MEMS器件及相关加工技术.ppt

1、研究生系列课程,半导体微纳加工技术,MEMS器件及相关加工技术,主讲人：宁 瑾 赵永梅 电话：82304492 Email：,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,主要内容,MEMS概述 MEMS相关工艺介绍 MEMS器件工艺设计 总结,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,- Micro-electro-mechanical-system微电子机械系统 - 把信息传感、处理，机械执行机构以及其他一些微器件，按照集成电路的制造原则，以高密度，低成本的方式集成在一个微系统中。,什么是MEMS?,MEMS的主要特点,MEMS器件的优点是体积小、重量轻、性能稳定，通过IC等工艺可批量生产，成本低，性能一

2、致性好，功耗低，谐振频率高，响应时间短，综合集成度高，附加值高，具有多种能量转化、传输等功能，包括力、热、声、磁及化学、生物能等。 微机电学作为一门新兴的交叉学科，涉及到许多科学技术领域，包括机械学、电工学、电子学、化学、计算机科学、材料学、通讯、控制等方面。研究人员需要对这些学科领域有广泛的、深入的了解，微机电系统才有可能逐步走向应用。,MEMS工艺的可重复性 MEMS产品性能的稳定性和可靠性 MEMS产品的成品率 MEMS产品的封装和测试 MEMS器件与电路集成形成微系统,MEMS发展面临的机遇和挑战,惯性MEMS器件 RF MEMS器件 NEMS器件和新型材料MEMS器件,MEMS器件的

3、发展,从科幻到现实,科幻奇异的旅行 内窥镜手术 安全气囊 微管道机器人 ,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,Wireless Sensor Networks,What Is MEMS? Application Areas,惯性MEMS器件在汽车业中的应用（包括微陀螺、加速度计、压力传感器）,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,MEMS 分类,What Is MEMS? Renowned Examples,Micromirror arrays for compact projectors Accelerometers fo

4、r automotive airbags Micromirrors for optical switching Many others,microstructures,Texas Instruments Digital Micromirror Device,Analog Devices Accelerometer,Lucent Technologys 2D micromirror for optical switch,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,微型传感器,加速度传感器,Accelerometer,Sense fingers,Anchor,Proof

5、 mass,Springs,Self-test,actuators,Curl matching frame,proof mass,y,x,z,Tri-axis microstage,Thin-film z-axis accelerometer,DRIE z-axis accelerometer,微陀螺仪,J. Micromech. Microeng. 18 (2008) 115014 N-C Tsai and C-Y Sue,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,微型执行器,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,微型电磁马达,

6、研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,Electrostatic Motors,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,Hydraulic actuators,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,vaporizer,microfabricated nozzle plate with 1200 5m nozzles, using deep reactive ion etching,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,用于生物、医疗领域,微镊子,微型光学元件,微

7、型光学元件,MEMS Variable Attenuator,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,Variable Optical Attenuator,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,Latching 2x2 Fiber Optics Switch(Contract OCLI/JDS Uniphase),Fourier Transform Spectrometer,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,Fourier Transform Spectrometer,研究生系列课程-半导

8、体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,The Mars AFM-Chip,Support beam,Bonding pads,Reference resistor,1,2,Piezo-resistive levers with Si-tips (1) and diamond tips (2),support beams and reference resistor of the Mars AFM,Electrostatic Micromirror,1mm x 1mm mirror Radius of curvature: 50 mm Curled combs designed t

9、o obtain bi-directional rotation Comb pairs placed to achieve differential torque and cancel z displacement Z-actuators included to adjust z-motion,anchor,anchor,Z-actuator,+,-,V,F,+,-,V,F,Critical to miniaturize discrete analog components,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,RF MEMS Resonators,研究生系列

10、课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,RF MEMS Resonators,Clark Nguyen U. of Michigan,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,RF MEMS Switches,Charles Goldsmith Raytheon TI Systems,MEMS Tunable Capacitors,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,RF MEMS应用领域,Sensor Chip,微型挖土机,微型苍蝇,微型飞机,微型飞机,What is MEMS? Why? How?,小

11、结,休息10分钟,MEMS basic technology,Bulk micromachining,Surface micromachining,Wet etch,Substrate,MEMS基本工艺,MEMS工艺选择,体硅加工工艺 - 直接，制备流程固定 -工艺成本低，单材料损耗高 -适于简单图形，如压力传感器、加速度计和一些执行器 -容积率小，表面尺寸大于底部尺寸 表面MEMS加工工艺 -要在衬底上沉积多层结构 -工艺复杂，成本高 - 牺牲层工艺，存在应力不匹配和粘连问题 - 优点：不受Si片厚度限制，薄膜材料选择范围大，适于图形复杂的器件，如梳齿结构等。,研究生系列课程-半导体微纳加工

12、技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,MEMS工艺概述,MEMS工艺与IC工艺对比,IC工艺：MOS（N、P、C、硅栅、铝栅）、双极、BiMOS。平面薄膜工艺、种类少（晶体管）、电学处理功能（处理、存储、互连等） MEMS工艺： 种类多Sensor and Actuator(力、热、光、磁、马达、泵、阀等） 工艺繁多，各有特点 强调纵向加工 有活动部件,MEMS工艺的特殊考虑,双面光刻 键合及对准键合：Si/Si、Si/玻璃 DRIE 体硅腐蚀工艺 Au等金属工艺：连线、键合 对衬底的新要求：粗糙度等 厚膜淀积与刻蚀（IC：500nm, MEMS: 2微米） 结构释放技术,MEMS的特殊工

13、艺,-体硅腐蚀工艺 -晶面键合工艺 - 双面光刻,体硅腐蚀工艺,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,各向异性腐蚀,对于一些特定的腐蚀液，硅单晶不同晶面腐蚀速率不同，表现出各向异性腐蚀特性。 各向异性腐蚀液：KOH水溶液 邻苯二酚-乙二胺-水（EPW） 四甲基氢氧化胺水溶液（TMAHW) 特点：（111）晶面腐蚀速率低,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,腐蚀液：强碱溶液如KOH。 TMAH溶液。 掩蔽层：LPCVD氮化硅 热氧化二氧化硅。 晶向选择 腐蚀窗口尺寸设计,Anisotropic Etch,研究生系列课程-半导体

14、微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,各向异性圆孔形成工艺介绍,键合工艺,高温硅直接键合工艺 -硅-硅、硅-二氧化硅通过高温处理直接键合。 特点：高温、样品表面要求高。形成SOI样片。 静电键合工艺 -金属、合金或半导体与玻璃直接键合。 特点：温度、静电，样片表面要求高。为了避免结构吸附，设计时不同电极穿过划片线连接在一起，处于等电位，划片时断开。 金硅共熔键合工艺 -400度左右，样片表面要求一般，额外增加工艺，键合强度一般。 用途 器件支撑、封装,原理： 硼硅玻璃、磷硅玻璃在一定温度下软化，行为类似电解质，外加电压下，正离子（Na）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区，外加电压落于

15、空间电荷区，漂移停止 如硅接阳极，玻璃接阴极，硅玻璃接触，在界面形成的负空间电荷区与硅发生化学反应，形成化学键Si-O-Si，完成键合 可通过检测电流监测键合是否完成,静电键合工艺,Temperature: 200C-500C Environment: vacuum, air and inert gas Voltage: 500-1500V,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,压力传感器制作,MEMS工艺设计考虑,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,MEMS常用材料,衬底：Si、镓砷、锗、石英、碳化硅、聚酰亚胺等。 结构材

16、料：单晶Si、多晶Si、氮化硅、氧化硅、碳化硅等。 金属材料：Cr、Au、W、Ti、Al、Ni、Pt等。 如何选择材料： 性能参数：杨氏模量、应力、电阻率、热膨胀系数、热导率等。 淀积温度：遵循从高到低的原则。 功能材料考虑：压阻效应、压电效应、热阻效应等。,清洗工艺,C处理：大部分半导体材料 硫酸、氨水、盐酸、双氧水 有机清洗：样品表面有金属或功能材料 三氯乙烯、丙酮、无水乙醇 每步工艺前都应经过严格的清洗！,光 刻（一）,对版标记设计宗旨：了解光刻原理，方便光刻人员对版。 -标记大小：非透光对版标记要略小于原对版标记，阴版对版标记要开窗口。 - 标记上方或下方写上版号。 - 第一步光刻工艺

17、留下所有的对版标记，一般通过腐蚀得到。 - 如果第一版留下的对版标记上覆盖了较厚的薄膜，在开窗口的工艺中尽量开出来。 - 对光刻工艺要求较高的细小图形，要做出相应的检验图形。,光刻（二）,背面光刻 -做版时注明为背面光刻版，镜面反相180度，左右对版标记间距要在光刻机的镜头范围之内。 台面光刻 - 样片表面高度差较大时，用到厚胶光刻工艺，设计容差增加。 KOH腐蚀相关 -补偿角、划片槽（贯穿深腐蚀用虚线），对准标记要远小于正式图形。,光刻工艺考虑,光刻胶选择： -正胶、负胶、反刻胶 - 厚胶、薄胶 -金属胶、高温胶 胶厚设计： -腐蚀工艺，干法刻蚀由刻蚀选择比决定， 湿法腐蚀一般1-2微米左右

18、。 -剥离，倒台阶，金属厚度3倍 金属图形化：腐蚀or剥离 容差设计：光刻胶覆盖部分图形尺寸略小,腐蚀工艺,干法刻蚀：图形传递精确，不受材料限制，用于释放工艺时没有粘连。但工艺成本较高，对样品表面有等离子体损伤。 湿法腐蚀：普通材料有相应的腐蚀液。受材料限制，各向同性腐蚀有钻蚀，各向异性腐蚀受晶面限制，图形很难精确传递。但工艺成本较低，腐蚀选择性好。释放工艺容易出现粘连。 掩模材料选择：光刻胶、氮化硅、氧化硅和金属等。 腐蚀工艺选择：图形质量高，对器件其他结构影响最小。,薄膜淀积工艺,薄膜淀积 - LPCVD：高温，600度以上，薄膜致密。适于制作掩膜或结构材料。 - PECVD：低温200度-400度，薄膜疏松。 适于制作牺牲层材料或不适于高温工艺的样品。 原则：工艺温度从高到低原则。材料应力低。,金属淀积工艺,金属材料选择：与样品的粘附性好。 -掩膜材料，工艺淀积和腐蚀易完成。 -电极，要考虑欧姆接触还是肖特基接触。 工艺手段选择： -电子束蒸发，厚，易剥离，厚度精确度稍低。 -磁控溅射，厚度控制精确，nm量级，致密，但不易剥离，受靶材限制。,工艺设计中的基本考虑,一般先从底层作起，逐步向上 工艺设计