MEMS工艺（4体硅微加工技术）.ppt

1、MEMS工艺硅微加工工艺(腐蚀)、梁庭3920330(o) L、内容、腐蚀工艺的介绍湿式腐蚀干法腐蚀的其他类似加工工艺、腐蚀工艺的介绍、腐蚀，是指在一种材料放置的环境下，另一种材料的作用引起的缓慢损害的现象。 但是，在不同的科学领域对腐蚀这一概念有完全不同的理解方法。 在微细加工过程中，腐蚀过程是被用于“可控性”的“去除”材料的过程。 大多数微细加工技术基于“Top-Down”的加工思想。 “Top-Down”加工思想：通过去除多馀材料的方法，实现结构的加工。 介绍了腐蚀技术的重要性，作为实现“去除”工程的腐蚀技术，是形成特定平面和三维结构过程中最重要的一步。 图案工艺掩模图案生成步骤构造生成

2、基板除去牺牲层除去清洁表面，蚀刻工艺概要蚀刻工艺作用，蚀刻，红色LED构造，蓝色LED构造，蓝色LED构造，红色LED构造，蓝色LED构造，蓝色LED构造，蚀刻，红色LED构造，蓝色LED构造， 蓝宝石基板，红色LED蓝色LED结构，红色LED，蓝色LED，蓝宝石基板，红色LED，蓝色LED，蓝色LED结构，蓝宝石基板，红色LED结构， 蓝色LED结构硅蚀刻方法：干式法和湿式蚀刻方向选择性：各向同性和各向异性蚀刻材料选择性：选择性蚀刻或非选择性蚀刻选择方法：结晶方向和掩模多种蚀刻技术的应用：体硅工艺(三维技术)、表面硅工艺(湿法蚀刻技术的特点：设备简单、操作简单、成本低的控制参数多，适合开发不

3、易受外部环境影响的大浓度、温度、搅拌、时间腐蚀的材料，湿法蚀刻的方向性、各向同性蚀刻速度在不同方向上没有差异各向异性蚀刻和各向同性蚀刻、硅的各向异性蚀刻，利用对单晶硅的蚀刻液的结晶性蚀刻速度不同的特性，以抗蚀剂材料为掩模，用光刻、干蚀刻和湿蚀刻等方法进行掩模图案机制：蚀刻液向硅放出空穴，形成氧化状态的Si，形成羟基OH-和Si可溶解的硅氢氧化物的过程。 硅的各向异性蚀刻技术、各向异性(Anisotropy )各向异性蚀刻液通常对单晶硅(111 )面的蚀刻速度和(100 )面的蚀刻速度之比大(1:400 )，湿式蚀刻的化学物理机制、蚀刻生长腐蚀作用：结晶生长的反过程，湿式腐蚀的化学物理机理，腐蚀

4、过程：反应物与腐蚀液表面反应物在腐蚀表面扩散到化学反应物中，生成物扩散到溶液中，硅腐蚀机理(p12 )、2OH-，2e-，2OH-，4H2O， 2h2o oh离子的参与对Si的腐蚀很重要，在这个过程中，(111 )面只有一个悬挂键，离子化所需的能量很高，(111 )面的速度最低。 100、111、总反应式是悬挂键密度是引起各向异性的主要原因之一，但不能解释为不同晶面间的腐蚀速度有数百倍的大差异。 实际的腐蚀机制与表面粗糙、微步处的阶跃自由能和与吸附、扩散过程密切相关的动力学因素有关。 2H2O，Si，oh，h，h，h，Si，、 因为，、所以，这个面的腐蚀速度非常小。各向异性蚀刻的简要总结：粗糙

5、晶面的蚀刻比光滑晶面快。 (111 )面在腐蚀中由于表面的重建和吸附变得更平坦，所以在腐蚀中容易出现。 理想结晶平滑面腐蚀速度的激活能与化学反应的能势差和液体输送有关。 前者的作用是各向异性，后者是各向同性。 在表面重构状态影响腐蚀速度变化的腐蚀剂中，阳离子影响腐蚀过程中特殊面的稳定性，因此腐蚀结果不同。 各向异性蚀刻的特征：蚀刻速率比各向同性蚀刻慢，在速率仅受到温度影响到1um/min的蚀刻中，需要将温度提高到100左右，因此，影响很多抗蚀剂的使用的各向异性蚀刻液、蚀刻液：无机蚀刻有机腐蚀液： EPW、TMAH、肼等。 常用体硅蚀刻液：氢氧化钾(KOH )系溶液； EPW(E :乙二胺、p

6、:儿茶酚、w :水)系列溶液。 乙二胺(NH2(CH2) 2NH2 )儿茶酚(C6H4(OH) 2)水(H2O )、1.KOH system、KOH是目前微机电领域最常用的非各向同性蚀刻液，是碱金属的强碱蚀刻液，其金属不虽然不适应IC工艺，但价格低廉，溶液制备简单，对硅(100 )的蚀刻速率也比其他蚀刻液快，因此操作时稳定，无毒性，无色，能观察到蚀刻反应，是目前最常用的蚀刻液1.KOH system、溶剂：水、异丙醇(IPA )溶液： 20% - 50% KOH温度： 60 80C速率： 1um/分钟的特征：镜面、容易控制、兼容性差、KOH的蚀刻机制、2.EDP system、 Ethylen

7、edamine加入有机淡黄色溶液pyrelocateol后，颜色变成暗褐色，随着反应的进行，颜色变浓，因此难以观察到蚀刻表面的反应过程，蚀刻速度也发生变化。 这是因为，通过蚀刻液接触空气中的氧氧化，该氧化过程增加化合物pyrazine (C4H4N2)，使蚀刻速度变化，因此EDP不具有碱金属离子，与IC工艺兼容，蚀刻停止所需的硼掺杂浓度虽然是cm-3，但EDP有毒性，蚀刻操作温度必须在摄氏100度以上，危险性高，操作和废液处理的难度也高，所以在一般的微机电工艺中不太使用。 2.EDP system、epwinn2(ch2)2nhh2乙二胺、C6H4(OH2)2(儿茶酚)、H2O的特征：蒸汽有毒

8、、时效差、p选择性好、EDP腐蚀条件、腐蚀温度： 115左右的反应容器为甘油池掩模层： SiO2，厚度在4000埃以上。 3、N2H4 (肼、无水肼)是有机、无色的水溶液，毒性和挥发性强，在50oC以上挥发，因此操作需要在良好的装置下和密闭容器中进行。 其优点是与IC工艺兼容，对氧化硅(SiO )和氮化硅(SiN )等介电材料的蚀刻速率低，对Ti、Al、Cr、Au、Pt等金属也没有明显的蚀刻反应，Ti和Al现在最常用4、TMAH、氢氧化四钾铵为有机、无色的水溶液，原本是半导体工艺的正光刻胶显影液，现在也应用于蚀刻工艺。 TMAH的毒性低是最大的优点，对SiO和SiN等介电材料的蚀刻速率低的Ti

9、和Al有明显的蚀刻，在蚀刻模块前需要加入适当的硅粉末，降低对铝的蚀刻率例如，酸和铝发生化学反应生成硅酸铝，硅酸铝对蚀刻液的抵抗力高，可以保护铝的电路。 TMAH的蚀刻反应过程因操作参数而有很大差异，对蚀刻液进行长时间蚀刻也不稳定。 另外，适合硅微细加工的高浓度TMAH(15% )价格昂贵，成为不能广泛应用的原因。、蚀刻设备、硅和硅氧化物的典型蚀刻速率、影响蚀刻品质的因素、晶格方向蚀刻溶液的选择蚀刻溶液的浓度、蚀刻时间、操作温度、搅拌方式、蚀刻本体硅、轮法中平面上不同结晶方向的蚀刻速率(有界限) 更准确地反映蚀刻各向异性的是球形法(正相或负相)、111面的凹陷停止100方向硅片的腐蚀特征是： (

10、1)与溶液配合、影响各向异性腐蚀的因素、(2)温度、各向同性腐蚀、硅的各向同性腐蚀极其适合半导体工艺及微机械加工技术常用的腐蚀液是HF-HNO3加水或醋酸系。 腐蚀机理是，首先硝酸和硅发生化学反应生成SiO 2，接着HF溶解SiO 2。 优点：无棱角，能以低应力蚀刻速度使用抗蚀剂掩模，目前主要的各向同性蚀刻液为NHA和HNW H :氢氟酸(HF) N :硝酸(HNO3) A :醋酸(ch3c ooh ) w 3360瓦，三、自停止蚀刻技术机制： EPW和KOH对硅的蚀刻浓度小于11019cm-3时，若超过大致一定的该浓度，腐蚀速度与掺杂硼的浓度的4次方成反比，达到一定的浓度时，腐蚀速度小，甚至

11、认为腐蚀“停止”。 (1)再掺杂自停止蚀刻(KOH和EDP:51013/cm3) (2)(111 )面停止(3)时间控制(4)P-N结自停止蚀刻(5)电化学自停止蚀刻、再掺杂自停止蚀刻、自停止蚀刻的典型工艺流程，1，1 薄膜自停止蚀刻意味着从晶片蚀刻到最后，以不受其他蚀刻影响的薄膜结束，该薄膜可以是氧化硅、氮化硅、富硅氮化硅、聚酰亚胺，甚至金属。 利用薄膜的自停止腐蚀，必须考虑蚀刻选择性和薄膜应力的问题。 因为应力过大，薄膜就会破裂。 2、重掺杂自停止腐蚀技术，KOH对硅的腐蚀在掺杂浓度超过阈值N0 (约51019CM-3 )时，腐蚀速度小，轻掺杂和重掺杂硅的腐蚀速度之比高达数百倍，KOH溶液

12、对重掺杂硅几乎不腐蚀高掺杂硼有两个缺点：由于与标准CMOS工艺不兼容会产生高应力，所以材料容易损坏或弯曲，高掺杂硼的硅腐蚀自停止效果比掺杂硅更显着，因此在工艺中作为硅腐蚀自停止材料被硼、重掺杂自停止蚀刻工艺、3、(111 )面自停止蚀刻、基于KOH溶液的(100 )面硅和(111 )面硅的蚀刻速率之差较大，达到100400倍，因此可以将(111 )面作为蚀刻停止的晶面来利用。(111 )面自停蚀刻工艺、4、电化学自停蚀刻、电化学自停蚀刻技术不需要掺杂层，由于采用外延技术，因此蚀刻自停层能够较厚。 关于蚀刻保护技术，当在硅晶片的表面形成图案时，其中的薄膜的一部分会受到蚀刻液的影响，因此必须利用蚀刻保护技术来保护完成的结构。 现在常用的保护技术有两种。 一种是制作夹具，用粘合剂全面保护；另一种是将沉积氮化硅包在表面，背后腐蚀后去除氮化硅，薄膜残留应力的问题，薄膜应力引起结构破坏的问题，主要分为两种：第一种是制造过程的残留热应力，高温沉积后恢复到常温， 由于热膨胀系数不同而产生的残馀热应力，这种残馀热应力可通过高温退火方式恒定地消除的第二类，所谓因薄膜间的膨胀系数不同而产生的残馀应力、外角腐蚀补偿、外角腐蚀，是指在硅岛、硅束蚀刻的成形过程中，外角部分被腐蚀的现象， 在体硅各向异性蚀刻时经常出现是因为，当蚀刻(100 )晶面的