第三章 MEMS制造技術(shù)-1

第三章

MEMS制造技術(shù)3.1集成電路基本制造技術(shù)3.2體微加工技術(shù)3.3表面微加工技術(shù)3.4其他微加工技術(shù)內(nèi)容提要簡介集成電路簡史集成電路制造概述MEMS制造概述集成電路與MEMS制造比較集成電路簡史電子技術(shù)的發(fā)展是以電子器件的發(fā)展而發(fā)展起來的。電子器件的發(fā)展，歷經(jīng)近百年，經(jīng)歷了四個階段的更新?lián)Q代：電子管晶體管集成電路超大規(guī)模集成電路歷次變革都引發(fā)了電子技術(shù)和信息技術(shù)的革命。以下為電子器件發(fā)展年表：1906年：第一只電子管誕生1912年前后：電子管的制造日趨成熟引發(fā)了無線電技術(shù)的發(fā)展1918年前后：逐步發(fā)現(xiàn)了有一類半導(dǎo)體材料1920年：發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料所具有的光敏特性集成電路簡史1924年：發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體與金屬接觸時具有的整流特性1932年前后：運用量子學(xué)說建立了能帶理論研究半導(dǎo)體現(xiàn)象。1940年：對半導(dǎo)體的理性研究有文章成果發(fā)表1943年：研制出硅點接觸整流二極管-美國貝爾實驗室1943年前后：電子管已成為電信息處理和傳輸設(shè)備的主體1945年：第一臺[電子管電子數(shù)字積分計算機（ENIAC）]誕生集成電路簡史1947年12月：肖克萊和巴登等人發(fā)明半導(dǎo)體鍺點接觸三極管1948年：提出半導(dǎo)體的PN結(jié)理論并制成硅結(jié)型晶體三極管1955年：硅結(jié)形場效應(yīng)晶體管問世1956年：硅臺面晶體管問世1956年：肖克萊因在半導(dǎo)體領(lǐng)域的系列成就獲諾貝爾獎1956年：肖克萊半導(dǎo)體實驗室成立1957年：美國仙童半導(dǎo)體公司成立（由肖克萊半導(dǎo)體實驗室解體而成）Intel公司總裁葛洛夫為仙童半導(dǎo)體公司的創(chuàng)始人之一集成電路簡史1958年：超高頻硅微波晶體管問世1959年：提出汽相制備單晶硅晶層的設(shè)想并或成功1959年：硅與鍺等主要半導(dǎo)體材料的氧化物特性數(shù)據(jù)1959年：德州儀器建成世界第一條集成電路生產(chǎn)線1960年：發(fā)明以硅外延平面結(jié)構(gòu)為架構(gòu)模式的晶體管制造技術(shù)，被后人稱為硅外延平面工藝技術(shù)。該技術(shù)雖經(jīng)不斷完善，但其思路的實質(zhì)未變，沿用至今。該技術(shù)解決了此前無法解決的晶體管性能上的若干矛盾，為晶體管由分立的模式集成電路制造概述超凈間(Cleanroom)亦稱為無塵室或清凈室?！俺瑑糸g”是指將一定空間范圍內(nèi)之空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等之污染物排除，并將室內(nèi)之溫度、潔凈度、室內(nèi)壓力、氣流速度與氣流分布、噪音振動及照明、靜電控制在某一需求范圍內(nèi)，而所給予特別設(shè)計之房間。亦即是不論外在之空氣條件如何變化，其室內(nèi)均能俱有維持原先所設(shè)定要求之潔凈度、溫濕度及壓力等性能之特性。超凈間最主要之作用在于控制產(chǎn)品(如硅芯片等)所接觸之大氣的潔凈度日及溫濕度，使產(chǎn)品能在一個良好之環(huán)境空間中生產(chǎn)、制造，此空間我們稱之為“超凈間”。超凈間(Cleanroom)按用途分類（可分為兩大類）工業(yè)超凈間以無生命微粒的控制為對象。主要控制空氣塵埃微粒對工作對象的污染，內(nèi)部一般保持正壓狀態(tài)。它適用于精密機械工業(yè)、電子工業(yè)（半導(dǎo)體、集成電路等）宇航工業(yè)、高純度化學(xué)工業(yè)、原子能工業(yè)、光磁產(chǎn)品工業(yè)（光盤、膠片、磁帶生產(chǎn)）LCD（液晶玻璃）、電腦硬盤、電腦磁頭生產(chǎn)等多行業(yè)。生物超凈間主要控制有生命微粒（細菌）與無生命微粒（塵埃）對工作對象的污染。超凈間構(gòu)成超凈間并非簡單的凈化環(huán)境，還需要配合過渡間1（更衣間）、過渡間2，風(fēng)淋室、工作間1、工作間2和傳遞間等。潔凈度標(biāo)準(zhǔn)：每立方米體積內(nèi)大于0.5微米顆粒數(shù)的平均值作為評判標(biāo)準(zhǔn)，具體級別劃分如下MEMS制造概述典型MEMS器件加速度傳感器(ASXL202Accelerometer)平面工藝＋3Dtechnology基礎(chǔ)電路與MEMS制造比較集成電路領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟集成電路制造技術(shù)成熟、標(biāo)準(zhǔn)化高層次設(shè)計工具設(shè)計與制造完全分立MEMS遠未成熟沒有標(biāo)準(zhǔn)的MEMS制造技術(shù)沒有高層次設(shè)計工具設(shè)計任何一個簡單的MEMS器件，都需要對制造有深入的理解MEMS發(fā)展的主要限制在于制造Andsowebegin…集成電路制造程序3.1集成電路基本制造技術(shù)測

試

切

割

刻

蝕

光刻薄膜制備掩膜制造摻

雜

封

裝

硅片集成電路制造程序

分單晶硅、多晶硅和非晶硅。單晶硅具有優(yōu)良的物理性質(zhì)，其機械穩(wěn)定性能良好，滯后和蠕變極小，質(zhì)量輕，密度小。力學(xué)性能好，具有高的強度密度比和高的剛度密度比。表3.1各向異性：硅屬于立方晶體結(jié)構(gòu)。硅單晶在晶面上的原子密度是以（111）>（110）>（100）的次序遞減，因此擴散速度是以（111）<（110）<（100）方向遞增.腐蝕速度也是以（111）<（110）<（100）的順序而增加3.1.1集成電路使用的材料硅材料多晶硅單晶硅是指整個晶體內(nèi)原子都是周期性的規(guī)則排列,而多晶是指在晶體內(nèi)各個局部區(qū)域里原子是周期性的規(guī)則排列,但不同局部區(qū)域之間原子的排列方向并不相同。因此多晶體也看作是由許多取向不同的小單晶體組成的，如圖所示。

多晶硅薄膜具有與單晶硅相近的敏感特性、機械特性，它在微機械加工技術(shù)中多用于作為中間加工層材料。在工藝上可與單晶硅工藝相容，又能進行精細加工，而且還可以根據(jù)器件的需要充當(dāng)絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體。隨著單晶硅園片直徑越來越大，制造集成電路會出現(xiàn)以下問題（1）硅片電參數(shù)徑向均勻性質(zhì)差（2）硅片平整度的問題（3）采用低溫加工環(huán)境硅片制造單晶生長

工業(yè)上使用的單晶爐，普遍采用石墨電阻加熱式單晶爐。其組成部分有爐腔部分、提升機構(gòu)，氣參控制、電子控制和電源。拉晶過程中必須在真空或高純惰性氣氛中進行，以免熔硅和石墨在高溫下氧化?？晒┻x擇的惰性氣體有氦或氬。拉晶過程

位錯通過懸掛鏈和應(yīng)力場的作用，直接影響載流子的傳導(dǎo)過程，因此集成電路制造中應(yīng)當(dāng)采用無位錯或少位錯的硅單晶。從單晶硅錠到硅片拋光需要經(jīng)過多次機械加工和化學(xué)腐蝕，表面拋光以及清洗，檢測和若干其他輔助工藝。（1）晶向測定

在籽晶切割，定位面研磨和切片操作之前，需要進行定向，使晶向及其偏差范圍符合工藝規(guī)范要求，用X射線衍射定向法測定。（2）機械加工

單晶硅外形整理，切割分段，外圓滾磨和定位面研磨等，然后進行切片。對于大直徑單晶硅，應(yīng)使用帶式切割機切斷。硅片制備（3）切片切片是硅片制備中重要工序，其四個重要工藝參數(shù)，即晶向、原度、平行度、翹度。拋光是硅片表面的最后一次重要加工，也是精細的表面加工，拋光后的硅片表面應(yīng)當(dāng)是結(jié)凈的，無加工傷痕的，平整的和鏡面光滑的。

光刻工藝是一種圖象復(fù)印同刻蝕(化學(xué)的、物理的、或兩者兼而有之)相結(jié)合的綜合性技術(shù)。它先用照相復(fù)印的方法，將光刻掩模的圖形精確地復(fù)印到涂在待刻蝕材料（二氧化硅、鋁、多晶硅等薄層）表面的光致抗蝕劑（亦稱光刻膠）上面，然后在抗蝕劑的保護下對待刻材料進行選擇性刻蝕，從而在待刻蝕材料上得到所需要的圖形。3.1.2光刻工藝在光刻工藝中使用的光刻膠有兩大類：一類叫負性光刻膠，其未感光部分能被適當(dāng)?shù)娜軇┤艹?，而感光的部分則留下，所得的圖形與光刻掩模圖形相反；另一類叫正性光刻膠，其感光部分能被適當(dāng)?shù)娜軇┤艹粝挛锤泄獾牟糠郑玫膱D形與光刻掩模圖形相同。采用負性光刻膠制作圖形是一種人們熟知而且容易控制的工藝。其涂層對環(huán)境因素不那么靈敏，且具有很高的感光速度，極好的粘附性和搞蝕能力，成本低，適用于工業(yè)化大生產(chǎn)。目前刻蝕5m左右線條主要使用負性光刻膠。負性光刻膠的主要缺點是分辨率較低，不適于細線條光刻。

表面處理涂膠前烘曝光顯影后烘腐蝕除膠光刻膠的性能指標(biāo)有感光度、分辨率、粘附性、抗蝕性、針孔密度、留膜率、穩(wěn)定性等。根據(jù)待加工材料的性質(zhì)，加工圖形的線寬及精度要求，曝光方式、腐蝕方法等正確選用光刻膠。(1)感光度感光度是表征光刻膠對光線敏感程度的性能指標(biāo)。它既與光刻膠本身的性質(zhì)有關(guān)，又與具體的光刻工藝條件有關(guān)光刻膠的主要性能（2）分辨率分辨率是光刻膠的又一項重要性能指標(biāo)，它是指用某種光刻膠光刻時所能得到的光刻圖形的最小尺寸。分辨率通常以每毫米內(nèi)能刻蝕出可分辨的最多線條數(shù)目來表示。（3）粘附性（4）抗蝕性濕法刻蝕二氧化硅或金屬時，要求光刻膠本身能較長時間經(jīng)受住酸、堿的浸蝕；干法刻蝕時，要求光刻膠能較長時間經(jīng)受住等離子體的作用。（5）針孔密度單位面積上的針孔數(shù)稱為針孔密度。光刻膠膜上的針孔在腐蝕過程中會傳遞到襯底上去，危害極大。（6）留膜率留膜率是指曝光顯影后的非溶性膠膜厚度與曝光前膠膜厚度之比。留膜率除與光刻膠本身的性質(zhì)有關(guān)外，還受光刻工藝條件的影響。如膠膜厚度、前烘溫度、曝光氣氛、曝光量、顯影液成分等在硅片上制作器件或電路時，為進行定域摻雜與互連等，需要進行多次光刻，各次光刻的工藝條件略有差異，但一般都要經(jīng)過涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘、刻蝕和去膠7個步驟。襯底材料對光刻工藝的影響襯底材料的表面清潔度，表面性質(zhì)和平面度對光刻質(zhì)量均有影響。光刻工藝增粘處理二氧化硅是主要的刻蝕對象。由于光刻膠與襯底之間的粘附力大小對光刻質(zhì)量有極大影響，所以改善二氧化硅表面性質(zhì)的處理方法，會提高粘附力涂膠

涂膠就是將光刻膠均勻地涂敷在硅片的表面，其質(zhì)量要求：膜厚符合設(shè)計要求，膜厚均勻，膠面上看不到干涉花紋。負膠的片內(nèi)膜厚誤差應(yīng)小于5%，正膠應(yīng)小于2%；膠層內(nèi)無點缺陷；涂層表面沒有塵埃碎屑。對位與曝光

對位與曝光是光刻工藝中最關(guān)鍵的工序，它直接關(guān)系到光刻的分辨率、留膜率、條寬控制和套準(zhǔn)精度。曝光的目的是用盡可能短的時間使光刻膠充分感光，在顯影后得到盡可能高的留膜率，近似于垂直的光刻膠側(cè)壁和可控的條寬。一般情況下，正膠和負膠顯影后的側(cè)壁形狀都是梯形，正膠的側(cè)壁較負膠的側(cè)壁要陡直得多。曝光時間越長，光的衍射效應(yīng)對光刻膠側(cè)壁的影響越嚴(yán)重。除了曝光量以外，光刻膠的膜厚，襯底的反射，膠膜和掩模之間的間距，以及顯影條件等因素都會影響條寬變化量。

顯影

顯影是用溶濟除去未曝光部分（負膠）或曝光部分（正膠）的光刻膠，在硅片上形成所需的光刻膠圖形。影響顯影質(zhì)量的因素顯影液與分辨率對于負膠細線條（<5μm）光刻來說，顯影時光刻膠的膨脹是影響成象分辨率和線寬的主要原因。與負膠相比正膠顯影液是含水的堿性溶液。它對光刻膠的滲透作用較小。未曝光部分的光刻膠不發(fā)生化學(xué)變化，表面仍呈疏水性。顯影液對它的作用很小，因此正膠顯影不存在光刻膠的膨脹問題，使正膠的分辨率可以做得很高。因此正膠廣泛用微細加工。后烘后烘的目的是去除顯影后膠層內(nèi)殘留的熔液，充分的后烘可提高光刻膠的粘附力和抗蝕性。后烘又稱堅膜。在一些特殊場合，高溫后烘時產(chǎn)生的塑性流動還可以封閉膠層的微小針孔，或者減小襯底的側(cè)向腐蝕。濕法腐蝕腐蝕是為了去除顯影扣裸露出來的介質(zhì)層。覆蓋在硅片上的介質(zhì)主要有下面幾種，SiO2、Si3N4等絕緣膜，多晶硅等半導(dǎo)體膜以及Al等金屬膜。光刻過程的腐蝕，一般應(yīng)考慮以下六個問題：①腐蝕均勻性；②腐蝕方向性；③腐蝕選擇性；④腐蝕速度；⑤公害和安全措施；⑥經(jīng)濟性。其中最重要的問題是腐蝕方向性與腐蝕選擇性。A．二氧化硅的腐蝕二氧化硅是IC制造中使用最多的一種絕緣介質(zhì)，關(guān)于二氧化硅的濕化學(xué)腐蝕機理及NH4F對腐蝕的“緩沖”作用，許多書中都有敘述。B．氮化硅的腐蝕不含氧的純Si3N4稱為硬氮化硅，含氧與氫等的SiN4稱為軟氮化硅，兩者蝕速不等，前者蝕速比后者小。氫氟酸對Si3N4的腐蝕比二氧化硅慢得多，而磷酸正好與之相反。因此，可以用熱磷酸去除硅和二氧化硅上的Si3N4層。C．多晶硅腐蝕以往多晶硅多半用HF-HNO3-HAC（冰醋酸）的混合液進行腐蝕，由于腐蝕終點難于控制，腐蝕質(zhì)量不佳，現(xiàn)已基本上采用干法腐蝕。D.鋁腐蝕鋁腐蝕液的種類較多，但使用效果最好的是由磷酸、硝酸、冰醋酸與水組成的混合腐蝕液。E.鈍化膜腐蝕IC芯片的鈍化普遍采