接放大电路是分立的随着半导体技术的发展 以硅片为基础的固态传感器越来越多地实现了传感器微型化 从而实现了把敏感器元件和电信号处理电路 如温度补偿 信号放大及处理电路等 集成在一起的一体化传感器 改善了传感器特性 提高了传感器的可靠性 3 9 1概述 9 1 2多功能化 多参数集成 采用集成技术已可把测量不同参数的传感器集成在一起 满足了实际测试中对多参数测量的要求 可使相互影响的参数互相补偿 提高了测量精度 如多种离子选择性电极 数字压力温度传感器等 瑞士Metrohm铜离子选择电极 数字压力温度传感器 4 9 1概述 9 1 3与微型计算机结合 传感器测量仪器和计算机的结合已成了传感器和测量仪器系统的发展方向 大大扩展了原来传感器和仪器的功能 弥补了传感器及仪器系统本身的不足 提高了精度 多功能尿流计 激光共聚焦显微镜 5 9 1概述 美国YSIProfessionalPlus多参数分析仪 6 9 1概述 全自动设备可进行线性化处理可有效地清除噪声干扰能自动校准零点和灵敏度能自动进行温度补偿具有自识别及量程转化功能 7 9 2集成化传感器微细加工技术 微细加工技术 能将加工尺寸缩小到光波长数量级 且能批量生产微型低成本传感器 9 2 1光刻9 2 2刻蚀9 2 3薄膜技术9 2 4微电子焊接和封装技术 微型集成电路 微细加工技术 8 9 2 1光刻 光刻是加工制造半导体集成电路和集成传感器微型结构的关键工艺技术此技术不仅在平面图形加工中应用广泛 而且也是各项异性腐蚀 对准键合等三维微细加工的基础 光刻过程 将光刻胶涂在衬底基片上 利用其感光特性 令其某些部分感光显影 在衬底只留下胶膜图形 利用这层胶膜图形作为掩膜 进行刻蚀加工 把胶膜图转移到衬底的薄膜上去 从而做成各种器件和电路的结构 9 光刻胶的种类 光刻的基本步骤 硅片清洗工艺 光刻工艺 前烘 去水烘干去除硅片表面的水份提高光刻胶与表面的黏附性通常在100 C与前处理同时进行 光刻工艺 前处理 防止显影时光刻胶脱离硅片表面通常和前烘一起进行匀胶前硅片要冷却 硅片冷却 匀胶前硅片需冷却硅片在冷却平板上冷却温度会影响光刻胶的黏度 影响光刻胶的厚度 匀胶 硅片吸附在真空卡盘上液态的光刻胶滴在硅片的中心卡盘旋转 离心力的作用下光刻胶扩散开高速旋转 光刻胶均匀地覆盖硅片表面先低速旋转 500rpm再上升到 3000 7000rpm 硅片自动输送轨道系统 真空卡盘吸住硅片 胶盘排气系统 可控旋转马达 给胶管和给胶泵边缘清洗 去边 匀胶后烘 使光刻胶中的大部分溶剂蒸发 溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光且影响黏附性曝光后烘时间和温度取决于工艺条件过烘 聚合 光敏性降低后烘不足 影响黏附性和曝光 硅片冷却 需要冷却到环境温度硅片在冷却板上冷却硅的热膨胀率 2 5 10 6 C对于8英寸硅片 改变1 C引起0 5微米的直径差 对准和曝光 接触式曝光 分辨率较高 但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤 接近式曝光 在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙 10 25 m 可以大大减小掩膜版的损伤 分辨率较低投影式曝光 利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上 优点 掩模版与晶片不接触 掩模不受损伤 对准是观察掩模平面上的反射图像 不存在景深问题 掩模版上的图形是通过光学技影的方法缩小 并聚焦于感光胶膜上 掩模版上可以有比实际尺寸大得多的图像 通常掩模图形的尺寸是实际尺寸的1 10倍 提高了对准精度 避免了微细图形制作的困难 也减弱了灰尘微粒的影响 缺点 投影系统光路复杂 对物镜成像能力要求高 接触式光刻 接近式光刻 投影光刻 曝光后烘 玻璃转化温度Tg烘烤温度大于Tg光刻胶分子热迁移过曝光和曝光不足的光刻胶分子重排平衡驻波效应 平滑光刻胶侧壁提高分辨率 硅片冷却 PEB后 显影前 硅片放置在冷却板上冷却至环境温度高温会加速化学反应引起过显影光刻胶CD变小 显影 显影液溶解部分光刻胶正胶显影液通常使用弱碱性的溶剂最常用的是四甲基氢铵将掩膜上的图形转移到光刻胶上三个基本步骤 显影 清洗 干燥 显影后烘 使光刻胶中的溶剂蒸发提高抗刻蚀和抗离子注入性提高光刻胶和硅片表面的黏附性聚合化并稳定光刻胶光刻胶流动填平针孔 图形检查 不合格的硅片将被去除光刻胶返工 光刻胶的图形是临时性的 刻蚀和注入后的图形是永久的 光刻是可以返工的刻蚀和注入后不能返工光学显微镜扫描电子显微镜 SEM 检查 对准精度 放大 缩小 掩膜旋转 硅片旋转 X方向漂移 Y方向漂移关键尺寸 CD 表面缺陷如 刮痕 针孔 污点 污染物等 检查 如果硅片检查合格 将会流出光刻模块 进入下一道工艺刻蚀或离子注入 9 2 2刻蚀 湿法刻蚀各向同性湿法腐蚀各向异性湿法腐蚀干法刻蚀离子溅射刻蚀 物理作用为主 等离子体刻蚀 化学反应为主 反应溅射刻蚀 物理 化学作用兼有 41 1 湿法刻蚀 又叫湿化学腐蚀方法 是种接触性腐蚀 腐蚀样品中没有光刻胶覆盖的部分 腐蚀液不但侵蚀溶掉深度方向的材料 而且同时腐蚀侧壁的材料 在特定溶液和材料的条件下可显现为沿一定晶面的选择性腐蚀 42 1 湿法刻蚀 为了能精确控制腐蚀形状和厚度 要考虑腐蚀中止 中止技术有 硼参杂P 中止 PN结腐蚀中止 电化学腐蚀的掺杂浓度中止 不同的材料 可以选择不同化学组分的腐蚀液来进行选择性腐蚀 这些材料包括单晶硅 多晶硅 SiO2 Si3N4 Al2O3 玻璃 其它电介质和高聚物等 43 例 各向异性腐蚀的硅做悬臂梁加工工艺 44 2 干法刻蚀 指用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 高速的离子束射向固体表面 使之撞击固体表面的原子 当入射离子传递给固体原子的能量超过其结合能时 固体原子就会脱离其晶格位置 被溅射出来 刻蚀气体在高频电场发生电离 产生等离子体 离子 自由电子 分子以及中性原子等游离基 游离基与被刻蚀材料生化学反应 生成能被气流带走的挥发化合物 聚焦方式离子溅射刻蚀 掩模方式离子溅射刻蚀 45 例 干法刻蚀的加工工艺 46 9 2 3薄膜技术 薄膜 指衬底上的一层薄层材料 厚度在零点几纳米至数十微米 金属 半导体 绝缘体 制备薄膜方法 气相方法制膜 化学气相淀积 CVD 和物理气相淀积 PVD 液相方法制膜 包括化学膜 电镀 浸喷涂等 47 1化学气相淀积 ChemicalVaporDeposotion 使用加热 等离子体或紫外线等各种能源 使气态物质经化学反应 热解或化学合成 形成固态物质淀积在衬底上的方法 CVD法常用来制造介质纯化膜 也可以制造半导体薄膜 技术原理 48 CVD过程 反应气体输运到淀积衬底上方 反应气体以扩散方式穿过附面层 到达衬底表面并被吸附 反应气体在衬底表面发生化学反应 生成淀积薄膜 未反应气体和反应生成物脱离衬底表面 又回到主气流中去 49 CVD工艺技术 常压CVD技术 Si3N4 Al2O3薄膜 卧式装置 需通入大量的携带气体 以得到均匀的膜 立式装置 采用旋转式或行置式加热器 得到均匀的反应气分布 从而得到厚度均匀的膜 LPCVD技术 Si3N4 多晶硅和SiO2薄膜 整个体系内的压力低 载气少 大部分为反应气体能更好的向基片表面扩散 利于成膜的均匀 PCVD技术 Si3N4 多晶硅 Al2O3和SiO2薄膜 在非平衡等离子体中 气态物质被激活 在衬底上发生化学反应 沉淀出固态薄膜 以Si3N4为例 50 2硅的热氧化制膜技术 定义 原理 氧化剂和硅一经接触 就会很快生成一层很薄的氧化膜 1000nm 此膜会阻止氧化剂和硅直接接触 这时 为了进一步氧化 氧化剂质点必须以扩散方式通过氧化膜到达SiO2 Si界面 在该处与硅反应 才能形成新的SiO2 硅 氧化剂 SiO2薄膜 51 2硅的热氧化制膜技术 硅的常压热氧化技术一般分为水汽氧化 干氧氧化 湿氧氧化 硅的高压热氧化技术在几百个大气压下进行 可加速氧化物生长 可分为高压水汽氧化和高压干氧氧化 硅的等离子体氧化技术可在500 以下的条件下利用等离子体来激活反应 获得厚度均匀的氧化层 52 3真空蒸发镀膜技术 方法 在1 33 10 2Pa以下的真空室内 采用电阻加热 电子轰击或其他方法 直接或间接地把蒸发料加热到使大量的原子或分子离开其表面 然后使这些原子或分子淀积到基片上形成薄膜 过程 从蒸发源开始的热蒸发 蒸发料原子或分子从蒸发源向基片渡越 蒸发料原子或分子淀积在基片上 53 54 4离子溅射镀膜技术 原理 使真空室内