硅微加工工藝

硅微加工工藝第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一硅微MEMS發(fā)展里程碑1987年UCBerkeley在硅片上制造出靜電電機90年代初ADI公司研制出低成本集成硅微加速度傳感器，用于汽車氣囊。90年代末期美國Sandia實驗室發(fā)表5層多晶硅工藝。第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一硅微MEMS工藝發(fā)展趨勢表面犧牲層技術(shù)向多層、集成化方向發(fā)展；體硅工藝主要表現(xiàn)為鍵合與深刻蝕技術(shù)的組合，追求大質(zhì)量塊和低應力；表面工藝與體硅工藝進一步結(jié)合；設(shè)計手段向?qū)Ｓ肅AD工具方向發(fā)展。第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一硅微MEMS工藝主要手段第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一MEMS與IC工藝主要差別第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一典型硅微MEMS工藝體硅腐蝕犧牲層技術(shù)雙面光刻自停止腐蝕深槽技術(shù)LIGA技術(shù)鍵合技術(shù)第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一體硅各向異性腐蝕技術(shù)各向異性(Anisotropy)各向異性腐蝕液通常對單晶硅(111)面的腐蝕速率與(100)面的腐蝕速率之比很大，因為：(111)面有較高的原子密度，水分子容易附著在(111)面上；(100)面每個原子具有兩個懸掛鍵，而(111)面每個原子只有一個懸掛鍵，移去(111)面的原子所需的能量比(100)面要高。第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一體硅各向異性腐蝕是利用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+，而羥基OH-與Si+形成可溶解的硅氫氧化物的過程。第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一各向異性腐蝕計算設(shè)計公式：a是腐蝕后坑底的邊長，b是掩膜版上窗口的邊長，d是腐蝕深度，=54.74，是(100)面和(111)面的夾角。是各向異性比，R(100)和R(100)分別是腐蝕液對(100)面和(111)面的腐蝕速率，和腐蝕液的種類及腐蝕條件有關(guān)。腐蝕窗口短邊存在最小尺寸：第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一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10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一EPW腐蝕條件腐蝕溫度：115℃左右反應容器在甘油池內(nèi)加熱，加熱均勻；防止乙二胺揮發(fā)，冷凝回流；磁裝置攪拌，保證腐蝕液均勻；在反應時通氮氣加以保護。掩膜層：用SiO2，厚度4000埃以上。第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一腐蝕設(shè)備第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一影響腐蝕質(zhì)量因素腐蝕液成分新舊腐蝕液試劑重復性溫度保護攪拌第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一犧牲層技術(shù)屬硅表面加工技術(shù)。是加工懸空和活動結(jié)構(gòu)的有效途徑。采用此種方法可無組裝一次制成具有活動部件的微機械結(jié)構(gòu)。犧牲層材料第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一影響犧牲層腐蝕的因素犧牲層厚度腐蝕孔陣列塌陷和粘連及防止方法酒精、液態(tài)CO2置換水；依靠支撐結(jié)構(gòu)防止塌陷。第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一典型犧牲層腐蝕工藝)氧化，做體硅腐蝕掩膜層；)光刻氧化層，開體硅腐蝕窗口；)體硅腐蝕出所需底層結(jié)構(gòu)；)去除SiO2；)生長或淀積犧牲層材料；)光刻犧牲層材料成所需結(jié)構(gòu)；)生長結(jié)構(gòu)材料；)光刻結(jié)構(gòu)材料；)犧牲層腐蝕，釋放結(jié)構(gòu)層；)防粘結(jié)處理。第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一自停止腐蝕技術(shù)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”。腐蝕速率經(jīng)驗公式：Ri為低速區(qū)的腐蝕速率，N0為閾值濃度，NB為摻雜濃度，a與腐蝕液的種類有關(guān)，用EPW腐蝕可取4。第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一自停止腐蝕典型工藝流程第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一雙面光刻MEMS器件的結(jié)構(gòu)一般是平面化的三維結(jié)構(gòu)，很多器件兩面都有結(jié)構(gòu)或圖形，而且有對準要求，需要雙面光刻。設(shè)備：投影雙面光刻機或紅外雙面光刻機。第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一雙面光刻制版問題兩面圖形不同考慮鏡向問題第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一雙面光刻制版問題兩面圖形相同子圖形呈中心對稱分布子圖形不左右對稱分布，且兩面的圖形上下反對稱分布，則整個硅片上所有芯片的圖形應該都是從左向右或從右向左的；子圖形不左右對稱分布，且兩面的圖形上下對稱分布，則硅片上左右兩半邊的芯片圖形應該是反向分布的，都指向中心或背向中心。第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一針孔問題流程1（出現(xiàn)針孔）：熱氧化SiO2，LPCVDSi3N4；背面光刻，腐蝕Si3N4和SiO2；正面光刻，腐蝕Si3N4和SiO2；)體硅腐蝕。流程2（不出現(xiàn)針孔）：熱氧化SiO2，LPCVDSi3N4；背面光刻，腐蝕Si3N4，不去膠；正面光刻，腐蝕Si3N4和SiO2，去膠；體硅腐蝕。第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一凸角腐蝕補償凸角腐蝕是指在硅島或硅梁的腐蝕成型過程中，凸角部分被腐蝕掉的現(xiàn)象，體硅各向異性腐蝕時經(jīng)常出現(xiàn)，這是因為對(100)晶面的硅片體硅腐蝕時，凸角的邊緣與[110]方向平行，而腐蝕液對此方向的腐蝕速度較快。若要腐蝕出帶凸角的整齊的臺面結(jié)構(gòu)，必須采取凸角補償。第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一凸角腐蝕補償相關(guān)尺寸補償角及補償島第24頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一凸角腐蝕補償重