MEMS深硅刻蝕工藝研究報(bào)告

1、MEMS深硅刻蝕工藝研究報(bào)告學(xué) 院：機(jī)械與材料工程學(xué)院班 級(jí)：機(jī)械14-5姓 名： 學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師： 目錄1、 背景.32、 ICP干法刻蝕原理.63、 ICP刻蝕硅實(shí)驗(yàn).83.1、光刻工藝3.2、ICP刻蝕硅工藝背景一、 什么是MEMS微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)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(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。主要由傳感器、動(dòng)作器（執(zhí)行器）和微能源三大部分組成。MEMS是在微電子技術(shù)（半導(dǎo)體制造技術(shù)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件。微機(jī)電系統(tǒng)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號(hào)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(xiàng)革命性的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是一項(xiàng)關(guān)系到國(guó)家的科技發(fā)展、經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)防安全的關(guān)鍵技術(shù)。二、MEMS用途MEMS側(cè)重于超精密機(jī)械加工，涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。它的學(xué)科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學(xué)、機(jī)械學(xué)的各分支。MEMS是一個(gè)獨(dú)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(jí)

3、。常見的產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS光學(xué)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(shù)（etching technique），是在半導(dǎo)體工藝，按照掩模圖形或設(shè)計(jì)要求對(duì)半導(dǎo)體襯底表面或表面覆蓋薄膜進(jìn)行選擇性腐蝕或剝離的技術(shù)?？涛g技術(shù)不僅是半導(dǎo)體器件和集成電路的基本制造工藝，而且還應(yīng)用于薄膜電路、印刷電路和其他微細(xì)圖形的加工。刻蝕工藝不僅是半導(dǎo)體器件和集成電路的基本制造工藝，而且還應(yīng)用于薄膜電路、印刷電路和其他微細(xì)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(jī)制，按發(fā)生順序可概分為反應(yīng)物接近表面、表面氧化、表面反應(yīng)、生成物離開表面等過程。所以整個(gè)刻蝕，包含反應(yīng)物接近、生成物離開的擴(kuò)散效應(yīng)，以及化學(xué)反應(yīng)兩部份。整個(gè)刻蝕的時(shí)間，等于是擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)兩部份所費(fèi)時(shí)間的總和。二者之中孰者費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，整個(gè)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(shè)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(wú)。濕法刻蝕還分為等向性刻蝕和非等向性刻蝕。由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體工業(yè)所采用的技術(shù)。其利用電漿 (plasma) 來(lái)進(jìn)行半導(dǎo)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(lái)；而干刻蝕采用的氣體，或轟擊質(zhì)量頗巨，或化學(xué)活性極高，均能達(dá)成刻蝕的目的。干法刻蝕基本上包括離子轟擊(ion-bombardment)與化學(xué)反應(yīng)(chemical reaction) 兩部份刻蝕機(jī)制。偏離子轟擊效應(yīng)者使用氬氣(argon)，加工出來(lái)之邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微。而偏化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)者則采氟系或氯系氣體(如四氟化碳CF4)，經(jīng)激發(fā)出來(lái)的電漿，即帶有氟或氯之離子團(tuán)，可快

6、速與芯片表面材質(zhì)反應(yīng)。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(zhǎng)阻絕遮幕之半導(dǎo)體材料。而其最重要的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，換言之，本技術(shù)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(shù)的要求，而正被大量使用中。ICP干法刻蝕原理一、簡(jiǎn)介ICP，全稱為Inductively Couple Plasma，感應(yīng)耦合等離子體刻蝕。ICP刻蝕過程中存在十分復(fù)雜的化學(xué)過程和物理過程，兩者相互作用，共同達(dá)到刻蝕的目的。其中化學(xué)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(xué)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(duì)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(duì)化學(xué)反應(yīng)具有明顯的輔助作用，它可以起到打斷化學(xué)鍵、引起晶格損傷、增加附著性、加速反應(yīng)物的脫附、促進(jìn)基片表面的化學(xué)反應(yīng)以及去除基片表面的非揮發(fā)性殘留物等重要作用。對(duì)于刻蝕過程中的三個(gè)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(qiáng)、離子能量等），離子轟擊對(duì)刻蝕的化學(xué)過程的加速機(jī)理可能有所不同。二、原理人們認(rèn)為離子轟擊的機(jī)理主要有以下三種：一是化學(xué)增強(qiáng)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(shí)具有較高的濺射幾率，所以刻蝕的加速是化學(xué)反應(yīng)使得物理濺射作用增強(qiáng)的結(jié)果；二是損傷誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)。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(yīng)速率增大；三是化學(xué)濺射?；钚噪x子轟擊引起一種化學(xué)反應(yīng)，使其先形成弱束縛的分子，然后從表面脫附。當(dāng)利用ICP刻蝕技術(shù)，并以碳氟聚合物氣體（例如CF4）作為主要刻蝕氣體刻蝕硅時(shí)，在穩(wěn)定的刻蝕狀態(tài)下硅表面會(huì)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(jìn)F離子在聚合物中的擴(kuò)散，加快F離子和聚合物的反應(yīng)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(jìn)刻蝕速率的增加。對(duì)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(hù)起來(lái)，同時(shí)刻蝕需要采用不同的氣體，對(duì)于硅的刻蝕而言，一般以SF6作為刻蝕氣體。ICP刻蝕硅實(shí)驗(yàn)3.1、光刻工藝一、設(shè)備SC-1B型勻膠臺(tái)、BP-2B型烘膠臺(tái)、HWK-100型光刻機(jī)二、流程1、涂膠使用勻膠機(jī)，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(shí)長(zhǎng)：30s光刻膠型號(hào)：AZ46202、前烘使用烘干機(jī)，將光刻膠適當(dāng)烘干溫度：120°C時(shí)長(zhǎng)：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(jī)，將掩膜版覆蓋在涂好光刻膠的硅片上，用波長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)：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(lái)洗出上一步中照射出的圖形時(shí)長(zhǎng)：90sNaOH濃度：55、檢查在顯微鏡下檢查顯影效果，若圖形清晰且無(wú)大瑕疵，即可進(jìn)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(jī)，再次對(duì)顯影后的光刻膠烘干溫度：120°C時(shí)長(zhǎng)：60s3.2、ICP刻蝕硅工藝一、設(shè)備ICP-500型全自動(dòng)感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)二、流程參數(shù)氣體上電極功率下電極功率工作壓強(qiáng)SF6400W20W1Pa三、結(jié)果實(shí)驗(yàn)中，由于光刻速率不高，決定經(jīng)過每3小時(shí)左右的刻蝕后，取出硅片，用千分尺進(jìn)行測(cè)量