ChMEM工藝光刻腐蝕PPT課件

1、MEMS技術技術唐 軍 第1頁/共50頁第三章 MEMS工藝 MEMS工藝概念 MEMS工藝分類第2頁/共50頁MEMS工藝概念 工藝：勞動者利用生產工具對各種原材料，半成品進行加工和處理,改變它們的幾何形狀，外形尺寸，表面狀態(tài)，內部組織，物理和化學性能以及相互關系，最后使之成為預期產品的方法及過程。 工藝技術：是人類在勞動中逐漸積累起來并經過總結的操作技術經驗， 它是應用科學，生產實踐及勞動技能的總和。5層多晶硅工藝技術體硅工藝第3頁/共50頁前工序、后工序、輔助制作工序 前工序：是指從原始晶片開始直到中測封裝之前的所有工序過程。如果對前工序進行歸納分類，主要包括以下三類技術：圖形轉換技術：

2、主要包括光刻、刻蝕等技術；薄膜制備技術：主要包括外延、氧化、化學氣相沉積、物理 氣相沉積（如濺射、蒸發(fā)）等；摻雜技術：主要包括擴散和離子注入等技術。后工序：是指從中測開始到完成直到出廠之間的所有工序，主要包括劃片、封裝、測試、老化、篩選等。第4頁/共50頁輔助工序：為了保證前工序的順利進行所需要的一些輔助性的工藝技術。主要的有以下幾種：超凈廠房技術：MEMS制造必須在超凈環(huán)境中進行，環(huán)境中塵埃等將直接影響集成電路的成品率和可靠性。集成電路的規(guī)模越大、特征尺寸越小，要求的環(huán)境凈化程度高。光刻間的凈化度一般要求達到1級甚至級。級是描述凈化度的一個單位，1級的含義是指在1立方英寸的空間內大于的塵埃數(shù)

3、必須小于1個。超凈水、高純氣體制備技術：在集成電路工藝中使用的水、氣（如氧氣、氮氣、氫氣、硅烷）等都必須具有非常高的純度。光刻掩膜版制備技術：一般有專門的工廠制作光刻所使用的掩膜版材料準備技術：主要包括拉單晶、切片、磨片、拋光等管殼制備、超純水化學試劑制備等等第5頁/共50頁 MEMS工藝分類 光刻（Lithography） 刻蝕（Etching） 化學氣相沉積（CVD） 物理氣相沉積(PVD) 氧化 擴散與離子注入 退火 LIGA工藝第6頁/共50頁光刻（ Lithography ）石版（litho ）寫（graphein）重要性重要性：是唯一不可缺少的工藝步驟，是一個復雜的工藝流程光刻光刻

4、是加工制造集成電路圖形結構以及微結構的關鍵工藝之一。 光刻工藝光刻工藝就是利用光敏的抗蝕涂層發(fā)生光化學反應，結合腐蝕方法在各種薄膜或硅上制備出合乎要求的圖形，以實現(xiàn)制作各種電路元件、選擇摻雜、形成金屬電極和布線或表面鈍化的目的。第7頁/共50頁u光刻三要素光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機u光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機溶劑等混合而成的膠狀液體u光刻膠受到特定波長光線的作用后，導致其化學結構發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變光刻膠的性能指標光刻膠的性能指標(1)分辨率分辨率：分辨率是指用某種光刻膠光刻時所能得到的最小尺寸 (2)靈敏度靈敏度：光刻膠的感光靈

5、敏度反映了光刻膠感光所必須的照射量(3)粘附性粘附性：光刻膠與襯底之間粘附的牢固程度(4)抗腐蝕性抗腐蝕性：光刻工藝要求光刻膠在堅膜后，能夠較長時間(5)穩(wěn)定性穩(wěn)定性：光刻工藝要求光刻膠在室溫和避光情況下加入了增感劑也不發(fā)生暗反應，在烘干燥時，不發(fā)生熱交聯(lián)(6)針孔密度針孔密度：單位面積上的針孔數(shù)(7)留膜率留膜率：指曝光顯影后的非溶性膠膜厚度于曝光前膠膜厚度之比第8頁/共50頁第9頁/共50頁光刻的工藝流程一般分為：氧化、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕和去膠。第10頁/共50頁負膠負膠兩種組成部份的芳基氮化物橡膠光刻膠Kodak KTFR（敏感氮化聚慔戌二烯橡膠） 分辨率差，適于加工線寬

6、3m的線條；這類光刻膠粘附力強，耐腐蝕，容易使用和價格便宜，是常用的光刻膠。 正膠正膠PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光刻膠由重氮醌酯（DQ）和酚酫樹酯（N）兩部分組成的DNQ。 分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠第11頁/共50頁第12頁/共50頁光刻工藝具體過程 一、清洗和烘干l作用：保證硅片表面無灰塵、油脂、水，保證粘附性和光刻質量l清洗不好，會造成脫膠、表面灰塵導致粘版、部分圖形不感光等光刻缺陷。l表面不干燥，會造成脫膠l如果硅片擱置較久或返工，應重新清洗烘干，烘干后立即甩膠。l氧化、蒸發(fā)后可立即甩膠，不必清洗。第13頁/共50頁清洗設備超臨界干燥 兆聲清洗設備 硅片甩干機

7、第14頁/共50頁設備：甩膠臺。在硅片表面涂覆一層粘附性好，厚度適當，厚薄均勻的光刻膠。一般采用旋轉法，針對不同的光刻膠黏度和厚度要求，選擇不同的轉速?？煞直婢€寬是膠膜厚度的58倍。 旋轉法涂敷裝置旋轉法涂敷裝置第15頁/共50頁第16頁/共50頁 前烘就是在一定溫度下，使膠膜里的溶劑緩慢地揮發(fā)出來，使膠膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。前烘的溫度和時間隨膠的種類和膜厚不同而有所差別。 前烘方式：烘箱烘烤、紅外光照射、熱板處理第17頁/共50頁 設備：光刻機 對準：使掩膜的圖形和硅片上的圖形精確套合。 曝光：對光刻膠進行選擇性光化學反應，使光刻膠改變在顯影液中的溶解性。 通常采用紫外接觸曝光法

8、光刻膠：高靈敏度，高反差，均勻，產量大。光刻機投影光刻機影響曝光質量的主要因素影響曝光質量的主要因素曝光時間氮氣釋放氧氣的影響駐波的影響光線平行度的影響第18頁/共50頁幾種常見的曝光方法幾種常見的曝光方法接觸式曝光：分辨率較高，容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個很小的間隙(1025m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上第19頁/共50頁五、顯影(Development)正膠去曝光部分，負膠去未曝光部分部分光刻膠需要超聲顯影顯影時間根據(jù)光刻膠種類、膜厚、顯影液種類、顯影溫度和操作方法確定。顯影后檢查光

9、刻質量，不合格的返工。顯影臺甩干機刷版機顯影臺烘箱第20頁/共50頁 除去顯影時膠膜吸收的顯影液和水分，改善粘附性，增強膠膜抗腐蝕能力。 堅膜的溫度和時間要適當 堅膜時間短，抗蝕性差，容易掉膠；堅膜時間過長，掩膜難以去除，或開裂。 腐蝕時間長的可以采取中途多次堅膜用適當?shù)母g劑對顯影后暴露的表面進行腐蝕，獲得光刻圖形第21頁/共50頁八、去膠 溶劑去膠：含氯的烴化物做去膠劑。 氧化去膠：強氧化劑，如濃硫酸，雙氧水和氨水混合液 等離子體去膠 剝離工藝剝離工藝剝離工藝在光刻工藝中，有一種代替刻蝕方法的工藝，我們稱之為剝離工藝（Lift-Off）。在剝離工藝中，首先形成光刻圖形，然后沉積薄膜，最后用

10、化學試劑去除光刻膠，此時連同不需要的薄膜一同除去，這個過程正好與刻蝕過程相反。第22頁/共50頁第23頁/共50頁SiSiO2光刻膠光刻前烘氧化涂膠掩膜版曝光第24頁/共50頁SiSiO2光刻膠光刻顯影腐蝕堅膜去膠第25頁/共50頁超細線條光刻技術10Gb0.04520102013？/2第26頁/共50頁遠紫外曝光技術：紫外線（200-500nm）可分為G-線（436）、i-線（365）和遠紫外線（200-290）。248nm、193nm、m、0.18 m、0.13 m電子束曝光技術：效率低，設備昂貴，圖形容易畸變?？芍睂懀∮?.1 m離子束曝光技術：效率低，設備昂貴?？芍睂?，沒有散射，小于

11、0.1 mX射線曝光技術：設備昂貴，小于2nm，對掩膜要求高第27頁/共50頁 MEMS工藝分類 光刻（Lithography） 刻蝕（Etching） 化學氣相沉積（CVD） 物理氣相沉積(PVD) 氧化 擴散與離子注入 退火 LIGA工藝第28頁/共50頁刻蝕 濕法腐蝕 各向異性 各向同性 自停止腐蝕技術 凸角補償技術 干法刻蝕 深槽技術第29頁/共50頁濕法刻蝕：指利用液態(tài)化學試劑或溶液通過化學反應進行刻蝕的方法，濕法腐蝕的主要優(yōu)點是選擇性好、重復性好、生產效率高、設備簡單、成本低。它的主要缺點是鉆蝕嚴重、對圖形的控制性較差。第30頁/共50頁第31頁/共50頁u體硅各向異性腐蝕 是利用

12、腐蝕液對單晶硅不同晶向腐蝕速率不同的特性，使用抗蝕材料作掩膜，用光刻、干法腐蝕和濕法腐蝕等手段制作掩膜圖形后進行的較大深度的腐蝕。 機理：腐蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化態(tài)Si+Si+，而羥基OH-OH-與Si+Si+形成可溶解的硅氫氧化物的過程。 各向異性腐蝕液通常對單晶硅(111)(111)面的腐蝕速率與(100)(100)面的腐蝕速率之比很大（1 1：400400），因為：水分子的屏蔽作用，(111)(111)面有較高的原子密度，水分子容易附著在(111)(111)面上； (100)(100)面每個原子具有兩個懸掛鍵，而(111)(111)面每個原子只有一個懸掛鍵，移去(111)(111)面

13、的原子所需的能量比(100)(100)面要高。第32頁/共50頁掩膜薄膜襯底（a）各向異性100110111不同的晶面懸掛鍵密度（表面態(tài)密度）第33頁/共50頁各向異性腐蝕液 腐蝕液： 無機腐蝕液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等； 有機腐蝕液：EPW、TMAH和聯(lián)胺等。 常用體硅腐蝕液： 氫氧化鉀(KOH)系列溶液； EPW(E：乙二胺，P：鄰苯二酚，W：水)系列溶液。 乙二胺(NH2(CH2) 2NH2) 鄰苯二酚(C6H4(OH) 2) 水(H2O)第34頁/共50頁影響各向異性腐蝕的主要因素(1) 溶液及配比(2) 溫度第35頁/共50頁u各向同性腐蝕硅的各向同性腐蝕在半

14、導體工藝中以及在微機械加工技術中有著極為廣泛的應用。常用的腐蝕液為HF-HNO3加水或者乙酸系統(tǒng)。腐蝕機理為：首先是硝酸同硅發(fā)生化學反應生成SiO 2，然后有HF將SiO 2溶解。222623HOHHNOSiFHHFHNOSi掩膜薄膜襯底各向同性第36頁/共50頁u自停止腐蝕技術 機理： EPW和KOH對硅的腐蝕在摻雜濃度小于11019cm-3時基本為常數(shù)，超過該濃度時，腐蝕速率與摻雜硼濃度的4次方成反比，達到一定的濃度時，腐蝕速率很小，甚至可以認為腐蝕“停止”。 （1） 重摻雜自停止腐蝕(KOH和EDP：51013/cm3，RE/RD100) （2）(111)面停止 （3） 時間控制 （4）

15、P-N結自停止腐蝕 （5）電化學自停止腐蝕第37頁/共50頁自停止腐蝕典型工藝流程硅光刻膠擴散層二氧化硅工藝路線（1）工藝路線（2）第38頁/共50頁1、薄膜自停止腐蝕 薄膜自停止腐蝕是指晶片刻蝕到最后，終止于其它不會被刻蝕所影響的薄膜，這層薄膜可以是氧化硅、氮化硅、富硅氮化硅、聚亞酰胺，甚至是金屬。 利用薄膜自停止腐蝕必須考慮刻蝕選擇性，以及薄膜應力問題，因為應力太大將使薄膜發(fā)生破裂。第39頁/共50頁 KOH對硅的腐蝕在摻雜濃度超過閾值濃N0(約為51019CM-3)時，腐蝕速率很小，輕摻雜與重摻雜硅的腐蝕速率之比高達數(shù)百倍，可以認為KOH溶液對重摻雜硅基本上不腐蝕。2 、重摻雜自停止腐蝕

16、技術第40頁/共50頁 高摻雜硼有兩個缺點： 與標準的CMOS工藝不兼容 導致高應力，使得材料易碎或彎曲 重摻雜硼的硅腐蝕自停止效應比重摻雜磷的硅明顯，所以工藝中常采用重摻雜硅作為硅腐蝕的自停止材料。第41頁/共50頁 KOH溶液對（100）和（111）面硅的腐蝕速率差別很大，可高達100400倍，因此可利用（111）面作為停止腐蝕的晶面。3、（111）面自停止腐蝕（111）面自停止腐蝕工藝流程第42頁/共50頁4、電化學自停止腐蝕 電化學自停止腐蝕技術不需要重摻雜層，由于用了外延技術，因此腐蝕自停止層可以做的很厚。第43頁/共50頁干法腐蝕 俠義的干法刻蝕主要是指利用等離子體放電產生的化學過

17、程對材料表面的加工 廣義上的干法刻蝕則還包括除等離子體刻蝕外的其它物理和化學加工方法，例如激光加工、火花放電加工、化學蒸汽加工以及噴粉加工等。干法刻蝕的優(yōu)點：具有分辨率高、各向異性腐蝕能力強、腐蝕的選擇比大、能進行自動化操作等干法刻蝕的過程：1腐蝕性氣體離子的產生；2離子向襯底的傳輸3襯底表面的腐蝕；4腐蝕反應物的排除第44頁/共50頁干法腐蝕的主要形式：*純化學過程：（等離子體腐蝕 )*純物理過程： (離子刻蝕、離子束腐蝕）*物理化學過程：反應離子腐蝕RIE ，離子束輔助自由基腐蝕ICP.在化學腐蝕方法中，惰性氣體（如四氟化碳）在高頻或直流電場中受到激發(fā)并分解（如形成氟離子），然后與被腐蝕材

18、料起反應形成揮發(fā)性物質；在物理腐蝕方法中，利用放電時所產生的高能惰性氣體離子對材料進行轟擊，腐蝕速率與轟擊粒子的能量、通量密度以及入射角有關；在物理化學結合的方法中，既有粒子與被腐蝕材料的碰撞，又有惰性氣體與被腐蝕材料的反應。第45頁/共50頁等離子體腐蝕 利用氣體輝光放電電離和分解穩(wěn)定的原子所形成的離子和活性物質，與被腐蝕的固體材料作用，產生揮發(fā)性的物質或氣態(tài)產品。 刻蝕過程主要是化學反應刻蝕，是各向同性的，主要作為表面干法清洗工藝。等離子體腐蝕的主要現(xiàn)象和特點 （1）各向同性腐蝕（2）各向異性腐蝕（3）濺射腐蝕第46頁/共50頁（1）速率高 （2）環(huán)境清潔，工藝兼容性好。（3）掩膜選擇性好 300：1（4）表面形貌好，無應力集中現(xiàn)象（5）無晶向限制（1）好的截面形狀，易于滿足鑄模要求。（2）高的腐蝕速率，適于體硅要求。（3）利用各向同性腐蝕，滿足犧牲層腐蝕要求。（4）可用于活動結構制作。（5）可用于高深寬比結構制作主要特點主要特點適應性適應性第47頁/共50頁離子束刻蝕（IBEIBE） 離子束刻蝕是利用具有一定能量的離子轟擊材料表面，使材料原子發(fā)生濺射，從而達到刻蝕目的. 把Ar、Kr或Xe之類惰性氣體充入離子源放電室并使其電離形成 等離子體，然后由柵極將離子呈 束狀引出并加速，具有一定能量