MEMS深硅刻蝕工藝研究報告

1、MEMS深硅刻蝕工藝研究報告學 院：機械與材料工程學院班 級：機械14-5姓 名： 學 號：指導教師： 目錄1、 背景.32、 ICP干法刻蝕原理.63、 ICP刻蝕硅實驗.83.1、光刻工藝3.2、ICP刻蝕硅工藝背景一、 什么是MEMS微機電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機械等，是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統(tǒng)。主要由傳感器、動作器（執(zhí)行器）和微能源三大部分組成。MEMS是在微電子技術（半導體制造技術）基礎上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、L

2、IGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術制作的高科技電子機械器件。微機電系統(tǒng)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是一項革命性的新技術，廣泛應用于高新技術產(chǎn)業(yè)，是一項關系到國家的科技發(fā)展、經(jīng)濟繁榮和國防安全的關鍵技術。二、MEMS用途MEMS側(cè)重于超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域。它的學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。MEMS是一個獨立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級

3、。常見的產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。三、刻蝕工藝用途刻蝕技術（etching technique），是在半導體工藝，按照掩模圖形或設計要求對半導體襯底表面或表面覆蓋薄膜進行選擇性腐蝕或剝離的技術?？涛g技術不僅是半導體器件和集成電路的基本制造工藝，而且還應用于薄膜電路、印刷電路和其他微細圖形的加工。刻蝕工藝不僅是半導體器件和集成電路的基本制造工藝，而且還應用于薄膜電路、印刷電路和其他微細圖形的加工。四、刻蝕工藝分類刻蝕還可分為濕法刻蝕和干法刻蝕

4、?？涛g的機制，按發(fā)生順序可概分為反應物接近表面、表面氧化、表面反應、生成物離開表面等過程。所以整個刻蝕，包含反應物接近、生成物離開的擴散效應，以及化學反應兩部份。整個刻蝕的時間，等于是擴散與化學反應兩部份所費時間的總和。二者之中孰者費時較長，整個刻蝕之快慢也卡在該者，故有所謂reaction limited與diffusion limited兩類刻蝕之分。1、濕法刻蝕最普遍、也是設備成本最低的刻蝕方法。其影響被刻蝕物之刻蝕速率 (etching rate) 的因素有三：刻蝕液濃度、刻蝕液溫度、及攪拌 (stirring) 之有無。濕法刻蝕還分為等向性刻蝕和非等向性刻蝕。由于實際實驗中為干法刻蝕

5、，在此就不再過多介紹。2、干法刻蝕干法刻蝕是一類較新型，但迅速為半導體工業(yè)所采用的技術。其利用電漿 (plasma) 來進行半導體薄膜材料的刻蝕加工。其中電漿必須在真空度約10至0.001 Torr的環(huán)境下，才有可能被激發(fā)出來；而干刻蝕采用的氣體，或轟擊質(zhì)量頗巨，或化學活性極高，均能達成刻蝕的目的。干法刻蝕基本上包括離子轟擊(ion-bombardment)與化學反應(chemical reaction) 兩部份刻蝕機制。偏離子轟擊效應者使用氬氣(argon)，加工出來之邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微。而偏化學反應效應者則采氟系或氯系氣體(如四氟化碳CF4)，經(jīng)激發(fā)出來的電漿，即帶有氟或氯之離子團，可快

6、速與芯片表面材質(zhì)反應。干法刻蝕法可直接利用光阻作刻蝕之阻絕遮幕，不必另行成長阻絕遮幕之半導體材料。而其最重要的優(yōu)點，能兼顧邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微與高刻蝕率兩種優(yōu)點，換言之，本技術中所謂活性離子刻蝕(reactive ion etch；RIE) 已足敷次微米線寬制程技術的要求，而正被大量使用中。ICP干法刻蝕原理一、簡介ICP，全稱為Inductively Couple Plasma，感應耦合等離子體刻蝕。ICP刻蝕過程中存在十分復雜的化學過程和物理過程，兩者相互作用，共同達到刻蝕的目的。其中化學過程主要包括兩部分：其一是刻蝕氣體通過電感耦合的方式輝光放電，產(chǎn)生活性游離基、亞穩(wěn)態(tài)粒子、原子等以及他

7、們之間的化學相互作用；其二是這些活性粒子與基片固體表面的相互作用。主要的物理過程是離子對基片表面的轟擊。這里的物理轟擊作用不等同于濺射刻蝕中的純物理過程，他對化學反應具有明顯的輔助作用，它可以起到打斷化學鍵、引起晶格損傷、增加附著性、加速反應物的脫附、促進基片表面的化學反應以及去除基片表面的非揮發(fā)性殘留物等重要作用。對于刻蝕過程中的三個階段：1、刻蝕物質(zhì)的吸附；2、揮發(fā)性產(chǎn)物的形成；3、產(chǎn)物的脫附，離子的轟擊都有重要影響。在不同情況下（不同的刻蝕氣體及流量、工作壓強、離子能量等），離子轟擊對刻蝕的化學過程的加速機理可能有所不同。二、原理人們認為離子轟擊的機理主要有以下三種：一是化學增強物理濺射

8、。例如，含氟的等離子體在硅表面形成的SiFx基與元素Si相比，其鍵合能比較低，因而在粒子轟擊時具有較高的濺射幾率，所以刻蝕的加速是化學反應使得物理濺射作用增強的結(jié)果；二是損傷誘導化學反應。離子轟擊產(chǎn)生的晶格損傷使基片表面與氣體物質(zhì)的反應速率增大；三是化學濺射?；钚噪x子轟擊引起一種化學反應，使其先形成弱束縛的分子，然后從表面脫附。當利用ICP刻蝕技術，并以碳氟聚合物氣體（例如CF4）作為主要刻蝕氣體刻蝕硅時，在穩(wěn)定的刻蝕狀態(tài)下硅表面會形成比較厚的聚合物薄層，絕大部分離子不能直接轟擊到硅的表面上。在這種情況下，離子轟擊主要有兩方面的作用：一是促進F離子在聚合物中的擴散，加快F離子和聚合物的反應速度

9、；二是是聚合物薄層表面的聚合物分子斷裂和脫離。以上兩種作用都可以使得硅表面的聚合物減薄，促進刻蝕速率的增加。對于不同的刻蝕材料，需要掩制膜以保證不需要刻蝕的地方被保護起來，同時刻蝕需要采用不同的氣體，對于硅的刻蝕而言，一般以SF6作為刻蝕氣體。ICP刻蝕硅實驗3.1、光刻工藝一、設備SC-1B型勻膠臺、BP-2B型烘膠臺、HWK-100型光刻機二、流程1、涂膠使用勻膠機，通過高速旋轉(zhuǎn)的離心作用，將光刻膠均勻涂抹在硅片上光刻膠硅片轉(zhuǎn)速：3000rpm時長：30s光刻膠型號：AZ46202、前烘使用烘干機，將光刻膠適當烘干溫度：120°C時長：90s3、曝光光刻膠掩膜版紫外線硅片使用帶有

10、汞燈，可發(fā)射紫外線的光刻機，將掩膜版覆蓋在涂好光刻膠的硅片上，用波長為365nm左右的紫外線照射，掩膜版中的鉻可以阻擋紫外線，使得暴露在紫外線中的光刻膠增加其在NAOH溶液中的溶解度，從而在下一步顯影步驟中洗出圖形時長：600s4、顯影光刻膠硅片使用NaOH溶液，通過光刻膠的溶解度的不同，來洗出上一步中照射出的圖形時長：90sNaOH濃度：55、檢查在顯微鏡下檢查顯影效果，若圖形清晰且無大瑕疵，即可進入下一步，否則繼續(xù)顯影直到圖形清晰6、后哄后烘后的硅片使用烘干機，再次對顯影后的光刻膠烘干溫度：120°C時長：60s3.2、ICP刻蝕硅工藝一、設備ICP-500型全自動感應耦合等離子體刻蝕機二、流程參數(shù)氣體上電極功率下電極功率工作壓強SF6400W20W1Pa三、結(jié)果實驗中，由于光刻速率不高，決定經(jīng)過每3小時左右的刻蝕后，取出硅片，用千分尺進行測量