硅微機電系統(tǒng)加工技術(shù)簡介

1、劉東棟劉東棟浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心2l自從肖特基（自從肖特基（SchockleySchockley）等人在）等人在19471947年年發(fā)明晶體管以來，科技進入了微電子時發(fā)明晶體管以來，科技進入了微電子時代。現(xiàn)在微電子已發(fā)展到了代?，F(xiàn)在微電子已發(fā)展到了ULSIULSI（甚大（甚大規(guī)模），加工精度到了深亞微米至量子規(guī)模），加工精度到了深亞微米至量子級別。級別。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心3但作為一個完整的信息系統(tǒng)而言，微電子只是但作為一個完整的信息系統(tǒng)而言，微電子只是其中的信息處理單元，一個完整的系統(tǒng)應(yīng)包括其中的信息處理單元，一個完整的系統(tǒng)應(yīng)包括三個部分：三個部分：信息采集單

2、元傳感器信息處理單元信息執(zhí)行單元執(zhí)行器浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心4浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心5浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心6所謂的微系統(tǒng)就發(fā)展重點而言，是指微傳感所謂的微系統(tǒng)就發(fā)展重點而言，是指微傳感器和微執(zhí)行器單元。器和微執(zhí)行器單元。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心7 現(xiàn)在微系統(tǒng)中大量使用硅作為加工的原料，使現(xiàn)在微系統(tǒng)中大量使用硅作為加工的原料，使用半導(dǎo)體工藝作為基本加工手段，是基于以下用半導(dǎo)體工藝作為基本加工手段，是基于以下幾點考慮：幾點考慮： 硅材料來源廣泛，價格便宜。有得到完美單晶硅材料來源廣泛，價格便宜。有得到完美單晶的制備經(jīng)驗。的制備經(jīng)驗。 硅材料獨特的機械性質(zhì)，如強度、楊氏模量等硅材料獨特的機械性質(zhì)，如強度、楊氏模量等

3、性質(zhì)（詳見下表）性質(zhì)（詳見下表） 可以享有積數(shù)十年之力積累下完整的硅電路加可以享有積數(shù)十年之力積累下完整的硅電路加工技術(shù)成果，研發(fā)投入小。工技術(shù)成果，研發(fā)投入小。 可以照搬微電子的大規(guī)模生產(chǎn)方式，重復(fù)性好可以照搬微電子的大規(guī)模生產(chǎn)方式，重復(fù)性好，成品率高，生產(chǎn)成本低。，成品率高，生產(chǎn)成本低。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心8表一表一 單晶硅的機械性能對比單晶硅的機械性能對比 材料材料屈服強度屈服強度(105 N/cm2)洛氏硬度洛氏硬度(105 g/cm2)楊氏模量楊氏模量(107 N/cm2)密度密度(g/cm2)熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(W/cm.c)熱脹系數(shù)熱脹系數(shù)(10-6/ C)*金剛石金剛石53700010

4、.353.5201.0*SiC2124807.03.23.53.3*Si3N41434863.853.10.190.8*鐵鐵12.64001.967.80.80312SiO28.48200.732.50.0140.55*硅硅7.08501.92.31.572.33鋼（最高鋼（最高強度）強度）4.215002.17.90.9712W4.04854.119.31.784.5不銹鋼不銹鋼2.16602.07.90.32917.3 *表示單晶表示單晶浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心9l 現(xiàn)在硅微機械系統(tǒng)的制造還是基于現(xiàn)在硅微機械系統(tǒng)的制造還是基于IC常規(guī)工藝，如刻蝕、光刻、外延、摻常規(guī)工藝，如刻蝕、光刻、外延、摻雜

5、工藝等等，也有微機械特有的工藝雜工藝等等，也有微機械特有的工藝,如如鍵合。用以加工出懸臂梁、孔、軸、彈鍵合。用以加工出懸臂梁、孔、軸、彈簧等用于微機械的結(jié)構(gòu)?；傻扔糜谖C械的結(jié)構(gòu)。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心10 氧化工藝是氧化工藝是IC工藝的基礎(chǔ)，主要用途為：工藝的基礎(chǔ)，主要用途為： 對硅表面進行鈍化保護對硅表面進行鈍化保護 在擴散、刻蝕工藝工程中對圖形進行屏蔽在擴散、刻蝕工藝工程中對圖形進行屏蔽保護保護 作為電絕緣材料作為電絕緣材料 在硅表面微機械加工中當(dāng)作犧牲層在硅表面微機械加工中當(dāng)作犧牲層氧化工藝的實現(xiàn)方式有兩種：熱生長法氧化工藝的實現(xiàn)方式有兩種：熱生長法和化學(xué)氣相淀積法（和化學(xué)氣相淀積法（CV

6、D） 浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心11熱生長法熱生長法 就是在高溫條件下（就是在高溫條件下（900 C-1100 C），使），使氧氣（干氧法）或水蒸汽（濕氧法）通過單氧氣（干氧法）或水蒸汽（濕氧法）通過單晶硅、多晶硅表面，使硅發(fā)生反應(yīng)，生長出晶硅、多晶硅表面，使硅發(fā)生反應(yīng)，生長出SiO2反應(yīng)方程式：反應(yīng)方程式：Si + O2 = SiO2 (干氧干氧) Si + 2H2O = SiO2 + 2H2 (濕氧濕氧) 浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心12特點：特點：1 熱生長法是一種自限制的過程。熱生長法是一種自限制的過程。2 熱氧化過程中，硅作為反應(yīng)物從而被消耗減熱氧化過程中，硅作為反應(yīng)物從而被消耗減少，消耗少，消耗Si

7、的厚度與生長的厚度與生長SiO2的厚度比為的厚度比為 1：2.33 熱生長出來的熱生長出來的SiO2薄膜較淀積生長的薄膜較淀積生長的SiO2膜膜致密，兩者之間腐蝕速度比較見表致密，兩者之間腐蝕速度比較見表2.1.1應(yīng)用應(yīng)用：熱生長：熱生長SiO2薄膜主要用于表面鈍化，薄膜主要用于表面鈍化，屏蔽保護。屏蔽保護。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心132.1.2 CVD(chemical vapor deposition)法：是一種法：是一種將反應(yīng)物以蒸汽形式送入反應(yīng)室，在一定條件下將反應(yīng)物以蒸汽形式送入反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生發(fā)應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加工對象表面的發(fā)生發(fā)應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加工對象表面的一種薄膜

8、生長方法。加工示意圖如下：一種薄膜生長方法。加工示意圖如下：鼓泡器鼓泡器加熱裝置加熱裝置淀積室淀積室硅片硅片尾氣處理尾氣處理浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心14在微系統(tǒng)加工中，大量使用低壓化學(xué)氣相淀積在微系統(tǒng)加工中，大量使用低壓化學(xué)氣相淀積技術(shù)（技術(shù)（LPCVD），），LPCVD根據(jù)反應(yīng)溫度和反根據(jù)反應(yīng)溫度和反應(yīng)機理不同，有可分為：應(yīng)機理不同，有可分為：LTO,TEOS,HTO等等,反應(yīng)方程式為：反應(yīng)方程式為：LTO：SiH4+O2=SiO2+2H2TEOS：Si(C2H5O)4+12O2=SiO2+8CO2+10H2O在在TEOS中，產(chǎn)生副產(chǎn)物水，會使中，產(chǎn)生副產(chǎn)物水，會使SiO2膜質(zhì)量膜質(zhì)量下降，所以現(xiàn)

9、在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用下降，所以現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用LTO。LPCVD提供了一種生長較大厚度提供了一種生長較大厚度SiO2膜的方膜的方法，幾種生長方法比較如下表：法，幾種生長方法比較如下表：浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心15 淀積方法淀積方法熱氧化熱氧化LTOLEOS源氣體源氣體O2SiH4+O2TEOS+O2工藝溫度工藝溫度()900-1100400-500700組分組分SiO2SiO2(H)SiO2(Cl)密度密度(g/3)2.22.12.2強度強度(109dyne/cm2)3C3T1C TEOS:Si(OC2H5)4 浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心16氧化氧化法法 49 HFBHF 28ml49% HF+113

10、g NH3F+170ml H2OP-Etch 15ml 49% HF+10ml HNO3+300ml H2O熱氧化熱氧化69001000-2500128LTO1090049001200不同生長不同生長SiO2的腐蝕速度比較（的腐蝕速度比較（A）浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心17特點及應(yīng)用特點及應(yīng)用可以生長大于可以生長大于1m m厚的厚的SiO2薄膜，這在硅表面微薄膜，這在硅表面微機械中有重要應(yīng)用。機械中有重要應(yīng)用。LPCVD法生長的法生長的SiO2質(zhì)地疏松，可以用作犧質(zhì)地疏松，可以用作犧牲層。牲層。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心18l 光刻是一種圖形轉(zhuǎn)移動的方法，即通過光刻是一種圖形轉(zhuǎn)移動的方法，即通過曝光，把光刻版

11、上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠曝光，把光刻版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再通過刻蝕等方法轉(zhuǎn)移到硅片上。上，再通過刻蝕等方法轉(zhuǎn)移到硅片上。光刻的工藝流程為：光刻的工藝流程為：浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心19帶掩膜的硅片帶掩膜的硅片硅片清洗硅片清洗前烘前烘對準(zhǔn)曝光對準(zhǔn)曝光顯影顯影刻蝕掩膜刻蝕掩膜去除未暴光的膠去除未暴光的膠浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心20帶掩膜的硅片帶掩膜的硅片硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心21清洗、上膠、前清洗、上膠、前烘烘硅硅掩膜掩膜光刻膠光刻膠浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心22光刻版光刻版對位曝光對位曝光硅硅掩膜掩膜光刻膠光刻膠浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心23顯影顯影硅硅掩膜掩膜光刻膠光刻膠浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心24刻蝕掩膜刻蝕掩膜硅

12、硅掩膜掩膜光刻膠光刻膠浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心25去除未曝光的光刻膠去除未曝光的光刻膠硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心26光刻膠按曝光工作波長，可分為紫外光光刻膠按曝光工作波長，可分為紫外光刻膠，電子束光刻膠和刻膠，電子束光刻膠和X光光刻膠。光光刻膠。紫外光刻膠：分為負(fù)型光刻膠和正型光紫外光刻膠：分為負(fù)型光刻膠和正型光刻膠兩種?？棠z兩種。 負(fù)型光刻膠曝光部分為不溶解性負(fù)型光刻膠曝光部分為不溶解性 正型光刻膠曝光部分為可溶解性。正型光刻膠曝光部分為可溶解性。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心27光刻版光刻版掩模掩模光刻膠光刻膠負(fù)型光刻膠曝光示意圖負(fù)型光刻膠曝光示意圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心28光刻版光刻版掩模掩模光刻膠光刻膠

13、正型光刻膠曝光示意圖正型光刻膠曝光示意圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心29l按工作波長，光刻可分為近紫外光刻，按工作波長，光刻可分為近紫外光刻，遠(yuǎn)紫外光刻，電子束光刻和遠(yuǎn)紫外光刻，電子束光刻和X X光光刻等。光光刻等。在在ICIC生產(chǎn)中大量使用的是遠(yuǎn)紫外光刻。生產(chǎn)中大量使用的是遠(yuǎn)紫外光刻。l按光刻的工作方式，可分為接觸式光刻，按光刻的工作方式，可分為接觸式光刻，和投影步進式光刻，其中步進式光刻是和投影步進式光刻，其中步進式光刻是當(dāng)今當(dāng)今ICIC工業(yè)生產(chǎn)的主流。工業(yè)生產(chǎn)的主流。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心30接觸式光刻：就是將光學(xué)掩膜用接觸式光刻：就是將光學(xué)掩膜用0.050.05到到0.30.3個大氣壓壓在涂膠的基片

14、上進行曝光?？梢缘脗€大氣壓壓在涂膠的基片上進行曝光。可以得到到1 1微米的線寬。微米的線寬。投影光刻：就是掩膜版遠(yuǎn)離基片，將掩膜上投影光刻：就是掩膜版遠(yuǎn)離基片，將掩膜上的圖案投影到光刻膠上進行曝光的方法。投影的圖案投影到光刻膠上進行曝光的方法。投影光刻可分為光刻可分為1 1：1 1投影和投影和N N：1 1步進式投影兩種。步進式投影兩種。 特點：特點：1 1 曝光精度高曝光精度高 2 2 掩膜版使用壽命長掩膜版使用壽命長 3 3 光路復(fù)雜光路復(fù)雜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心31刻蝕工藝是微機械最重要對工藝，它主刻蝕工藝是微機械最重要對工藝，它主要是用于制作三維結(jié)構(gòu)，另外還可以對要是用于制作三維結(jié)構(gòu)，另外

15、還可以對表面拋光。表面拋光。 刻蝕工藝分為濕法腐蝕和干法刻蝕兩種?？涛g工藝分為濕法腐蝕和干法刻蝕兩種?？涛g對對象可以是：硅、砷化鎵等半導(dǎo)刻蝕對對象可以是：硅、砷化鎵等半導(dǎo)體，金屬、多晶硅等導(dǎo)體，二氧化硅、體，金屬、多晶硅等導(dǎo)體，二氧化硅、氮化硅等絕緣體。氮化硅等絕緣體。 浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心32濕法腐蝕主要應(yīng)用在體硅微機械的加工濕法腐蝕主要應(yīng)用在體硅微機械的加工中，用于加工微結(jié)構(gòu)。中，用于加工微結(jié)構(gòu)。濕法腐蝕的反應(yīng)機理是電化學(xué)反應(yīng)。濕法腐蝕的反應(yīng)機理是電化學(xué)反應(yīng)。（反應(yīng)方程式見下頁）（反應(yīng)方程式見下頁）濕法腐蝕有各向同性腐蝕和各向異性腐濕法腐蝕有各向同性腐蝕和各向異性腐蝕兩種。蝕兩種。浙江大學(xué)微

16、系統(tǒng)中心33濕法腐蝕反應(yīng)機理：絡(luò)合化物反應(yīng)濕法腐蝕反應(yīng)機理：絡(luò)合化物反應(yīng)陽極反應(yīng)式陽極反應(yīng)式 SiSi+2h+2h+ + Si Si2+2+SiSi2 2與與( (OH)OH)- -結(jié)合：結(jié)合：SiSi2+2+ +2(OH) +2(OH) SiSi(OH)(OH)2 2SiSi(OH)(OH)2 2分解分解：SiSi(OH)(OH)2 2SiOSiO2 2+H+H2 2用用 H FH F 溶 解溶 解 S i OS i O2 2， 生 成 絡(luò) 合 物， 生 成 絡(luò) 合 物 H H2 2S i FS i F6 6：SiOSiO2 2+6HFH+6HFH2 2SiFSiF6 6+2H+2H2 2O

17、 O浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心34l各向同性腐蝕就是腐蝕液對各個晶向的各向同性腐蝕就是腐蝕液對各個晶向的腐蝕速度相同的腐蝕。腐蝕速度相同的腐蝕。l典型的腐蝕液：典型的腐蝕液：49HF69HNO3CH3COOH ，即，即HNA溶液。反應(yīng)方程式：溶液。反應(yīng)方程式：SiHNO36HFH2SiF6H2NO2H2OH2 特點及特點及應(yīng)用：對應(yīng)用：對SiO2腐蝕明顯，不能用腐蝕明顯，不能用SiO2作掩膜。主要用于平面拋光。作掩膜。主要用于平面拋光。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心35硅硅掩膜掩膜光刻膠光刻膠各向同性腐蝕示意圖各向同性腐蝕示意圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心36l各項異性腐蝕是不同晶向的腐蝕速度不各項異性腐蝕是不同晶向的腐蝕

18、速度不同的腐蝕。同的腐蝕。l面腐蝕速度最慢，面腐蝕速度最慢，面腐蝕速面腐蝕速度最快，度最快，面速度居中。面速度居中。l應(yīng)用：利用各個晶面腐蝕速度的不同，應(yīng)用：利用各個晶面腐蝕速度的不同，可以加工出各種微結(jié)構(gòu)。可以加工出各種微結(jié)構(gòu)。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心3754.75。,晶向各向異性腐蝕圖晶向各向異性腐蝕圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心38 各向異性腐蝕液主要有兩種：乙二胺，鄰各向異性腐蝕液主要有兩種：乙二胺，鄰苯二酚和水的混合液（苯二酚和水的混合液（EDPEDP）；）；KOHKOH和水的混合和水的混合液。液。 EDPEDP最適合微機械的加工，其特點是：最適合微機械的加工，其特點是：能進行各向異性腐蝕，可以加工

19、出各種獨特能進行各向異性腐蝕，可以加工出各種獨特點形狀。點形狀。選擇腐蝕性強，適用于選擇腐蝕性強，適用于SiOSiO2 2，SiSi3 3N N4 4，CrCr，AuAu等多種材料作掩膜的腐蝕。等多種材料作掩膜的腐蝕。腐蝕速度和摻雜濃度密切相關(guān)。腐蝕速度和摻雜濃度密切相關(guān)。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心39 KOH KOH的水溶液（有時加入異丙醇），的水溶液（有時加入異丙醇），也是進行各向異性腐蝕的常用溶液，缺點也是進行各向異性腐蝕的常用溶液，缺點是對是對SiOSiO2 2的腐蝕速度較快，腐蝕時要注意的腐蝕速度較快，腐蝕時要注意SiOSiO2 2層的厚度。必要時可使用層的厚度。必要時可使用SiSi3 3N

20、 N4 4作掩膜。作掩膜。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心40KOH各向異性腐蝕例圖各向異性腐蝕例圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心41腐蝕液腐蝕液典型配典型配比比溫度溫度腐蝕速腐蝕速度度(um/min)/腐腐蝕速度比蝕速度比與摻雜的與摻雜的關(guān)系關(guān)系掩膜掩膜HF:HNO3:醋酸醋酸10：30:80ml220.7-31:11017cm-3 腐蝕速腐蝕速度減少度減少50倍倍SiO2(300A/min)25:50:30ml22401:1無關(guān)無關(guān)Si3N49:75:30ml2271:1SiO2(700A/min)KOH（水，（水，異丙醇）異丙醇）40g:100ml851.4400:1摻雜摻雜1020時，時，腐蝕速度腐蝕速度減小減

21、小20倍倍Si3N4SiO2(14A/min)50g:100ml501.0浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心42腐蝕液腐蝕液典型配比典型配比 溫度溫度（）腐蝕速度腐蝕速度(um/min)/腐蝕腐蝕速度比速度比與摻雜與摻雜關(guān)系關(guān)系掩膜掩膜乙二胺：乙二胺：鄰苯二酚：鄰苯二酚：水水(EDP)75ml:120g:240ml1150.7535:1摻硼大摻硼大于于71019cm-3時，時，腐蝕速腐蝕速度減小度減小50倍倍SiO2(2A/min)Si3N4(1A/min)Au,Cr750ml:120g:240ml1151.25各種硅腐蝕液工藝條件和特性各種硅腐蝕液工藝條件和特性浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心43l 腐蝕的速度與摻雜濃度

22、密切相關(guān)，在腐蝕的速度與摻雜濃度密切相關(guān)，在各 向 異 性 腐 蝕 中 ， 重 摻 雜 硼各 向 異 性 腐 蝕 中 ， 重 摻 雜 硼（71019cm3）時，腐蝕速度在）時，腐蝕速度在KOH中減小中減小5100倍，在倍，在EDP中減小中減小250倍。倍。腐蝕速度與低摻雜時的腐蝕速度比近似腐蝕速度與低摻雜時的腐蝕速度比近似為為0。所以假設(shè)腐蝕時間無限長，腐蝕會。所以假設(shè)腐蝕時間無限長，腐蝕會在一定位置處（重?fù)綕舛忍帲┩Ｖ梗@在一定位置處（重?fù)綕舛忍帲┩Ｖ?，這就叫自停止腐蝕。就叫自停止腐蝕。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心44應(yīng)用應(yīng)用：用于體微機械深挖槽工藝，：用于體微機械深挖槽工藝，制作懸臂梁、閥門等結(jié)構(gòu)。

23、制作懸臂梁、閥門等結(jié)構(gòu)。缺點：缺點：重?fù)诫s表面不能再加工電路重?fù)诫s表面不能再加工電路重?fù)綍砭w體缺陷，產(chǎn)生應(yīng)重?fù)綍砭w體缺陷，產(chǎn)生應(yīng)力，影響機械性能。力，影響機械性能。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心45自停止腐蝕工藝示意圖自停止腐蝕工藝示意圖硅襯底硅襯底浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心46自停止腐蝕工藝示意圖自停止腐蝕工藝示意圖硅襯底硅襯底重?fù)脚饏^(qū)重?fù)脚饏^(qū)擴散或擴散或離子注離子注入形成入形成P區(qū)區(qū)浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心47自停止腐蝕工藝示意圖自停止腐蝕工藝示意圖硅襯底硅襯底重?fù)脚饏^(qū)重?fù)脚饏^(qū)掩膜掩膜背面背面生長生長掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心48自停止腐蝕工藝示意圖自停止腐蝕工藝示意圖硅襯底硅襯底重?fù)脚饏^(qū)重?fù)脚饏^(qū)掩膜掩

24、膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心49自停止腐蝕工藝示意圖自停止腐蝕工藝示意圖硅襯底硅襯底重?fù)脚饏^(qū)重?fù)脚饏^(qū)掩膜掩膜自停止自停止腐蝕腐蝕浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心50Pt硅片硅片電化學(xué)腐蝕工藝和自停止腐蝕電化學(xué)腐蝕工藝和自停止腐蝕工藝相反，電化學(xué)腐蝕用來工藝相反，電化學(xué)腐蝕用來腐蝕重?fù)降囊r底，留下輕摻雜腐蝕重?fù)降囊r底，留下輕摻雜的外延層，這樣可以加工出和的外延層，這樣可以加工出和自停止腐蝕相同的結(jié)構(gòu)，自停止腐蝕相同的結(jié)構(gòu)，而避免了自停止工藝的缺點。而避免了自停止工藝的缺點。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心51電化學(xué)腐蝕示意圖電化學(xué)腐蝕示意圖重?fù)揭r底重?fù)揭r底浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心52電化學(xué)腐蝕示意圖電化學(xué)腐蝕示意圖重?fù)揭r底重?fù)揭r底輕摻外

25、延輕摻外延浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心53電化學(xué)腐蝕示意圖電化學(xué)腐蝕示意圖重?fù)揭r底重?fù)揭r底輕摻外延輕摻外延掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心54電化學(xué)腐蝕示意圖電化學(xué)腐蝕示意圖重?fù)揭r底重?fù)揭r底輕摻外延輕摻外延掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心55Pt 重?fù)揭r底重?fù)揭r底輕摻外延輕摻外延掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心56電化學(xué)腐蝕示意圖電化學(xué)腐蝕示意圖重?fù)揭r底重?fù)揭r底輕摻外延輕摻外延掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心57l干法刻蝕干法刻蝕:利用等離子體刻蝕作用進行圖利用等離子體刻蝕作用進行圖形轉(zhuǎn)移稱為干法刻蝕。形轉(zhuǎn)移稱為干法刻蝕。l其最主要的優(yōu)點是其各向異性的刻蝕。其最主要的優(yōu)點是其各向異性的刻蝕。與一般的濕法刻蝕相比，干法刻蝕基本與

26、一般的濕法刻蝕相比，干法刻蝕基本沒有側(cè)向掏蝕、鉆蝕現(xiàn)象，適用的基底沒有側(cè)向掏蝕、鉆蝕現(xiàn)象，適用的基底材料范圍更大，控制精度更高。材料范圍更大，控制精度更高。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心58加工材加工材料（料（M）刻蝕用氣刻蝕用氣體體刻蝕速率刻蝕速率（A/min)刻蝕選擇性刻蝕選擇性M/膠膠 M/Si M/SiO2多晶硅多晶硅Cl250080052530SiO2CF4+H2500520SiSF6+Cl21000-4500580干法刻蝕工藝參數(shù)干法刻蝕工藝參數(shù)浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心59DRIE加工例圖加工例圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心60l干法刻蝕的側(cè)向腐蝕小，故刻蝕出來的干法刻蝕的側(cè)向腐蝕小，故刻蝕出來的槽陡直?？梢?/p>

27、進行大縱深圖形的加工。槽陡直?？梢赃M行大縱深圖形的加工。l濕法腐蝕側(cè)向腐蝕明顯濕法腐蝕側(cè)向腐蝕明顯,可以制作出非陡可以制作出非陡直結(jié)構(gòu)。直結(jié)構(gòu)。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心61RIE各向異性刻蝕效果圖各向異性刻蝕效果圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心62硅濕法鏡面腐蝕圖硅濕法鏡面腐蝕圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心63l在晶片上生長一層與襯底同晶向材料的在晶片上生長一層與襯底同晶向材料的過程就叫外延。過程就叫外延。l外延分為：氣相外延和掖相外延兩種。外延分為：氣相外延和掖相外延兩種。微機械工藝中，多使用氣相外延。方法微機械工藝中，多使用氣相外延。方法是：是：LPCVDl用途：生長多晶硅。用于硅表面微機械。用途：生長多晶硅。用于硅

28、表面微機械。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心64多晶硅外延反應(yīng)方程式：多晶硅外延反應(yīng)方程式：SiH4=Si+2H2 (580C 熱分解熱分解)典型生長速度：典型生長速度：100A/min 630C多晶硅組分：由許多微小的單晶晶粒組成，晶多晶硅組分：由許多微小的單晶晶粒組成，晶粒大小決定了多晶硅表面的粗糙度。晶粒結(jié)果粒大小決定了多晶硅表面的粗糙度。晶粒結(jié)果會隨溫度的變化而改變。會隨溫度的變化而改變。影響晶粒生長的因素：應(yīng)力、晶粒邊界和雜質(zhì)影響晶粒生長的因素：應(yīng)力、晶粒邊界和雜質(zhì)浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心65l摻雜工藝是摻雜工藝是IC生產(chǎn)的常用工藝。為了得到所希生產(chǎn)的常用工藝。為了得到所希望的特性，如電阻率，把雜質(zhì)摻如

29、單晶中，這望的特性，如電阻率，把雜質(zhì)摻如單晶中，這就是摻雜。有就是摻雜。有P、N兩種雜質(zhì)。兩種雜質(zhì)。l對于硅，對于硅，P型雜質(zhì)有：型雜質(zhì)有：B,Al,As N型雜質(zhì)有：型雜質(zhì)有：P ,Ga ,Te等等l摻雜的方法有：熔體摻雜、外延生長摻雜、擴摻雜的方法有：熔體摻雜、外延生長摻雜、擴散摻雜和離子注入等。散摻雜和離子注入等。l外延生長摻雜：即在外延生長的時，材料生長外延生長摻雜：即在外延生長的時，材料生長氣體和包含雜質(zhì)的氣體同時進入反應(yīng)室，通過氣體和包含雜質(zhì)的氣體同時進入反應(yīng)室，通過控制氣體組分來控制摻雜濃度?？刂茪怏w組分來控制摻雜濃度。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心66擴散摻雜工藝擴散摻雜工藝：在高溫條件下

30、，對雜質(zhì)形成：在高溫條件下，對雜質(zhì)形成濃度梯度，使得雜質(zhì)原子在晶格中遷移，最濃度梯度，使得雜質(zhì)原子在晶格中遷移，最終形成穩(wěn)定的雜質(zhì)濃度分布的過程。終形成穩(wěn)定的雜質(zhì)濃度分布的過程。擴散分為：擴散分為：1. 按雜質(zhì)分布曲線，分為表面源擴散和恒定源按雜質(zhì)分布曲線，分為表面源擴散和恒定源擴散兩種。分別對應(yīng)于不同的擴散方程和曲擴散兩種。分別對應(yīng)于不同的擴散方程和曲線。這二者結(jié)合為兩步擴散法。線。這二者結(jié)合為兩步擴散法。2. 按摻雜源的不同，可分為：固相源擴散、液按摻雜源的不同，可分為：固相源擴散、液相源擴散和氣相源擴散三種。分別對應(yīng)于不相源擴散和氣相源擴散三種。分別對應(yīng)于不同的擴散系統(tǒng)。同的擴散系統(tǒng)。浙

31、江大學(xué)微系統(tǒng)中心67離子注入摻雜離子注入摻雜：將雜質(zhì)以離子的形式加速：將雜質(zhì)以離子的形式加速到很高的能量，打入到晶片內(nèi)，實現(xiàn)雜質(zhì)的摻到很高的能量，打入到晶片內(nèi)，實現(xiàn)雜質(zhì)的摻入。入。離子注入的優(yōu)點是加工效率高，加工時間短。離子注入的優(yōu)點是加工效率高，加工時間短。缺點也很明顯：離子能量大，使晶格損傷，產(chǎn)缺點也很明顯：離子能量大，使晶格損傷，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這對微機械加工來說是致命的；結(jié)生內(nèi)應(yīng)力，這對微機械加工來說是致命的；結(jié)深控制難度大；注入的離子不能激活，還要經(jīng)深控制難度大；注入的離子不能激活，還要經(jīng)過高溫退火過程。過高溫退火過程。應(yīng)用：在微機械加工中，通常使用擴散法進行應(yīng)用：在微機械加工中，通常使

32、用擴散法進行摻雜。摻雜。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心68l鍵合工藝是微機械的特殊工藝，它是將鍵合工藝是微機械的特殊工藝，它是將玻璃與金屬、半導(dǎo)體或半導(dǎo)體之間不用玻璃與金屬、半導(dǎo)體或半導(dǎo)體之間不用任何粘接劑直接封接在一起，鍵合界面任何粘接劑直接封接在一起，鍵合界面有良好的氣密性和長期穩(wěn)定性。有良好的氣密性和長期穩(wěn)定性。 l鍵合工藝分為硅硅鍵合、硅和玻璃鍵合鍵合工藝分為硅硅鍵合、硅和玻璃鍵合等。等。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心69硅硅鍵合過程：硅硅鍵合過程：硅片拋光硅片拋光硅片清洗硅片清洗硅片貼緊硅片貼緊高溫退火高溫退火浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心70l1平整度的問題平整度的問題l2 清洗問題清洗問題l3 對位問題對位問題浙江

33、大學(xué)微系統(tǒng)中心71l又稱靜電鍵合、場助鍵合。又稱靜電鍵合、場助鍵合。l原理是硅片接正極，玻璃接負(fù)極，硅片和玻璃原理是硅片接正極，玻璃接負(fù)極，硅片和玻璃緊密貼緊，并對硅和玻璃加熱。這樣，玻璃中緊密貼緊，并對硅和玻璃加熱。這樣，玻璃中對對Na離子在外電壓的作用下向負(fù)極方向移動，離子在外電壓的作用下向負(fù)極方向移動，在緊鄰硅片對玻璃表面形成幾個微米寬的耗盡在緊鄰硅片對玻璃表面形成幾個微米寬的耗盡層。耗盡層帶負(fù)電，硅片帶正電，所以硅和玻層。耗盡層帶負(fù)電，硅片帶正電，所以硅和玻璃間產(chǎn)生靜電吸引，在一定溫度下，硅和玻璃璃間產(chǎn)生靜電吸引，在一定溫度下，硅和玻璃間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵，主要是間發(fā)生化學(xué)

34、反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵，主要是Si-O鍵，使硅和玻璃間形成穩(wěn)固的封接。鍵，使硅和玻璃間形成穩(wěn)固的封接。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心72硅與玻璃鍵合示意圖硅與玻璃鍵合示意圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心73l目前靜電鍵合理論認(rèn)為在界面處發(fā)生了目前靜電鍵合理論認(rèn)為在界面處發(fā)生了如下的電化反應(yīng)：如下的電化反應(yīng)：陽極陽極 硅面：硅面：Si2H2O=SiO2+4H+4e Si+O-Si-OH=Si-O-Si+h+e 玻璃表面：玻璃表面：Na2O=2Na+0.5O2+2e N2O+H+=2Na+OH-陰極：玻璃表面：陰極：玻璃表面：Na+eNa浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心74l1. 鍵合材料的表面平整度鍵合材料的表面平整度l2. 鍵合材

35、料熱膨脹特性鍵合材料熱膨脹特性l3. 鍵合溫度鍵合溫度l4. 鍵合工作電壓鍵合工作電壓l5. 電極形狀電極形狀浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心75l微機械按加工方式可分為微機械按加工方式可分為:體微機械和多體微機械和多晶硅表面微機械。晶硅表面微機械。l體微機械的特點是：用刻蝕技術(shù)對硅進體微機械的特點是：用刻蝕技術(shù)對硅進行各項同性、異性挖槽。行各項同性、異性挖槽。l多晶硅表面微機械的特點是：用多晶硅表面微機械的特點是：用CVD法法在硅表面外延多晶硅和淀積犧牲層。在硅表面外延多晶硅和淀積犧牲層。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心76l懸臂梁的制作可分為體硅腐蝕和表面生懸臂梁的制作可分為體硅腐蝕和表面生長兩種。長兩種。浙江大學(xué)微

36、系統(tǒng)中心77體硅腐蝕制作懸臂梁工藝流程圖體硅腐蝕制作懸臂梁工藝流程圖硅襯底硅襯底SiO2掩膜掩膜光刻膠光刻膠光刻版光刻版生長生長SiO2掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心78硅襯底硅襯底SiO2掩膜掩膜光刻膠光刻膠光刻版光刻版浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心79懸臂梁光刻版懸臂梁光刻版浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心80硅襯底硅襯底SiO2掩膜掩膜光刻膠光刻膠光刻版光刻版腐蝕腐蝕SiO2層層浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心81硅襯底硅襯底SiO2掩膜掩膜光刻膠光刻膠光刻版光刻版各項同性腐蝕出懸臂梁各項同性腐蝕出懸臂梁浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心82硅襯底硅襯底SiO2掩膜掩膜光刻膠光刻膠光刻版光刻版去處去處SiO2掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心83體硅腐蝕

37、加工懸臂梁結(jié)構(gòu)體硅腐蝕加工懸臂梁結(jié)構(gòu)浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心84多晶硅表面加工懸臂梁流程圖多晶硅表面加工懸臂梁流程圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心85硅襯底硅襯底絕緣層絕緣層多晶硅多晶硅犧牲層犧牲層生長絕緣層生長絕緣層浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心86硅襯底硅襯底絕緣層絕緣層多晶硅多晶硅犧牲層犧牲層生長犧牲層生長犧牲層浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心87硅襯底硅襯底絕緣層絕緣層多晶硅多晶硅犧牲層犧牲層第一次光刻：光刻錨點第一次光刻：光刻錨點浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心88錨點光刻版圖錨點光刻版圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心89硅襯底硅襯底絕緣層絕緣層多晶硅多晶硅犧牲層犧牲層濕法腐蝕出錨點位置濕法腐蝕出錨點位置浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心90硅襯底硅襯底絕緣層絕緣層多

38、晶硅多晶硅犧牲層犧牲層第二次光刻：光刻墊子第二次光刻：光刻墊子浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心91墊子光刻版圖墊子光刻版圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心92硅襯底硅襯底絕緣層絕緣層多晶硅多晶硅犧牲層犧牲層腐蝕出墊子的位置腐蝕出墊子的位置浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心93硅襯底硅襯底絕緣層絕緣層多晶硅多晶硅犧牲層犧牲層LPCVD生長多晶硅生長多晶硅浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心94懸臂梁光刻版圖懸臂梁光刻版圖浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心95硅襯底硅襯底絕緣層絕緣層多晶硅多晶硅犧牲層犧牲層第三次光刻：光刻懸臂梁圖形第三次光刻：光刻懸臂梁圖形浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心96硅襯底硅襯底絕緣層絕緣層多晶硅多晶硅犧牲層犧牲層完整的懸臂梁拋面圖完整的懸臂梁拋面圖浙江大學(xué)微系

39、統(tǒng)中心97l微閥是一種執(zhí)行器。閥門開啟和關(guān)閉受微閥是一種執(zhí)行器。閥門開啟和關(guān)閉受控于信息處理單元。加工中要用到鍵合控于信息處理單元。加工中要用到鍵合工藝。工藝。浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心98微閥制作工藝流程微閥制作工藝流程硅硅浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心99硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心100硅硅加熱電阻加熱電阻光刻版光刻版光刻膠光刻膠第一次光刻：光刻腔體第一次光刻：光刻腔體浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心101硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心102硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心103硅硅浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心104硅硅加熱電阻加熱電阻背面淀積金屬背面淀積金屬浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心105硅硅加熱電阻加熱電阻光刻版光刻版光刻膠光刻膠第二

40、次光刻：光刻加熱電阻圖形第二次光刻：光刻加熱電阻圖形浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心106硅硅加熱電阻加熱電阻光刻膠光刻膠浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心107硅硅加熱電阻加熱電阻刻蝕加熱電阻圖形刻蝕加熱電阻圖形浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心108硅硅加熱電阻加熱電阻掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心109硅硅加熱電阻加熱電阻掩膜掩膜光刻膠光刻膠第三次光刻：光刻進口第三次光刻：光刻進口浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心110硅硅加熱電阻加熱電阻掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心111硅硅加熱電阻加熱電阻掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心112硅硅加熱電阻加熱電阻掩膜掩膜微閥上半部加工完成微閥上半部加工完成浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心113硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心114硅硅掩膜

41、掩膜光刻版光刻版第四次光刻：光刻閥門第四次光刻：光刻閥門浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心115硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心116硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心117硅硅浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心118硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心119硅硅掩膜掩膜光刻版光刻版第五次光刻：光刻通道第五次光刻：光刻通道浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心120硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心121硅硅加熱電阻加熱電阻浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心122硅硅加熱電阻加熱電阻掩膜掩膜背部淀積背部淀積浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心123硅硅掩膜掩膜光刻版光刻版第六次光刻：光刻出口第六次光刻：光刻出口浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心124硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心125硅硅掩膜掩膜浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心126硅硅浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心127硅硅加熱電阻加熱電阻硅硅鍵合硅硅鍵合INOUT浙江大學(xué)微系統(tǒng)中心128l微馬達(dá)是典型