微机电系统设计与制造第4章.ppt

1、微机电系统制造技术主要包括两类技术：体微加工和表面微加工。这两种加工技术的基础材料是硅，而加工技术的基础是集成电路制造技术。1.表面微加工技术源于金属薄膜的概念。在硅刻蚀的基础上，采用不同的薄膜沉积刻蚀方法在硅片表面形成不同形状的层状微结构。2.LIGA科技3。根据界面材料的性质，键合技术可分为两类：(1)硅/硅衬底直接键合技术；(2)硅/硅衬底的间接结合4.1。硅的体微加工技术包括硅的湿法和干法技术、硅刻蚀的自终止技术、LIGA技术和数字高程模型技术。第4章制造技术微机电系统，第4章制造技术微机电系统，4.1.1。湿法刻蚀技术硅刻蚀湿法刻蚀技术介绍了体微机械加工的原理：硅表面的点作为随机分布

2、的局部区域的阳极和阴极。由于这些局部电解池的作用，氧化反应发生在硅表面，并引起相当大的腐蚀电流，一般超过100安培/平方厘米。硅表面的缺陷、蚀刻液的温度、蚀刻液中所含的杂质、蚀刻过程中的扰动方式以及硅蚀刻液界面的吸附过程对蚀刻速度和蚀刻结构的质量有很大的影响。用于这种化学蚀刻的化学试剂有很多，其中常用的是氢氟酸-硝酸蚀刻系统(各向同性蚀刻)，第四章：微机电系统制造技术、氢氧化钾、电子数据处理蚀刻系统(各向异性蚀刻)。在HF-HNO3和H2O(或CH3COOH乙酸)腐蚀体系中，硅腐蚀的机理是：首先，硅表面的阳极反应是Si 2h Si2 (4-1)，其中h表示空穴，即硅的原始状态在获得空穴后上升到

3、更高的氧化态。在腐蚀性溶液的水解过程中，会发生以下反应：H2O=(羟基)-氢(4-2)硅和氢(4-2)的结合是二氧化硅(羟基)-硅(羟基)2 (4-3)，然后二氧化硅(羟基)2释放出H2并形成二氧化硅，即二氧化硅H2 (4-4)。早期研究结果表明，对于氢氧化钾、H2O和异丙醇腐蚀体系，硅腐蚀机理的反应式如下：氢氧化钾H2O=氢氧化钾-氢(4-6)二氧化硅-4H2O硅(氢)2-(4-7)，即首先，硅被氧化成含水硅化合物，结合反应由下式表示：(4-8)配合物，由上述反应式可知，氢氧化钾将硅氧化成无论是在氢氟酸-硝酸腐蚀体系还是氢氧化钾腐蚀体系中，硅的腐蚀过程都受到反应速率和扩散的限制。如果腐蚀取决

4、于化学反应速率，这个过程称为反应速率限制。如果蚀刻剂通过扩散转移到硅片表面，这被称为扩散限制。与反应速率限制过程相比，扩散限制过程的活化能较低，因此对温度变化更加敏感。如果腐蚀过程中腐蚀条件发生变化，如腐蚀溶液的温度和化学成分，速率限制将会改变。在整个过程中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、晶格损伤和表面结构。如果单晶硅的所有方向上的蚀刻速率都是均匀的，则称为各向同性蚀刻，而如果蚀刻速率取决于晶体取向，则称为各向异性蚀刻。在一定条件下，腐蚀首先发生在某一方向，这是单晶硅片腐蚀过程的重要特征之一。硅的各向同性蚀刻已经广泛用于微机电系统制造，并且用于硅的各向同性蚀刻的最常

5、用的蚀刻溶液是水或乙酸体系的氢氟酸-硝酸(通常称为HNA体系)。其腐蚀机理是硝酸硅被氧化生成二氧化硅，然后被氟化氢溶解。反应式为sihno3hf=h2sif6no2h2oh2 (4-10)。在这种腐蚀系统中，水和乙酸通常用作稀释剂。在硝酸溶液中，硝酸几乎完全电离，因为氢浓度高，而CH3COOH是一种低电离度的弱酸。它的电离反应是CH3COOH=CH3COO- H (4.11)。图4.2表面取向对腐蚀速率和温度的影响之间的关系，图4.3腐蚀速率和温度之间的关系(高频区，无稀释)。各族曲线自下而上的比例为：95%氢氟酸5%硝酸，90%氢氟酸10%硝酸，85%氢氟酸10%图4.4腐蚀速率与温度的关系

6、(H2O稀释):65%氢氟酸20%硝酸15%H2O，20%氢氟酸60%硝酸20% H2O；图4.5腐蚀速率与成分的关系；图4.6硅的等腐蚀线(氟化氢：硝酸：稀释剂)；图4.6分别显示了以H2O和CH3COHO为稀释剂的HF:HNO3。使用H2O和CH3COHO为稀释剂的作用基本相似，它们的共同特点如下：(1)在低HNO3和高HF浓度的区域(见图4.6中的顶角区域)，等腐蚀曲线平行于等HNO3浓度线，腐蚀速率受HNO3浓度控制，因为在该区域有过量的HF，可以溶解反应产物二氧化硅。(2)在HF低、HNO3高的区域(见图4.6右下角)，等腐蚀线与HF浓度线平行。(3)当硝酸浓度为11，稀释剂浓度百分

7、比小于10%时，稀释剂的增加对腐蚀速率影响较大，草地稀释剂的腐蚀速率从100%开始随着秋耕液的增加而降低；当稀释度大于30%时，稀释度的微小变化将引起腐蚀速率的巨大变化。4.1.3硅体的各向异性蚀刻在微机电系统制造中起着极其重要的作用。硅体的各向异性腐蚀机理是，在某些溶液中，单晶硅的腐蚀速率取决于晶体取向，即硅的腐蚀速率在某些晶体取向上非常快，而在其他方向上非常慢。基于硅的腐蚀特性，可以在硅衬底上制作各种微结构。硅的各向异性蚀刻溶液有很多种。最常用的(100)/(111)腐蚀速率比是氢氧化钾腐蚀溶液。单晶硅晶体在三个公共晶面方向上的刻蚀速率为(100)、(110)和(111)。(100)/(1

8、11)的最大腐蚀速率可达4001。图4.7显示了硅单晶晶片的各向异性腐蚀图。图4.7是单晶硅片各向异性腐蚀的示意图，Wb=W0-2Lcos54.7o，其中l为腐蚀深度。1.氢氧化钾的蚀刻机理用于硅体各向异性蚀刻的蚀刻剂基本上是碱性溶液，而氢氧化钾溶液占一半以上，因此氢氧化钾是用于硅体各向异性蚀刻的重要且常用的蚀刻剂。2.各向异性蚀刻的物理机制，图4.8。各向异性物理机制，腐蚀，3。腐蚀速率，图4.9。蚀刻速率测试掩模，图4.10。蚀刻后的测试图形显示，表4.3显示了(100)表面硅在不同氢氧化钾浓度和温度下的腐蚀速率(米/小时)。块状蚀刻硅的基本结构是在氢氧化钾溶液中。图4.11体硅微机械的基

9、本结构。一般来说，当通过蚀刻制造薄膜时，由掩模打开的窗口必须大于薄膜的尺寸，并且其倾斜角由几何学计算为54.7，并且斜率所占据的面积也可以计算。当多晶硅的刻蚀深度为0时，单侧斜率的长度为L=0.71(4.18)4 . 1 . 4硅的干法刻蚀具有分辨率高、各向异性刻蚀能力强、刻蚀选择性大和操作自动化的优点。因此，干法刻蚀将逐渐在体微加工中发挥重要作用。干法刻蚀过程可分为以下几个步骤：(1)腐蚀性气体颗粒的产生；(2)颗粒向基底的传输(3)基底表面的腐蚀；(4)消除腐蚀反射器。干法刻蚀有很多种，包括：物理方法：离子刻蚀、离子束刻蚀(IBE)；化学方法：等离子蚀刻；4.1.4.1物理刻蚀技术(1)离

10、子刻蚀(IE)，图4.12平行板反应器的结构原理，(2)离子束刻蚀(IBE)离子束刻蚀是一种利用惰性离子的物理刻蚀。如图4.13所示，在离子束蚀刻中，被蚀刻的衬底与等离子体分离，在空间中产生离子。图4.13离子束刻蚀装置的结构原理，图4.14纯物理离子刻蚀中出现的制成品原理示意图，以及4.1.4.2除纯物理和纯化学干法刻蚀方法外的物理和化学刻蚀工艺的结合，由于化学刻蚀的高选择性和物理刻蚀的各向异性，这两种方法目前主要结合使用。(1)等离子体刻蚀，(2)反应离子刻蚀，(3)反应离子束刻蚀，(4)硅刻蚀自停止技术。硅刻蚀自停止技术是体微加工的关键技术之一。它利用不同晶格取向和不同掺杂浓度的硅，使硅

11、在不同腐蚀溶液中表现出不同的腐蚀性能。4.2.1重掺杂自停止刻蚀技术可以认为氢氧化钾溶液基本上不会腐蚀重掺杂硅；同时，众所周知，重掺硼硅腐蚀的自停止效应比掺磷硅腐蚀的自停止效应更明显，因此重掺硼硅在此过程中常被用作硅腐蚀的自停止层材料。图4.15显示了重掺杂硼硅蚀刻的自停止蚀刻过程。流程如下：图4。重掺硼硅的自停止刻蚀工艺具有物理刻蚀的高选择性和各向异性。目前，这两种方法主要是结合使用。4.2.2 (111)平面自停腐蚀技术图4.16显示了(111)平面自停腐蚀技术。工艺流程如下：4.2.3 p-n结腐蚀自停止技术pn结腐蚀自停止技术是利用氢氧化钾等硅的各向异性刻蚀剂，利用各向异性刻蚀溶液中N

12、型硅和P型硅的钝化电位不同的现象，实现电化学腐蚀自停止技术。图4.17显示了在氢氧化钾蚀刻溶液(65，40%)中具有(100)晶体取向的磷型硅和氮型硅样品的电流-电压特性。4.2.4电化学自停腐蚀技术图4.20是典型的电化学腐蚀自停方法。图4.16 (111)平面自停止蚀刻工艺，图4.17氢氧化钾蚀刻溶液中p型和n型硅的特性，图4。20电化学腐蚀系统，图4.21硅在5%氢氟酸中的电化学腐蚀，4.2 LIGA微加工技术LIGA微加工技术由四个工艺组成：LIGA掩模制造工艺；x光深光刻工艺：微电铸工艺；微复制技术。工艺流程如图4.22所示。4.3.1 LIGA面罩制造工艺LIGA面罩必须能够选择性

13、地透射和阻挡x光，而普通紫外线面罩不适合LIGA面罩。表4.4 LIGA掩模板的x光透明薄膜材料的性能、优缺点，图4.22技术的工艺流程，4.3.2 X光深光刻工艺需要平行的x光光源。由于要曝光的光刻胶厚度达到几百微米，用普通的x光光源需要很长的曝光时间，而同步辐射x光光源不仅可以提供平行的x光，而且强度是普通x光的几十万倍，可以大大缩短曝光时间。图4.23光过渡掩模板制作工艺流程图，(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，镍微电铸工艺成熟，镍稳定，具有一定硬度，可用于制作微复制模具。由于金是LIGA掩模的阻挡层，金的微电铸在LIGA技术中非

14、常重要。一些传感器和执行器需要磁性作为驱动力，因此磁性铁镍合金的微电铸对LIGA技术也非常重要。其他金属材料如银和铜也常用于LIGA技术。LIGA微电铸的技术难点之一是高深宽比深孔深槽的微电铸。4.3.4微复制工艺，由于同步辐射x光深光刻成本高，不可能进行大规模生产，所以LIGA技术的产业化只能通过微复制技术来实现。目前，有两种微复制方法，注射成型和压缩成型。图4.29显示了注射成型和压缩成型的工作原理。注射成型适用于塑料产品的大规模生产，压缩成型适用于金属产品的大规模生产。图4.29两种微复制方法的工作原理，4 . 3 . 5 LIGA技术的延伸4.3.5.1准LIGA技术准LIGA技术用紫

15、外或激光光刻技术代替同步辐射x射线深光刻技术，要求光刻胶胶厚，感光度高。目前该技术可以雕刻100米厚的微结构，但侧壁的垂直度只有850左右，只能部分替代liga技术，适用于垂直度和深度要求较低的微结构加工。图4.30显示了通过紫外光刻和电铸铁镍合金微结构获得的60m厚光致抗蚀剂的电子显微镜照片。4.3.5.2牺牲层LIGA技术用于微机械加工领域。在许多情况下，需要制造可移动部件，例如微型阀、微型马达和微型加速度计。有源微器件可以利用牺牲层LIGA技术制造。图4.31为牺牲层LIGA技术工艺示意图。4.3.5.3 LIGA套印技术，图4.31牺牲层LIGA技术工艺示意图，在LIGA技术中，通过套

16、印技术获得带台阶的显微结构，在第一次光刻和微电铸的基础上，通过第二次套印技术获得微速齿轮的电子显微镜照片。4.3.5.4斜曝光技术在LIGA技术中，一些特殊图形可以通过斜曝光获得，如图4.34所示，通过斜曝光获得的复杂微结构的电子显微镜照片如图4.35.4.3.6所示。数字高程模型技术充分利用了硅微加工技术和LIGA技术的优势，解决了硅微加工技术只能加工硅材料的局限性。与LIGA技术不同，这项技术不需要昂贵的同步辐射光源和特殊的x光掩模板。非硅材料，如金属、塑料或陶瓷，可以通过这种技术以高纵横比进行加工。该技术的成功发展将开辟微机械加工的新领域，并对我国微机电系统的研究起到很好的推动作用。4.4表面微机械加工4.4.1表面微机械加工机理图4.41给出了表面微机械加工的基本过程：首先，在