mems微機(jī)電系統(tǒng)課件

微光機(jī)電系統(tǒng)機(jī)制班戚二輝主要內(nèi)容1.電子束光刻膠的最新發(fā)展2.MEMS常用材料3..MEMS工藝技術(shù)一、電子束光刻膠最新的電子束光刻膠發(fā)展：美國(guó)道康寧公司電子部（DowCorningElectronics）推出的DowCorning?XR-1541電子束光刻膠。這一新型先進(jìn)的旋涂式光刻膠產(chǎn)品系列是以電子束（electronbeam）取代傳統(tǒng)光源產(chǎn)生微影圖案，可提供圖形定義小至6納米的無(wú)掩模光刻技術(shù)能力。

二、MEMS常用的材料MEMS的材料與加工技術(shù)是MEMS技術(shù)的主要組成部分。MEMS發(fā)源于微電子技術(shù)，其材料仍以硅為主，主要加工技術(shù)則借用了半導(dǎo)體工藝。不過(guò)，由于MEMS的應(yīng)用涉及多個(gè)領(lǐng)域，其材料與加工手段要比集成電路豐富得多。1.結(jié)構(gòu)材料目前，硅是最常用的結(jié)構(gòu)材料，它不僅是性能優(yōu)良的半導(dǎo)體，而且具有優(yōu)良的機(jī)械和電性能，而且加工技術(shù)較為完善。結(jié)構(gòu)用硅材料根據(jù)微觀晶體組成又可分為單晶硅和多晶硅兩類。單晶硅的斷裂強(qiáng)度和硬度比不銹鋼高，而彈性模量與不銹鋼相近，密度卻僅為不銹鋼的1/3。單晶硅的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高，

滯后和蠕變極小，

因而機(jī)械穩(wěn)定性極好。多晶硅是由大量排列和取向無(wú)序的單晶顆粒構(gòu)成的，它一般通過(guò)薄膜技術(shù)淀積在襯底上，機(jī)械性能與單晶硅相近，但性能受工藝影響較大。硅的導(dǎo)熱性較好，硅材料對(duì)多種物理量具有敏感特性。因此，硅是一種十分優(yōu)良的MEMS材料。與一般的金屬材料相比，硅也有一定的特殊性：?jiǎn)尉Ч璧臋C(jī)械特性是各向異性的；呈現(xiàn)一定的脆性，容易以斷裂方式屈服；機(jī)械特性受工藝影響大，例如彈性模量會(huì)隨著摻雜濃度的增加而增加。在加工中，應(yīng)該注意減少硅片表面、邊緣和體內(nèi)缺陷的形成，盡量少用切、磨、拋光等機(jī)械加工；在高溫工藝、多層薄膜的淀積中要盡量減少內(nèi)應(yīng)力的引入；采取一定的表面鈍化、保護(hù)措施等。表面微機(jī)械加工還采用其它結(jié)構(gòu)材料，以獲得可控的殘余應(yīng)力值、楊氏模量、薄膜形態(tài)、硬度、電導(dǎo)率和光反射特性。第一類材料是金屬,包括Al和化學(xué)氣相淀積（CVD）鎢、電鍍鎳、銅等。特別是Al，它具有良好的光反射特性，可用于構(gòu)成微光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（如TexasInstrument的DMD）。此時(shí)，犧牲層材料可以采用氣相淀積的有機(jī)物，如光刻膠、聚酰亞胺、聚對(duì)二甲苯等。第二類材料包括CMOS工藝中制作互連所用的二氧化硅、多晶硅等。釋放可在CMOS工藝后通過(guò)無(wú)掩模的干法刻蝕完成。這些材料的應(yīng)用可以簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路的集成，但機(jī)械特性有一定的限制。第三類材料是氮化硅，這種薄膜的表面比多晶硅表面光滑，可以直接淀積光發(fā)射材料，其張應(yīng)力可以通過(guò)讓薄膜富硅化和在氧化氣氛中退火的辦法來(lái)減小。表1硅及一些材料的機(jī)械性能2.功能材料這是一類有能量變換能力并可以實(shí)現(xiàn)敏感和致動(dòng)（Actuation，也稱為執(zhí)行）功能的材料。功能材料包括各種壓電材料、光敏材料、形狀記憶合金、電流變體、氣敏和生物敏等多種材料。根據(jù)腐蝕劑的相態(tài)，即液相、氣相和等離子態(tài)，可以將體型微機(jī)械加工的腐蝕方法劃分為三種。采用液相腐蝕劑的腐蝕工藝往往又稱為濕法腐蝕，而采用氣相和等離子態(tài)腐蝕劑的腐蝕工藝則稱為干法腐蝕。1.濕法刻蝕濕法化學(xué)腐蝕是最早用于微機(jī)械結(jié)構(gòu)制造的加工方法。所謂濕法腐蝕，就是將晶片置于液態(tài)的化學(xué)腐蝕液中進(jìn)行腐蝕，在腐蝕過(guò)程中，腐蝕液將把它所接觸的材料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)逐步浸蝕溶掉。（1）各向同性腐蝕各向同性腐蝕—各方向上有相同的腐蝕速率作用：去除表面損傷在單晶硅上構(gòu)造結(jié)構(gòu)清洗爐管常用腐蝕劑：HNAHF+HNO3+H2O（HAC）H2O、HAC的作用：稀釋劑或緩沖劑；HAC的作用是控制HNO3的溶解度，在使用時(shí)間內(nèi)使氧化速率保持常數(shù)（H+的固容度一定）不同組分對(duì)腐蝕速率的影響：

HF高、HNO3低:腐蝕速率由HNO3濃度控制.開始階段困難，易變，在一定周期內(nèi)硅表面緩慢生長(zhǎng)氧化層，腐蝕受氧化-還原反應(yīng)控制，趨于依賴晶向.

HF低、HNO3高：腐蝕速率受HF溶解形成的SiO2的速率控制.反應(yīng)有自鈍化特點(diǎn)，表面覆蓋SiO2（30~50A）基本限制來(lái)自去除硅的復(fù)合物腐蝕各向同性、拋光作用(2)各向異性腐蝕各向異性腐蝕—腐蝕速率依賴于單晶晶向

KOH+肼（聯(lián)胺）乙二胺+鄰苯二酚（EDP）沿特定晶向腐蝕對(duì)硅的不同晶面具有不同的腐蝕速率有機(jī)腐蝕劑：

EPW（乙二胺+鄰苯二酚+H2O），聯(lián)胺無(wú)機(jī)腐蝕劑：堿性腐蝕液（KOH，NaOH，LiOH，CsOH，NH4OH）濕法各向異性腐蝕硅片常用的腐蝕液如下：（1）KOH系統(tǒng)。常用KOH、H2O和（CH3）2CHOH（異丙醇，IPA）的混合溶液。其腐蝕反應(yīng)方程式為

在腐蝕過(guò)程中含水硅化物與異丙醇形成可溶解的硅絡(luò)合物離開硅的表面。例如對(duì)于85℃下的KOH（44g/100mL水），腐蝕速率為1.4μm/min，各向異性比（（100）/（111））為400∶1，作為掩模板的Si3N4、SiO2的腐蝕速率為0.14nm/min。

2.干法腐蝕是靠腐蝕劑的氣態(tài)分子與被腐蝕的樣品表面接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)腐蝕功能的。分類：平行電極等離子體刻蝕（PE）反應(yīng)等離子刻蝕(RIE)深反應(yīng)等離子刻蝕（DIRE）離子束刻蝕（IBE）反應(yīng)離子束刻蝕（RIBE）平行電極等離子刻蝕（PE）

PE是比較早期的刻蝕方法，腐蝕氣體分子在高頻電場(chǎng)（標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率13.56MHz）作用下，發(fā)生電離形成輝光放電，產(chǎn)生等離子體，利用離子與薄膜間的化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性物質(zhì)，由真空抽走，達(dá)到刻蝕的目的。這種刻蝕速率較快，但各相異性差。適用于微米級(jí)線寬刻蝕。反應(yīng)等離子刻蝕（RIE）

RIE是在平板式反應(yīng)器(PE)的基礎(chǔ)上使陰極與陽(yáng)極的面積比為2-3：1，加工的硅片放在陽(yáng)極板上，被激勵(lì)的等離子體與陽(yáng)極板表面形成偏壓加速正離子濺射相結(jié)合進(jìn)行刻蝕，反應(yīng)離子刻蝕中以物理濺射為主，兼有化學(xué)腐蝕。

RIE的優(yōu)點(diǎn)：

A.可以容易地開始和結(jié)束，

B.對(duì)硅片上溫度的微小變化不是那么敏感

C.等離子體刻蝕有很高的各向異性高深寬比刻蝕（DRIE）依賴于高密度等離子源以及刻蝕、鈍化工藝交替來(lái)實(shí)現(xiàn)。高密度等離子源產(chǎn)生于電感耦合或ECR可實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)：深寬比：30：1（90±2o）對(duì)膠選擇比：50~100：1對(duì)SiO2選擇比：120~200：1腐蝕速率：2~3微米/分離子束刻蝕速率影響因素A.被刻蝕材料種類B.離子能量C.離子束流密度D.離子束入射角度

IBE相關(guān)刻蝕數(shù)據(jù)

離子能量：350eV離子能量：350eV

由于IBE刻蝕對(duì)材料無(wú)選擇性，對(duì)于那些無(wú)法或者難以通過(guò)化學(xué)研磨、電介研磨難以減薄的材料，可以的通過(guò)IBE來(lái)進(jìn)行減薄。另外，由于離子束能逐層剝離原子層，所以具有的微分析樣品能力，并且可以用來(lái)進(jìn)行精密加工。反應(yīng)離子束刻蝕（RIBE）

RIBE是改進(jìn)的離子束刻蝕（IBE）.它采用加入離子源的氣體代替惰性