Ch03MEM工艺01光刻腐蚀

1、mems技术技术唐 军 0351-第三章第三章 mems工艺工艺 mems工艺概念 mems工艺分类mems工艺概念 工艺：劳动者利用生产工具对各种原材料，半成品进行加工和处理,改变它们的几何形状，外形尺寸，表面状态，内部组织，物理和化学性能以及相互关系，最后使之成为预期产品的方法及过程。 工艺技术：是人类在劳动中逐渐积累起来并经过总结的操作技术经验， 它是应用科学，生产实践及劳动技能的总和。5层多晶硅工艺技术体硅工艺前工序、后工序、辅助制作工序 前工序：是指从原始晶片开始直到中测封装之前的所有工序过程。如果对前工序进行归纳分类，主要包括以下三类技术：图形转换技术：主要包括光刻、刻蚀等技术；薄

2、膜制备技术：主要包括外延、氧化、化学气相沉积、物理 气相沉积（如溅射、蒸发）等；掺杂技术：主要包括扩散和离子注入等技术。后工序：是指从中测开始到完成直到出厂之间的所有工序，主要包括划片、封装、测试、老化、筛选等。辅助工序：为了保证前工序的顺利进行所需要的一些辅助性的工艺技术。主要的有以下几种：超净厂房技术：mems制造必须在超净环境中进行，环境中尘埃等将直接影响集成电路的成品率和可靠性。集成电路的规模越大、特征尺寸越小，要求的环境净化程度高。光刻间的净化度一般要求达到1级甚至0.1级。级是描述净化度的一个单位，1级的含义是指在1立方英寸的空间内大于0.3m的尘埃数必须小于1个。超净水、高纯气体

3、制备技术：在集成电路工艺中使用的水、气（如氧气、氮气、氢气、硅烷）等都必须具有非常高的纯度。光刻掩膜版制备技术：一般有专门的工厂制作光刻所使用的掩膜版材料准备技术：主要包括拉单晶、切片、磨片、抛光等管壳制备、超纯水化学试剂制备等等 mems工艺分类光刻（lithography）刻蚀（etching）化学气相沉积（cvd）物理气相沉积(pvd)氧化扩散与离子注入退火liga工艺光刻（ lithography ）石版（litho ）写（graphein）重要性重要性：是唯一不可缺少的工艺步骤，是一个复杂的工艺流程光刻光刻是加工制造集成电路图形结构以及微结构的关键工艺之一。 光刻工艺光刻工艺就是利用

4、光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合腐蚀方法在各种薄膜或硅上制备出合乎要求的图形，以实现制作各种电路元件、选择掺杂、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。u光刻三要素光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机u光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体u光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变光刻胶的性能指标光刻胶的性能指标(1)分辨率分辨率：分辨率是指用某种光刻胶光刻时所能得到的最小尺寸 (2)灵敏度灵敏度：光刻胶的感光灵敏度反映了光刻胶感光所必须的照射量(3)粘附性粘附性：光刻胶与衬底之间粘附的牢固程度(4)抗腐

5、蚀性抗腐蚀性：光刻工艺要求光刻胶在坚膜后，能够较长时间(5)稳定性稳定性：光刻工艺要求光刻胶在室温和避光情况下加入了增感剂也不发生暗反应，在烘干燥时，不发生热交联(6)针孔密度针孔密度：单位面积上的针孔数(7)留膜率留膜率：指曝光显影后的非溶性胶膜厚度于曝光前胶膜厚度之比光刻的工艺流程光刻的工艺流程一般分为：氧化、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀和去胶。负胶负胶两种组成部份的芳基氮化物橡胶光刻胶kodak ktfr（敏感氮化聚慔戌二烯橡胶） 分辨率差，适于加工线宽3m的线条；这类光刻胶粘附力强，耐腐蚀，容易使用和价格便宜，是常用的光刻胶。 正胶正胶pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)光刻胶由重氮醌酯

6、（dq）和酚酫树酯（n）两部分组成的dnq。 分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶光刻工艺具体过程一、清洗和烘干l 作用：保证硅片表面无灰尘、油脂、水，保证粘附性和光刻质量l 清洗不好，会造成脱胶、表面灰尘导致粘版、部分图形不感光等光刻缺陷。l 表面不干燥，会造成脱胶l 如果硅片搁置较久或返工，应重新清洗烘干，烘干后立即甩胶。l 氧化、蒸发后可立即甩胶，不必清洗。清洗设备超临界干燥 兆声清洗设备 硅片甩干机 设备：甩胶台。 在硅片表面涂覆一层粘附性好，厚度适当，厚薄均匀的光刻胶。 一般采用旋转法，针对不同的光刻胶黏度和厚度要求，选择不同的转速。 可分辨线宽是胶膜厚度的58倍。 旋

7、转法涂敷装置旋转法涂敷装置 前烘就是在一定温度下，使胶膜里的溶剂缓慢地挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。前烘的温度和时间随胶的种类和膜厚不同而有所差别。 前烘方式：烘箱烘烤、红外光照射、热板处理 设备：光刻机 对准：使掩膜的图形和硅片上的图形精确套合。 曝光：对光刻胶进行选择性光化学反应，使光刻胶改变在显影液中的溶解性。 通常采用紫外接触曝光法 光刻胶：高灵敏度，高反差，均匀，产量大。光刻机投影光刻机影响曝光质量的主要因素影响曝光质量的主要因素曝光时间氮气释放氧气的影响驻波的影响光线平行度的影响几种常见的曝光方法几种常见的曝光方法接触式曝光：分辨率较高，容易造成掩膜版和光刻胶膜的损

8、伤。接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(1025m)，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五、显影(development)正胶去曝光部分，负胶去未曝光部分部分光刻胶需要超声显影显影时间根据光刻胶种类、膜厚、显影液种类、显影温度和操作方法确定。显影后检查光刻质量，不合格的返工。显影台甩干机刷版机显影台烘箱 除去显影时胶膜吸收的显影液和水分，改善粘附性，增强胶膜抗腐蚀能力。 坚膜的温度和时间要适当 坚膜时间短，抗蚀性差，容易掉胶；坚膜时间过长，掩膜难以去除，或开裂。 腐蚀时间长的可以采取中途多次坚膜用适当的腐蚀剂对显影后暴露的表

9、面进行腐蚀，获得光刻图形八、去胶 溶剂去胶：含氯的烃化物做去胶剂。 氧化去胶：强氧化剂，如浓硫酸，双氧水和氨水混合液 等离子体去胶 剥离工艺剥离工艺剥离工艺在光刻工艺中，有一种代替刻蚀方法的工艺，我们称之为剥离工艺（lift-off）。在剥离工艺中，首先形成光刻图形，然后沉积薄膜，最后用化学试剂去除光刻胶，此时连同不需要的薄膜一同除去，这个过程正好与刻蚀过程相反。sisio2光刻胶光刻前烘氧化涂胶掩膜版曝光sisio2光刻胶光刻显影腐蚀坚膜去胶4.3.3超细线条光刻技术超细线条光刻技术10gb0.04520102013？/2远紫外曝光技术：远紫外曝光技术：紫外线（紫外线（200-500nm）可

10、分为）可分为g-线线（436）、）、i-线（线（365）和远紫外线（）和远紫外线（200-290）。）。248nm、193nm、157nm0.25m、0.18 m、0.13 m电子束曝光技术：电子束曝光技术：效率低，设备昂贵，图形容易畸变。可效率低，设备昂贵，图形容易畸变。可直写，小于直写，小于0.1 m离子束曝光技术：离子束曝光技术：效率低，设备昂贵。可直写，没有散射，效率低，设备昂贵。可直写，没有散射，小于小于0.1 mx射线曝光技术：射线曝光技术：设备昂贵，小于设备昂贵，小于2nm，对掩膜要求高，对掩膜要求高 mems工艺分类光刻（lithography）刻蚀（etching）化学气相沉

11、积（cvd）物理气相沉积(pvd)氧化扩散与离子注入退火liga工艺刻蚀湿法腐蚀各向异性各向同性自停止腐蚀技术凸角补偿技术干法刻蚀深槽技术湿法刻蚀：湿法刻蚀：指利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法，湿法腐蚀的主要优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低。它的主要缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。u体硅各向异性腐蚀体硅各向异性腐蚀 是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向腐蚀速率不同的特性，使是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向腐蚀速率不同的特性，使用抗蚀材料作掩膜，用光刻、干法腐蚀和湿法腐蚀等手段用抗蚀材料作掩膜，用光刻、干法腐蚀和湿法腐蚀等手段制作掩膜图形后进行的较大深度的腐蚀。制作

12、掩膜图形后进行的较大深度的腐蚀。 机理：腐蚀液发射空穴给硅，形成氧化态机理：腐蚀液发射空穴给硅，形成氧化态si+si+，而羟基，而羟基oh-oh-与与si+si+形成可溶解的硅氢氧化物的过程。形成可溶解的硅氢氧化物的过程。 各向异性腐蚀液通常对单晶硅各向异性腐蚀液通常对单晶硅(111)(111)面的腐蚀速率与面的腐蚀速率与(100)(100)面的腐蚀速率之比很大（面的腐蚀速率之比很大（1 1：400400），因为：水分子的屏蔽），因为：水分子的屏蔽作用，作用，(111)(111)面有较高的原子密度，水分子容易附着在面有较高的原子密度，水分子容易附着在(111)(111)面上；面上； (100)

13、(100)面每个原子具有两个悬挂键，而面每个原子具有两个悬挂键，而(111)(111)面每个原子只面每个原子只有一个悬挂键，移去有一个悬挂键，移去(111)(111)面的原子所需的能量比面的原子所需的能量比(100)(100)面面要高。要高。掩膜薄膜衬底（a）各向异性100110111不同的晶面悬挂键密度（表面态密度）各向异性腐蚀液各向异性腐蚀液腐蚀液：腐蚀液：无机腐蚀液：无机腐蚀液：koh, naoh, lioh, nh4oh等；等；有机腐蚀液：有机腐蚀液：epw、tmah和联胺等。和联胺等。常用体硅腐蚀液：常用体硅腐蚀液：氢氧化钾氢氧化钾(koh)系列溶液；系列溶液；epw(e：乙二胺，：

14、乙二胺，p：邻苯二酚，：邻苯二酚，w：水：水)系列溶液。系列溶液。乙二胺乙二胺(nh2(ch2) 2nh2)邻苯二酚邻苯二酚(c6h4(oh) 2)水水(h2o)影响各向异性腐蚀的主要因素影响各向异性腐蚀的主要因素(1) 溶液及配比(2) 温度u各向同性腐蚀 硅的各向同性腐蚀在半导体工艺中以及在微机械加工技术中有着极为广泛的应用。常用的腐蚀液为hf-hno3加水或者乙酸系统。腐蚀机理为： 首先是硝酸同硅发生化学反应生成sio 2，然后有hf将sio 2溶解。222623hohhnosifhhfhnosi掩膜薄膜衬底各向同性u自停止腐蚀技术 机理： epw和koh对硅的腐蚀在掺杂浓度小于1101

15、9cm-3时基本为常数，超过该浓度时，腐蚀速率与掺杂硼浓度的4次方成反比，达到一定的浓度时，腐蚀速率很小，甚至可以认为腐蚀“停止”。 （1） 重掺杂自停止腐蚀(koh和edp：51013/cm3，re/rd100) （2）(111)面停止 （3） 时间控制 （4）p-n结自停止腐蚀 （5）电化学自停止腐蚀自停止腐蚀典型工艺流程硅光刻胶扩散层二氧化硅工艺路线（1）工艺路线（2）1、薄膜自停止腐蚀薄膜自停止腐蚀是指晶片刻蚀到最后，终止于其它不会被刻蚀所影响的薄膜，这层薄膜可以是氧化硅、氮化硅、富硅氮化硅、聚亚酰胺，甚至是金属。利用薄膜自停止腐蚀必须考虑刻蚀选择性，以及薄膜应力问题，因为应力太大将使

16、薄膜发生破裂。 koh对硅的腐蚀在掺杂浓度超过阈值浓n0(约为51019cm-3)时，腐蚀速率很小，轻掺杂与重掺杂硅的腐蚀速率之比高达数百倍，可以认为koh溶液对重掺杂硅基本上不腐蚀。2 、重掺杂自停止腐蚀技术 高掺杂硼有两个缺点： 与标准的cmos工艺不兼容 导致高应力，使得材料易碎或弯曲 重掺杂硼的硅腐蚀自停止效应比重掺杂磷的硅明显，所以工艺中常采用重掺杂硅作为硅腐蚀的自停止材料。 koh溶液对（100）和（111）面硅的腐蚀速率差别很大，可高达100400倍，因此可利用（111）面作为停止腐蚀的晶面。3、（111）面自停止腐蚀（111）面自停止腐蚀工艺流程4、电化学自停止腐蚀 电化学自停

17、止腐蚀技术不需要重掺杂层，由于用了外延技术，因此腐蚀自停止层可以做的很厚。干法腐蚀 侠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：1腐蚀性气体离子的产生；2离子向衬底的传输3衬底表面的腐蚀；4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 ，离子束辅助自由基

18、腐蚀icp.在化学腐蚀方法中，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。等离子体腐蚀 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。等离子体腐蚀的主要现象和特点 （1）各向同性腐蚀（2）各向异性腐蚀（3）溅射腐蚀（1）速率高 （2）环境清洁，工艺兼容性好。（3）掩膜选择性好 300：1（4）表面形貌好，无应力集中现象（5）无晶向限制（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。（