MEMS工艺(5表面硅加工技术)

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1、MEMS工艺面硅加工技术梁梁 庭庭 3920330(o) L典型微加工工艺微加工工艺分类硅工艺平面工艺体工艺特种加工工艺LIGA工艺准分子激光加工工艺其它工艺二、表面微加工技术表面微机械加工以硅片为基体，通过多层膜淀积和图形加工制备三维微机械结构。硅片本身不被加工，器件的结构部分由淀积的薄膜层加工而成，结构与基体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用是支撑结构层，并形成所需要形状的最基本过程，在微器件制备的最后工艺中解牺牲层。表面微加工过程特点：添加图形去除添加：薄膜沉积技术图形：光刻去除：腐蚀技术表面微加工和IC工艺的区别：形成机械结构！形成机械结构！硅表面微机械加工是微机械器件完全制作在晶片表面

2、而不穿透晶片表面的一种加工技术。一般来讲，微机械结构常用薄膜材料层来制作，常用的薄膜层材料有：多晶硅、氮化硅、氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼硅酸玻璃(BSG)和金属。 表面微加工表面微加工技术主要靠在基底上逐层添加材料而构造微结构表面微加工器件是由三种典型的部件组成：牺牲层；微结构层；绝缘层部分 基本概念在微机械加工中，通常将两层薄膜中的下面一层腐蚀掉，只保留上面的一层，这种技术称为牺牲层腐蚀，又称为分离层腐蚀。利用牺牲层腐蚀技术直接在衬底表面制作微机械元件结构的技术被称为“硅表面微机械加工技术”。MEMS 器件的加工 裸片 淀积薄膜 利用光刻图形化利用光刻图形化 淀积牺牲层膜 图形化牺牲

3、层 淀积机结构械薄膜 图形化释放结构表面微机械加工流程表面微机械加工流程体硅与表面微机械技术的比较特点体硅加工表面微机械核心材料硅多晶硅牺牲层PSG、(SiO2)尺寸大（典型的空腔尺寸为几百um）小（精确控制膜厚，典型尺寸为几个um）工艺要素单或双面工艺材料选择性刻蚀刻蚀：各向异性刻蚀停止图形加工单面工艺（正面）材料选择性刻蚀刻蚀：各向同性残余应力（取决于淀积、掺杂、退火）牺牲层技术牺牲层技术属硅表面加工技术。属硅表面加工技术。是加工悬空和活动结构的有效途径。是加工悬空和活动结构的有效途径。采用此种方法可无组装一次制成具有活采用此种方法可无组装一次制成具有活动部件的微机械结构。动部件的微机械结

4、构。牺牲层材料牺牲层材料度热氧化SiO2低氧扩磷低氧淀积SiOSiO227060504030201001020304050600腐蚀时间(min)深腐蚀横向牺牲层材料对比材材料料用用 途途特特 点点腐腐蚀蚀剂剂腐腐蚀蚀速速率率( m/min)HF1.4二氧化硅释放多晶硅结构回火中收缩率低、薄膜稳定度高、腐蚀速率低5:1BHF0.12HF3.6磷硅玻璃释放多晶硅结构腐蚀速率高、内应力小；体积稳定度低5:1BHF4.4铝释放有机结构 与CMOS工艺兼容HF或H3PO440钛用于LIGA中释放电铸结构HF很快影响牺牲层腐蚀的因素影响牺牲层腐蚀的因素牺牲层厚度牺牲层厚度腐蚀孔阵列腐蚀孔阵列塌陷和粘连及

5、防止方法塌陷和粘连及防止方法酒精、液态酒精、液态CO2置换水；置换水；依靠支撑结构防止塌陷。依靠支撑结构防止塌陷。多晶LT典型牺牲层腐蚀工艺典型牺牲层腐蚀工艺 氧化，做体硅腐蚀掩膜层；氧化，做体硅腐蚀掩膜层； 光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口；光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口； 体硅腐蚀出所需底层结构；体硅腐蚀出所需底层结构； 去除去除SiO2； 生长或淀积牺牲层材料；生长或淀积牺牲层材料； 光刻牺牲层材料成所需结构；光刻牺牲层材料成所需结构； 生长结构材料；生长结构材料； 光刻结构材料；光刻结构材料； 牺牲层腐蚀，释放结构层；牺牲层腐蚀，释放结构层； 防粘结处理。防粘结处理。硅二氧化硅多晶硅表面微加工中

6、的力学问题 表面微加工技术存在着三个主要的力学问题：层间黏附；界面应力；静态阻力 界面应力在双层结构中有三种典型的应力 1.材料的热膨胀系数不匹配引起的热应力 双层结构达到非常高的操作温度时，剧烈的热应力会使SiO2薄层从Si基底脱离 2.残余应力在微机械加工中是固有的 3.存在于薄膜结构中本身的应力由微加工过程中原子结构局部变化产生的 例如，过量掺杂会导致结构在表面微加工后产生很大的残余应力 粘连两个分离薄片粘附在一起的现象称为粘连；粘连是表面微加工中最严重的问题；在牺牲层从被分离的材料层中去除时发生 解决方法1、最简单的方法式在漂洗和吹干期间，尽量防止微器件与基体的接触，从液体中抽出器件时

7、尽量减少器件上的作用力，在最后一道工序中采用低表面张力的液体。2、超临界干燥3、低于三相点表面微机械加工的特点1、在表面微机械加工中，硅片本身不被刻蚀，没有穿过硅片，硅片背面也无凹坑。2、表面微机械加工适用于微小构件的加工，结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反应离子刻蚀工艺。3、形成层状结构的特点为微器件设计提供较大的灵活性。4、可实现微小可动部件的加工。5、与IC工艺兼容性好。利用牺牲层制造硅梁的过程A、淀积Si3N4并刻窗口在硅衬底上淀积一层Si3N4膜，作为多晶硅梁的绝缘支撑，并有选择地腐蚀出窗口B、局部氧化生成SiO2利用局部氧化技术，在窗口处生成一层SiO2膜，作为牺牲层。C、淀积

8、多晶硅并刻微梁在SiO2层及剩下的Si3N4层上淀积一层多晶硅膜，厚约2umD、横向腐蚀形成空腔腐蚀掉SiO2形成空腔，即得到多晶硅桥式可活动的硅梁多层表面工艺 1）、多晶硅材料的主要特点（1）多晶硅薄膜的生长温度低，一般为几百度，最低才200C左右。这样的低温工艺过程，不仅省能，而且在集成电路或集成传感器的制作中不会对前期工艺制作的有源区边界及杂质分布产生影响。多晶硅材料的主要特点（2）多晶硅薄膜对生长衬底的选择不苛刻。衬底只要有一定的硬度、平整度及能耐受住生长工艺温度即可。（3）可以通过对生长条件及后工艺的控制来调整多晶硅薄膜的电阻率，使它成为绝缘体、导体或半导体，从而适应不同器件或器件不

9、同部分的需要。多晶硅材料的主要特点（4）多晶硅薄膜作为半导体材料可以像单晶硅那样通过生长、扩散或离子注入进行掺杂，形成N型或P型半导体，制成p-n结；可以采用硅平面工艺进行氧化、光刻、腐蚀等加工。多晶硅材料的主要特点（5）由于生长的膜厚可以较好的控制，与其他薄膜有良好的相容性，有利于制造多层膜结构，给器件设计带来较大的灵活性。（6）生长工艺的进步使得多晶硅薄膜不仅可以大批量生长，而且可以大面积生长，因而成本低，易于扩大应用。2）、多晶硅的淀积方法：低压化学气相淀积（LPCVD）常压化学气相淀积（APCVD）等离子体增强化学气相淀积（PECVD）分子束淀积多晶硅的淀积 对于表面微机械加工来说，最

10、主要的加工方法是以硅烷（SiH4）为气源，在热壁炉反应器内淀积多晶硅的LPCVD技术。 典型的加工条件：温度：580C650 C压力：100 400mtorr(1Pa=7.50062103torr)气体：100硅烷（ SiH4 ）气体流速取决于管道直径和其他条件 630 C，多晶硅淀积速率为10nm/min，温度降低，淀积速率也降低。多晶硅的微结构与淀积条件有关在100的硅烷气体，压力为200torr的LPCVD淀积条件下，低于580C淀积时，薄膜为无定形;超过580C薄膜为多晶。当薄膜为多晶时，随着温度的升高，晶粒结构发生变化。600 C时晶粒非常细小，625 C时晶粒长大，形成垂直于膜面的

11、柱状结构；随着膜厚的增加晶粒尺寸增大。晶粒的方向取决于淀积温度，600 650C之间薄膜的主要方向，650 700C之间薄膜的主要方向。3）、淀积态的薄膜应力应用多晶硅制备微机械主要考虑问题之一是薄膜应力。平均残余应力和应力梯度依赖于淀积条件；薄膜初始态的微结构对最终薄膜的性能产生明显的影响。薄膜内存在的应力梯度形成一个挠矩，使细长条的微结构发生挠曲。晶体薄膜的平均应力和应力梯度受结晶方向的影响较大，110方向，应力值最大；无规取向，应力值最低。4）、未掺杂薄膜的退火在微机械结构中，多晶硅薄膜的残余应力大大地影响着器件的性能。 LPCVD淀积的多晶硅多数呈本征压应力，该压应力不是由热错配造成的

12、，而是成膜过程中硅晶粒长大的交互作用所致，要消除该压力，就必须在再结晶温度退火。5）、原位掺杂多晶硅掺杂与单晶硅相似，通过掺杂能改变多晶硅的电阻。淀积多晶硅的同时进行掺杂称为原位掺杂。原位掺杂优点：掺杂均匀，而不均匀掺杂会导致微机构的变化，从而引起机械性能的变化；避免了扩散和离子注入的高温退火，这对于已有集成电路的微器件显得尤为重要。易于精确控制掺杂浓度。原位掺杂缺点：淀积工艺复杂薄膜厚度、淀积速率、均匀性的控制要比掺杂多晶硅淀积工艺复杂得多掺杂工艺对于反应器的清洗要求很严格。原位掺杂 由于原位掺杂使多晶硅淀积工艺变得很复杂，因此许多IC工艺和MEMS的加工工艺采用淀积后的掺杂，即通过扩散使掺

13、杂均匀化。 但扩散是一种高温工艺（900C1000 C ），如果要使几个微米厚的多晶硅薄膜掺杂均匀，必须进行长期退火，这就有可能破坏已制备的电子线路。2、二氧化硅二氧化硅当然是硅加工实验室中最常用的介质。它可以自身生长，也可以淀积，有无掺杂剂都行，既使掺杂后仍然绝缘。热生长型SiO2常用作MOS门绝缘层。如果淀积的SiO2 中掺入磷，那就叫做磷硅玻璃、“P玻璃”或PSG，它常用作最终钝化层；如果掺入硼，那就叫做硼硅玻璃或BSG；如果在玻璃中掺入磷和硼的混合物，则常称为BPSG或低温氧化物（LTO），它具有良好的低温回流特性，可使高深宽比表面结构“光洁化”或平面化。在IC工艺中，SiO2是一种多

14、用途的基本材料，它通过热氧化生长和为满足不同要求采用不同工艺淀积获得。 在多晶硅表面微机械中，SiO2的应用主要是作为牺牲层材料，另一个用途是作为多晶硅厚膜图形的刻蚀掩模，或者作为传感器自身结构的一部分。 二氧化硅在较大的波长范围内具有透光性，这使它在许多微机械光学器件中得到应用1）二氧化硅的制备在表面微机械中，广泛采用的SiO2生长和淀积方式是热氧化和LPCVD。热氧化氧气中：Si+O2SiO2（“干法”氧化）蒸气中：Si+H2OSiO2+2H2（“湿法”氧化）SiO2淀积（CVD）反应示例：硅烷+氧气：SiH4+O2SiO2+2H2四乙氧基硅烷（TEOS）分解:Si（OC2H5）4SiO2

15、+副产物二氯甲硅烷+氧化二氮：SiCl2H2+2N2OSiO2+2N2+2HCl在铝镀层上只能采用低温氧化（温度低于约350，防止铝熔化），因此在这种情况下常用PECVD或硅烷LTO工艺。注：只有PECVD才能真正对应力进行任意控制，也就是说，可以产生拉应力、压应力或不产生应力，并能兼顾其它性质。特点：低温淀积和高的HF刻蚀速率，后者加快微器件脱模。典型的淀积条件温度：425C450 C压力：200 400mtorr淀积速率约：10nm/min 在该温度范围内淀积的二氧化硅比热氧化法更疏松，有助于提高其在HF酸中的刻蚀速率，使其成为理想的牺牲层，另外可通过高温（1000 C ）退火提高其密度。

16、不同淀积方法生成的二氧化硅性质表。）淀积类型PECVDSi+O2TEOSSiCl2H2+ N2O天然氧化物（热）典型温度 200 450 700 900 1，100成分 SiO1。9（H） SiO2（H） SiO2 SiO2（Cl） SiO2台阶覆盖率可变(Adams 说不一致)不一致一致一致一致热稳定性失氢热硬稳定失CL良好密度(g/cm3) 23 21 22 22 22折射率 147 144 146 146 146应力（Mpa）300（压）到300（拉） 300（拉） 100（压） 300（压） 300（压）电介质强度(106V/cm或 102V/m) 3到6 8 10 10 10腐蚀速率

17、(nm/min)(H2O:HF=100:1) 40 6 3 3 33、氮化硅氮化硅氮化硅是一种非常有用的电介质材料，但只能用沸腾的磷酸（H3PO4混合物）才能进行有效湿法腐蚀，所以通常需要用等离子腐蚀来成形。氮化硅可用作钝化层（对H2O和碱性离子有很好的阻挡作用），电容电介质、结构材料并可作为腐蚀和选择性氧化硅的掩膜。Si3N4在可见光区透明，在近中红外波段，它有一定的吸收性，此时其光波能量损失较大，但在许可范围之内。由于氮化硅的折射率与二氧化硅不同，两种材料匹配可以用来作增透膜、介质反射器和滤波器常见PECVD氮化硅淀积反应式：硅烷和N2O在Ar等离子体中：SiH4+4N2OSi3N4+4O

18、2+2H2O硅烷和NH3在Ar等离子体中：3SiH4+4NH3Si3N4+12H2，(700-900）硅烷在氮等离子体中：2SiH4+N22SiNH+3H2LPCVD氮化硅是良好的绝缘体，电阻率为1016/cm，电场击穿极限值为107V/cm，具有良好的抗HF性能。主要应用于多晶硅表面微机械的基体绝缘。常见CVD/LPCVD氮化硅淀积反应是：3SiH4+4NH3Si3N4+12H23SiCl2H4+4NH3Si3N4+6HCl+6H2 LPCVD和PECVD氮化硅性质比较表 淀积类型LPCVDPEVCD常用温度 700到800 250到350成分 Si3N4（H） SiNxHySi/N比率 0

19、.75 0.8到1.2氢的百分含量 4到8 20到25折射率 2.01 1.8 到2.5密度（g/cm3） 2.9到3.1 2.4到2.8体电阻率(.cm) 1016 106到1015介电强度(106V/cm或102V/m) 10 5能带（eV） 5 4到5应力（MPa）拉应力1000（富硅膜可以近似为零） 压应力200到拉应力500 氮化硅是一种不活泼的致密材料，它的腐蚀较为困难，而且与生长技术有关。HF虽能腐蚀，但即使在高温时腐蚀速率还是很慢，以至于光刻胶在腐蚀过程中受到破坏。氮化硅也常做二氧化硅的覆盖层，但此时不能用HF腐蚀，因为他们能迅速溶解二氧化硅，从而造成严重的钻蚀。4、碳化硅由于

20、碳化硅硬度高、耐化学腐蚀（但它却很容易用化学方法图形化），所以是一种非常有用的绝缘材料。它可以用PECVD工艺淀积，也可以自身生长。典型的淀积反应是：SiH4+CH4SiC+4H2由于它极高的抗腐蚀和良好的机械特性，碳化硅可应用在许多微机械加工中 。可以用来制造能在HF中连续工作的电化学传感器，也可以用来制造输送侵蚀性化学物质的密封液体管道，保护带有连接金属线的标准硅压力传感器，还可以用作玻璃的腐蚀掩膜。 5、磷硅玻璃PSG磷硅玻璃是一种应用广泛的牺牲层材料，其淀积应力比二氧化硅小，其制备工艺：LPCVD采用SiO4,O和PH3PECVD应用SiH4,N2O和PH3或四乙原硅酸盐，三甲磷酸盐淀积而成。8 8、金属薄膜的微机械加工、金属薄膜的微机械加工 有许多金属薄膜用于微机械加工，它们用作导线、电阻、微机械元件、传感元件等。铝在传统集成电路制造中应用十分普遍，迄今为止，也是大部分半导体制造设备中最常用的金属，并在微机械加工中大量应用。金属淀积工艺有许多种，包括电热蒸镀、电子束蒸镀、溅射、磁控溅射淀积、CVD、激光辅助CVD和电淀积 。作业作业从加工尺度、使用材料、核心工艺等角度简述体硅工艺和表面工艺的各自特点和区别。