硅微加工工藝

1、硅微細(xì)加工工藝,主講：XX 機(jī)械研13-4,2,硅微細(xì)加工工藝,1、硅 2、硅的體微加工技術(shù) 3、硅的表面微加工技術(shù),1、硅,單晶硅是MEMS和微系統(tǒng)采用最廣泛的材料。 單晶硅的特點(diǎn)： a.良好的傳感性能，如光電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等； b.單晶硅的楊氏模量、硬度和抗拉強(qiáng)度與不銹鋼非常接近，但其質(zhì)量密度與鋁相仿； c.非常脆，不能產(chǎn)生塑性變形； d.熱膨脹系數(shù)小，熔點(diǎn)較高； e.硅材料是各向異性的。,4,2、硅的體微加工技術(shù),硅微細(xì)加工（Silicon Micromachining）主要是指以硅材料為基礎(chǔ)制作各種微機(jī)械零部件的加工技術(shù)?？傮w上分為體加工和面加工兩大類。 體加工主要指各種硅刻

2、蝕（腐蝕）技術(shù)，而面加工則指各種薄膜制備技術(shù)。,5,2.1硅的體微加工技術(shù),硅的體微加工（Bulk Micromachining）技術(shù)是指利用刻蝕（Etching）等工藝對(duì)塊硅進(jìn)行準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的微加工，即去除部分基體或襯底材料，以形成所需要的硅微結(jié)構(gòu)。 刻蝕法分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩類。,6,2.1.1濕法刻蝕,濕法刻蝕是通過化學(xué)刻蝕液和被刻物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)將被刻蝕物質(zhì)剝離下來的刻蝕方法。 工藝特點(diǎn) 設(shè)備簡單、操作方便、成本低 可控參數(shù)多，適用于研發(fā) 受外界環(huán)境影響大（濃度、溫度、攪拌、時(shí)間） 有些材料難以腐蝕,7,濕法刻蝕方向性,各向同性刻蝕刻蝕速率在不同方向上沒有差別 各向異性刻蝕對(duì)不同晶

3、面的刻蝕速率由明顯的差別,8,各向同性濕法刻蝕,常用的各向同性刻蝕劑是HNA系統(tǒng)，它是HF（氫氟酸）、HNO3（硝酸）、CH3COOH（乙酸）和水的混合溶液。 濕法單晶硅刻蝕劑的刻蝕機(jī)理：(a)空穴注入硅后形成Si2+或Si+；(b)Si2+與OH聚合為Si(OH)22+；(c)在溶液中，硅氫氧化物（硅化物）與溶液中的絡(luò)合劑產(chǎn)生反應(yīng)；(d)反應(yīng)的產(chǎn)物溶解在溶液中。,9,各向同性刻蝕的停蝕技術(shù),HNA系統(tǒng)在高稀釋情況下(如體積1HF+3HNO3+8CH3COOH)可以對(duì)摻雜濃度不同的硅進(jìn)行選擇性刻蝕。 實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于高摻雜硅和低摻雜硅，在HNA系統(tǒng)刻蝕2min后，其刻蝕深度比為160:1；隨時(shí)間

4、的推移，15min后，比值降為6.7:1。這是由于在反應(yīng)中亞硝酸(HNO2)增加，導(dǎo)致了兩種硅的刻蝕程度開始接近。 為了保持較好的選擇性刻蝕效果，可以加入氧化劑（如雙氧水H2O2）或還原劑（如疊氮化鈉NaN3）以控制HNO2的產(chǎn)生，這樣就可以達(dá)到對(duì)低摻雜硅幾乎不刻蝕的停蝕效果。,10,各向異性濕法刻蝕,各向異性刻蝕是指在某個(gè)方向上的刻蝕速率遠(yuǎn)大于另一個(gè)方向。 機(jī)理：刻蝕液發(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。 特點(diǎn)： 刻蝕速率比各向同性刻蝕慢，速率僅達(dá)1um/min； 刻蝕速率受溫度影響； 在刻蝕過程中需要將溫度升高到100OC左右，從而影響到很多光

5、刻膠的使用。,11,刻蝕液,無機(jī)刻蝕液：KOH、NaOH、LiOH和NH4OH等。 有機(jī)刻蝕液：EPW、TMAHW和聯(lián)氨等。 常用體硅刻蝕液： (1)KOH系列溶液； (2)EPW（E：乙二胺；P：鄰苯二酚；W：水）系列溶液。 這些刻蝕劑的共同特點(diǎn)：對(duì)硅的100晶面的刻蝕速度最快，110晶面次之，111晶面的刻蝕速度最慢。 硅在111和100晶面的刻蝕速度之比為1:400。,12,各向異性刻蝕的停蝕技術(shù),主要方法有：重?fù)诫s停蝕、(111)面停蝕、電化學(xué)停蝕和PN結(jié)停蝕等。 例：(111)面停蝕方法 常用的KOH系列刻蝕液對(duì)(111)和(100)晶面的刻蝕速率相差極大，因此如果選用(111)面作

6、為停蝕面，就可以在(100)面上刻蝕出(111)取向的硅膜。,13,2.1.2干法刻蝕,優(yōu)點(diǎn)：各向異性刻蝕性強(qiáng)；分辨率高；刻蝕3um以下線條。 類型： 等離子體刻蝕：化學(xué)性刻蝕； 濺射刻蝕：純物理刻蝕； 反應(yīng)離子刻蝕（RIE）：結(jié)合、。,14,等離子體刻蝕（Plasma Etching，PE）原理,a.產(chǎn)生等離子體：刻蝕氣體經(jīng)輝光發(fā)電后，成為具有很強(qiáng)化學(xué)活性的離子及游離基等離子體。 b.等離子體活性基團(tuán)與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 特點(diǎn)： 選擇性好； 各向異性差。 刻蝕氣體：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。,15,16,濺射刻蝕原理,a.形成能量很高的等離子體； b.等離子體轟

7、擊被刻蝕的材料，使其被撞原子飛濺出來，形成刻蝕。 特點(diǎn)： 各向異性好， 選擇性差。 刻蝕氣體：惰性氣體。,17,18,19,反應(yīng)離子刻蝕原理,同時(shí)利用了濺射刻蝕和等離子體刻蝕機(jī)制。 特點(diǎn)：各向異性和選擇性兼顧。 刻蝕氣體：與等離子體刻蝕相同。 現(xiàn)代干法刻蝕工藝的理想特征是： a.離子平行入射，以產(chǎn)生各向異性； b.反應(yīng)性的離子，以提高選擇性； c.高密度的離子，以提高刻蝕速率； d.低的入射能量，以減輕對(duì)硅片的損傷。,20,3、硅的表面微加工技術(shù),硅的表面微加工是在硅基片上采用不同的薄膜沉積和刻蝕工藝，在晶片表面上形成較薄微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)。 微機(jī)械結(jié)構(gòu)常用薄膜材料層來制作，常用的薄膜層材料有：

8、二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃（PSG）、硅硼玻璃（BSG）、多晶硅和一些金屬薄膜（如Al、Au、Mo、W、Pt等）。 表面微加工主要使用的薄膜沉積技術(shù)：蒸鍍、濺射、化學(xué)氣相沉積等。 典型的表面微加工方法是犧牲層技術(shù)。,21,22,犧牲層技術(shù),犧牲層技術(shù)就是在微結(jié)構(gòu)層中嵌入一層犧牲材料，在后續(xù)工序中有選擇地將這一層材料（犧牲層）腐蝕掉（也稱為釋放）而不影響結(jié)構(gòu)的本身。 目的：使結(jié)構(gòu)薄膜與襯底材料分離，得到各種所需的可變形或可動(dòng)的表面微結(jié)構(gòu)。 表面微加工器件是由三種典型的部件組成：（1）犧牲層；（2）微結(jié)構(gòu)層；（3）絕緣層部分。 常用的襯底材料為單晶硅片。 結(jié)構(gòu)層材料為沉積的多晶硅、氮化硅等。 犧牲層材料多為二氧化硅。,23,犧牲層技術(shù)表面微加工的工藝步驟,（a）基礎(chǔ)材料，一般為單晶硅片； （b）在基板上沉積一層絕緣層作為犧牲層； （c）在犧牲層上進(jìn)行光刻，刻蝕出窗口； （d）在刻蝕出的窗口及犧牲層上沉積多晶硅或其他材料作為結(jié)構(gòu)層； （e）從側(cè)面將犧牲層材料腐蝕掉，釋放結(jié)構(gòu)層，得到所需微結(jié)構(gòu)。,24,犧牲層技術(shù)表面微加工的工藝步驟,25,利用犧牲層制造硅梁的過程,26,表面微加工對(duì)所用材料的要求,（1）結(jié)構(gòu)層必須能夠保證所要求的使用性能。如電學(xué)性能、力學(xué)性能、表面特性等。 （2）犧牲層必須具有足夠的力學(xué)性能以保證在制作過程中不會(huì)引起分層或裂