MEMS工艺讲义
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MEMS键合工艺简介课件
内容
• 晶片制备 • 光刻 • 淀积 • 掺杂 • 键合 • 刻蚀
MEMS键合工艺简介
键合
MEMS键合工艺简介
ห้องสมุดไป่ตู้合
MEMS键合工艺简介
键合工艺
键合：静电键合、热键合、“复合”键合 键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接” 不同的键合方式，键合原理不同
MEMS键合工艺简介
静电键合
静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、 合金、半导体与玻璃键合
MEMS键合工艺简介
原理：三个阶段
• 室温~200度：表面吸附的OH根在接触区产生氢键，随温 度增高，OH根得到热能增大迁移率，氢键增多，硅片产 生弹性形变，键合强度增加。在200~400度间，形成氢键 的两硅片的硅醇键聚合反应，产生水合硅氢键，键合强度 迅速增大 Si-OH+HO-Si——Si-O-Si+H2O
MEMS键合工艺简介
静电键合
工艺及工艺参数的影响 •温度： 低温：没有导电电流，键合无法进行 高温：玻璃软化，无法键合 一般：180~500度 •电压： 低压；静电力减弱，
无法键合 高压：击穿玻璃 一般：200~1000伏
MEMS键合工艺简介
静电键合
• 键合产生的应力：热膨胀系数相近、热匹配 • 电极形状：点接触、平行板电极 • 非导电绝缘层的影响；减弱静电力，460nm后，键合失效 • 表面粗糙度的影响 • 极化区中残余电荷的作用；键合完成后在极化区内残余的
• 表面平整度： • 沾污粒子：1微米粒子产生4.2mm孔洞
足够清洗、超净环境、平整表面、高温处理、
低温键合：在小于500度下完成键合
MEMS键合工艺简介
复合键合
• 晶片制备 • 光刻 • 淀积 • 掺杂 • 键合 • 刻蚀
MEMS键合工艺简介
键合
MEMS键合工艺简介
ห้องสมุดไป่ตู้合
MEMS键合工艺简介
键合工艺
键合：静电键合、热键合、“复合”键合 键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接” 不同的键合方式，键合原理不同
MEMS键合工艺简介
静电键合
静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、 合金、半导体与玻璃键合
MEMS键合工艺简介
原理：三个阶段
• 室温~200度：表面吸附的OH根在接触区产生氢键，随温 度增高，OH根得到热能增大迁移率，氢键增多，硅片产 生弹性形变，键合强度增加。在200~400度间，形成氢键 的两硅片的硅醇键聚合反应，产生水合硅氢键，键合强度 迅速增大 Si-OH+HO-Si——Si-O-Si+H2O
MEMS键合工艺简介
静电键合
工艺及工艺参数的影响 •温度： 低温：没有导电电流，键合无法进行 高温：玻璃软化，无法键合 一般：180~500度 •电压： 低压；静电力减弱，
无法键合 高压：击穿玻璃 一般：200~1000伏
MEMS键合工艺简介
静电键合
• 键合产生的应力：热膨胀系数相近、热匹配 • 电极形状：点接触、平行板电极 • 非导电绝缘层的影响；减弱静电力，460nm后，键合失效 • 表面粗糙度的影响 • 极化区中残余电荷的作用；键合完成后在极化区内残余的
• 表面平整度： • 沾污粒子：1微米粒子产生4.2mm孔洞
足够清洗、超净环境、平整表面、高温处理、
低温键合：在小于500度下完成键合
MEMS键合工艺简介
复合键合
MEMS工艺讲述
电阻
抛光削薄第二片硅，形成压力传感器芯片
34
其他
电子束光刻
提供了小至纳米尺寸分辩力的聚合物抗蚀剂图形转印的一 种灵活的曝光设备，远远地超过了目前光学系统的分辨力 范围
聚焦离子束光刻
利用聚焦离子束设备修复光掩模和集成电路芯片
扫描探针加工技术（SPL）
一种无掩模的加工手段，可以作刻蚀或者淀积加工，甚至 可以用来操纵单个原子和分子
32
键合机理：预键合时硅与硅表面之间产生的键合力是由于亲水表 面的OH-之间吸引力的作用形成了氢键。进一步的高温处理可以 产生脱水效应，而在硅片之间形成氧键，键合强度增大。
接触前硅片表面有OH基
预键合形成氢键
高温处理脱水形成氢键
压力传感器芯片
P型(100)硅片 外延n型硅膜 n型(100)硅片
33
•
•
改进释放方法
做表面处理
27
键合(bonding)技术
在微型机械的制作工艺中，键合技术十分重要。
键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片
与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。 键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有
着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支
35
非硅基微机械加工技术
• LIGA加工技术
• 激光微机械加工技术 • 深等离子体刻蚀技术 • 紫外线厚胶刻蚀技术
36
LIGA工艺
1. LIthograpie（制版术），Gavanoformung(电铸)， Abformung(塑铸)
2. LIGA工艺于20世纪80年代初创于德国的卡尔斯鲁厄 原子核研究所，是为制造微喷嘴而开发出来的 3. LIGA技术开创者Wolfgang Ehrfeld领导的研究小 组曾提出，可以用LIGA制作厚度超高其长宽尺寸的 各种微型构件。
MEMS工艺(3半导体工艺)
联线的目的。
掺杂的主要形式：注入和扩散
退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不
活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。
目的：激活杂质
消除损伤 结构释放后消除残余应力
退火方式：
炉退火 快速退火
1.扩散工艺
•定义：在一定温度下杂质原子具有一 定能量，能够克服阻力进入半导体并 在其中做缓慢的迁移运动。 •形式：替代式扩散和间隙式扩散
• 2．漏电电流大：表面沾污引起的表面漏电；氧化层的 缺陷破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用和氧化层在 电路中的绝缘作用而导电；硅片的缺陷引起杂质扩散时 产生管道击穿。
• 3．薄层电阻偏差
• 4．器件特性异常：击穿电压异常；hFE异常；稳压二
极管稳压值异常。
。
工艺控制
• 污染控制：颗粒、有机物、薄膜、金属离子 • 污染来源：操作者,清洗过程,高温处理,工具 •• 参量控制：温度，时间，气体流量(影响最大?) • 1.温度控制：源温、硅片温度、升温降温、测温 •2.时间： 进舟出舟自动化, 试片 • 3.气体流量：流量稳定，可重复性，假片
离子注入
• 特点：横向效应小，但结深浅；杂质量可控；晶格缺陷多 • 基本原理：杂质原子经高能粒子轰击离子化后经电场加速轰击硅片表面，形成注入层 • 装置：离子源、聚焦、分析器、加速管、扫描、偏转、靶室、真空系统
离子注入系统的原理示意图
离子注入的步骤
注入的离子在基底中的分布
• 根据Ruska(1987)，注入离子的浓度N（X）可遵循下面方程式
分类
• 普通热退火 • 硼的退火特性 • 磷的退火特性 • 扩散效应 • 快速退火
•方式：
•热退火：管式炉，保护气氛，900C， 20~30min，用于再扩散
掺杂的主要形式：注入和扩散
退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不
活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。
目的：激活杂质
消除损伤 结构释放后消除残余应力
退火方式：
炉退火 快速退火
1.扩散工艺
•定义：在一定温度下杂质原子具有一 定能量，能够克服阻力进入半导体并 在其中做缓慢的迁移运动。 •形式：替代式扩散和间隙式扩散
• 2．漏电电流大：表面沾污引起的表面漏电；氧化层的 缺陷破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用和氧化层在 电路中的绝缘作用而导电；硅片的缺陷引起杂质扩散时 产生管道击穿。
• 3．薄层电阻偏差
• 4．器件特性异常：击穿电压异常；hFE异常；稳压二
极管稳压值异常。
。
工艺控制
• 污染控制：颗粒、有机物、薄膜、金属离子 • 污染来源：操作者,清洗过程,高温处理,工具 •• 参量控制：温度，时间，气体流量(影响最大?) • 1.温度控制：源温、硅片温度、升温降温、测温 •2.时间： 进舟出舟自动化, 试片 • 3.气体流量：流量稳定，可重复性，假片
离子注入
• 特点：横向效应小，但结深浅；杂质量可控；晶格缺陷多 • 基本原理：杂质原子经高能粒子轰击离子化后经电场加速轰击硅片表面，形成注入层 • 装置：离子源、聚焦、分析器、加速管、扫描、偏转、靶室、真空系统
离子注入系统的原理示意图
离子注入的步骤
注入的离子在基底中的分布
• 根据Ruska(1987)，注入离子的浓度N（X）可遵循下面方程式
分类
• 普通热退火 • 硼的退火特性 • 磷的退火特性 • 扩散效应 • 快速退火
•方式：
•热退火：管式炉，保护气氛，900C， 20~30min，用于再扩散
最新MEMS工艺1
安全、炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、 侵彻点控制 ➢ 单兵携带 ➢ 雷达 ➢ 战场毒气检测和救护 ➢ 侦察：小飞机 ➢ 后勤保障
➢用于武器制导和个人导航的惯性导航组合
➢用于超小型、超低功率无线通讯（RF 微米/纳米和 微系统）的机电信号处理
➢用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人值守分 布式传感器
➢航空：改进飞机性能、保证飞机安全舒适、 减少躁声
➢航天：天际信息网、微重力测量
FLUDIC MEMS
信息领域
➢ 全光通信网：光开关和开关阵列、光可变衰减器、 光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干探测器、 光功率限幅器、微透镜、光交叉连接器OXC、光 分插复用器OADM和波分复用器
➢ 无线电话； MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS滤波器、RF MEMS振荡器、MEMS移相 器、微波收发机MEMS集成化射频前端
➢这些系统的核心微机电器件在2005年产业 规模达到53亿美元，由于消费电子微机电 器件使用量增加，预计到2010年产业规模 将增长到99亿美元，年复合增长率为13%。
MEMS技术的发展与应用
MEMS应用
➢ 军事领域 ➢ 信息领域 ➢ 航空、航天 ➢ 生物、医疗 ➢ 汽车 ➢ 工业控制 ➢ 环境保护 ➢ 消费类、玩具
MEMS工艺1
第一章主要内容
➢MEMS的基本概念及其特点 ➢MEMS的发展概况 ➢MEMS的应用领域 ➢MEMS工艺的基本概念 ➢MEMS工艺的国内外情况及发展趋势
微机电系统（MEMS）的定义
什么是MEMS
➢微机电系统（MEMS）是指用微机械加 工技术制作的包括微传感器、微致动 器、微能源等微机械基本部分以及高 性能的电子集成线路组成的微机电器 件与装置。
➢用于小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成流量系 统
➢用于武器制导和个人导航的惯性导航组合
➢用于超小型、超低功率无线通讯（RF 微米/纳米和 微系统）的机电信号处理
➢用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人值守分 布式传感器
➢航空：改进飞机性能、保证飞机安全舒适、 减少躁声
➢航天：天际信息网、微重力测量
FLUDIC MEMS
信息领域
➢ 全光通信网：光开关和开关阵列、光可变衰减器、 光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干探测器、 光功率限幅器、微透镜、光交叉连接器OXC、光 分插复用器OADM和波分复用器
➢ 无线电话； MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS滤波器、RF MEMS振荡器、MEMS移相 器、微波收发机MEMS集成化射频前端
➢这些系统的核心微机电器件在2005年产业 规模达到53亿美元，由于消费电子微机电 器件使用量增加，预计到2010年产业规模 将增长到99亿美元，年复合增长率为13%。
MEMS技术的发展与应用
MEMS应用
➢ 军事领域 ➢ 信息领域 ➢ 航空、航天 ➢ 生物、医疗 ➢ 汽车 ➢ 工业控制 ➢ 环境保护 ➢ 消费类、玩具
MEMS工艺1
第一章主要内容
➢MEMS的基本概念及其特点 ➢MEMS的发展概况 ➢MEMS的应用领域 ➢MEMS工艺的基本概念 ➢MEMS工艺的国内外情况及发展趋势
微机电系统（MEMS）的定义
什么是MEMS
➢微机电系统（MEMS）是指用微机械加 工技术制作的包括微传感器、微致动 器、微能源等微机械基本部分以及高 性能的电子集成线路组成的微机电器 件与装置。
➢用于小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成流量系 统
清华大学MEMS课程讲义
3/60微电子学研究所Institute o f Microelectronics电镀(Electroplating)7/60微电子学研究所Institute o f Microelectronics MEMS光刻体微加工技术)各向同性湿法刻蚀与刻蚀剂成分比例有关23/60微电子学研究所Institute o f Microelectronics MEMS光刻体微加工技术Question:What will happen in KOH etching?微电子学研究所刻蚀侧壁与底面垂直不能实现任意开口形状保护方法机械夹具/黑胶/浮片各向异性湿法刻蚀37/60微电子学研究所Institute o f Microelectronics39/60微电子学研究所Institute o f Microelectronics 简介MEMS光刻体微加工技术43/60微电子学研究所Institute o f Microelectronics简介MEMS光刻体微加工技术物理刻蚀利用粒子的能量进行轰击优缺点微电子学研究所Institute o f Microelectronics 电子、离子、中性基团、分子微电子学研究所Institute o f Microelectronics微电子学研究所Institute o f Microelectronics等离子体硅微电子学研究所Institute o f Microelectronicsm/min55/60微电子学研究所Institute o f MicroelectronicsMEMS光刻体微加工技术低温DRIE特性↓↓↓↓等离子体硅片源59/60微电子学研究所Institute o f Microelectronics1B1A’2B 1B’1A 2B’2A’2Ax-轴y-轴z-轴3轴加速C M O S 集成63/60微电子学研究所Institute o f MicroelectronicsMEMS光刻体微加工技术作业100:98:1. 画出刻蚀40秒, 100秒和600秒后的窗口截面图说明厚胶光刻中曝光衍射和散射、分辨率下降、以及曝光剂量不够的解决。
MEMS工艺(4体硅微加工技术).讲义
1.KOH system
溶剂：水，也有用异丙醇(IPA) 溶液：20% - 50% KOH 温度： 60 – 80º C 速率：~1um/分钟 特点：镜面，易于控制，兼容性差
Si H 2O 2KOH K 2 SiOቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2H
2
2.EDP system
EPW [NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2 (邻苯二酚)，H2O] 特点：蒸 气有毒，时效较差， P+选择性好
MEMS工艺—— 硅微加工工艺（腐蚀）
梁 庭
3920330(o) Liangting@
内容
腐蚀工艺简介 湿法腐蚀 干法刻蚀 其他类似加工工艺
腐蚀工艺简介
腐蚀是指一种材料在它所处的环境中由于另一种材料的作 用而造成的缓慢的损害的现象。然而在不同的科学领域对 腐蚀这一概念则有完全不同的理解方式。 在微加工工艺中，腐蚀工艺是用来“可控性”的“去除” 材料的工艺。
3、N2H4 （联氨、无水肼）
为有机、无色的水溶液，具有很强的毒性及挥发 性，在50oC以上就会挥发，故操作时需在良好装 置下及密闭容器中进行。 其优点包括相容于IC制程，对于氧化硅(SiO)及氮 化硅(SiN)等介电材料蚀刻率 低，Ti、Al、Cr、Au 及Pt等金属也无明显蚀刻反应，Ti和Al是目前最 常用的金属材料，蚀刻时不需有其它的保护层， 降低了制程的复杂性。
腐蚀工艺简介——腐蚀工艺重要性
大部分的微加工工艺基于“Top-Down”的加 工思想。 “Top-Down”加工思想：通过去掉多余材料 的方法，实现结构的加工。（雕刻——泥 人） 作为实现“去除”步骤的 腐蚀工艺是形成特定平面 及三维结构过程中，最为 关键的一步。
MEMS工艺——光刻技术和成型技术
图形转换：刻蚀技术
➢湿法腐蚀：
➢湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛 应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀
➢优点是选择性好、重复性好、生产效率 高、设备简单、成本低
➢缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差
干法刻蚀
➢ 溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理 轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差
➢ 等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的游 离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。 选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差
MEMS工艺 ——光刻技术和成型技术
主要内容
➢光刻技术 ➢光刻技术的发展 ➢制版 ➢软光刻
1.光刻（ Lithography ）
光刻（lithography）
石版（litho ） 写（graphein）
重要性：是唯一不可缺少的工艺步骤， 是一个复杂的工艺流程
➢光刻是加工制造集成电路图形结构以及 微结构的关键工艺之一。
当，厚薄均匀的光刻胶。 ➢一般采用旋转法，针对不同的光刻胶黏
度和厚度要求，选择不同的转速。 ➢可分辨线宽是胶膜厚度的5~8倍。
➢膜厚对分辨率的影响 ➢膜厚对针孔密度的影响 ➢膜厚对胶膜于衬底粘附力的影响 ➢涂胶质量的影响因素：
光刻工艺过程 （3）前烘
➢前烘就是在一定温度下，使胶膜里的溶剂 缓慢地挥发出来，使胶膜干燥，并增加其 粘附性和耐磨性。
光刻工艺过程 （7）腐蚀
➢ 用适当的腐蚀剂对显影后暴露的表面进行腐蚀， 获得光刻图形
➢ 干法腐蚀和湿法腐蚀 ➢ SiO2：HF，BHF ➢ Al：磷酸（70~90 C，加乙醇或超声去气泡）；
高锰酸钾（ 40~50 C）， ➢ 多晶硅：CF4PLASMA，加入2~6%O2 ➢ Si3N4：CF4，加入C2H4乙烯或H2
第5章_MEMS工艺
多晶硅材料的主要特点
（2）多晶硅薄膜对生长衬底的选择不 苛刻。衬底只要有一定的硬度、平整度 及能耐受住生长工艺温度即可。
（3）可以通过对生长条件及后工艺的 控制来调整多晶硅薄膜的电阻率，使它 成为绝缘体、导体或半导体，从而适应 不同器件或器件不同部分的需要。
多晶硅材料的主要特点
（4）多晶硅薄膜作为半导体材料可 以像单晶硅那样通过生长、扩散或 离子注入进行掺杂，形成N型或P型 半导体，制成p-n结；可以采用硅平 面工艺进行氧化、光刻、腐蚀等加 工。
表面微加工中的力学问题
表面微加工技术存在着三个主要的 力学问题： ⑴层间黏附； ⑵界面应力； ⑶静态阻力
界面应力
在双层结构中有三种典型的应力 1.材料的热膨胀系数不匹配引起的 热应力
双层结构达到非常高的操作温度时，剧烈 的热应力会使SiO2薄层从Si基底脱离
2.残余应力
在微机械加工中是固有的
2、超临界干燥，在通过压力和温度的控制， 使液体在干燥过程中达到其本身的临界点， 完成液相至气相的超临界转变。
3、低于三相点
表面微机械加工的特点
1、在表面微机械加工中，硅片本身不被刻 蚀，没有穿过硅片，硅片背面也无凹坑。
2、表面微机械加工适用于微小构件的加工， 结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的 反应离子刻蚀工艺。
PSG、(SiO2)
小（精确控制膜厚，典 型尺寸为几个um）
单面工艺（正面） 材料选择性刻蚀 刻蚀：各向同性 残余应力（取决于淀积、 掺杂、退火）
牺牲层技术
属硅表面加工技术。 是加工悬空和活动结构的有效途径。
采用此种方法可制成具有活动部件的微
机械结构。
牺牲层材料
70
热氧化 SiO2
60
MEMS工艺讲述 共61页
1
MEMS工艺
1. 当今重要的机械和电子系统进一步向微小型化和多功能化 方向发展，进而对相当于感觉器官的传感器和运动器官的 执行器提出了微小型化和多功能化的要求
2. 半导体硅微细加工技术的日益成熟和完善为这一发展提供 了技术基础
3. 在这种情况下诞生了微电子机械系统(MEMS)这一新型学 科
4. MEMS是微电子技术与机械、光学领域结合而产生的，是 20世纪9IC工艺的兼容性好; 器件可以做得很小
• 缺点：这种技术本身属于二维平面工艺，它限制了设 计的灵活性。
17
18
关键技术
牺牲层技术 薄膜应力控制技术 防粘连技术
牺牲层技术
19
表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺
基本思路为：在衬底上淀积牺牲层材料→利用光刻、
刻蚀形成一定的图形→淀积作为机械结构的材料并光刻 出所需要的图形→将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉→ 形成了悬浮的可动的微机械结构部件。 要求在腐蚀牺牲层的同时几乎不腐蚀上面的结构层和下 面的衬底。牺牲层技术的关键在于选择牺牲层的材料和 腐蚀液
表面微机械加工技术
15
硅园片 淀积结构层 刻蚀结构层 淀积牺牲层
刻蚀牺牲层 淀积结构层
刻蚀结构层 释放结构
16
• 微加工过程都是在硅片表面的一些薄膜上进行的，形 成的是各种表面微结构，又称牺牲层腐蚀技术。
• 特点：在薄膜淀积的基础上，利用光刻，刻蚀等IC常 用工艺制备多层膜微结构，最终利用不同材料在同一腐 蚀液中腐蚀速率的巨大差异，选择性的腐蚀去掉结构层 之间的牺牲层材料，从而形成由结构层材料组成的空腔 或悬空及可动结构。
大机械制造小机械，小机械制造微机械
日本为代表，与集成电路技术几乎无法兼容
MEMS工艺
1. 当今重要的机械和电子系统进一步向微小型化和多功能化 方向发展，进而对相当于感觉器官的传感器和运动器官的 执行器提出了微小型化和多功能化的要求
2. 半导体硅微细加工技术的日益成熟和完善为这一发展提供 了技术基础
3. 在这种情况下诞生了微电子机械系统(MEMS)这一新型学 科
4. MEMS是微电子技术与机械、光学领域结合而产生的，是 20世纪9IC工艺的兼容性好; 器件可以做得很小
• 缺点：这种技术本身属于二维平面工艺，它限制了设 计的灵活性。
17
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关键技术
牺牲层技术 薄膜应力控制技术 防粘连技术
牺牲层技术
19
表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺
基本思路为：在衬底上淀积牺牲层材料→利用光刻、
刻蚀形成一定的图形→淀积作为机械结构的材料并光刻 出所需要的图形→将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉→ 形成了悬浮的可动的微机械结构部件。 要求在腐蚀牺牲层的同时几乎不腐蚀上面的结构层和下 面的衬底。牺牲层技术的关键在于选择牺牲层的材料和 腐蚀液
表面微机械加工技术
15
硅园片 淀积结构层 刻蚀结构层 淀积牺牲层
刻蚀牺牲层 淀积结构层
刻蚀结构层 释放结构
16
• 微加工过程都是在硅片表面的一些薄膜上进行的，形 成的是各种表面微结构，又称牺牲层腐蚀技术。
• 特点：在薄膜淀积的基础上，利用光刻，刻蚀等IC常 用工艺制备多层膜微结构，最终利用不同材料在同一腐 蚀液中腐蚀速率的巨大差异，选择性的腐蚀去掉结构层 之间的牺牲层材料，从而形成由结构层材料组成的空腔 或悬空及可动结构。
大机械制造小机械，小机械制造微机械
日本为代表，与集成电路技术几乎无法兼容
MEMS工艺讲义
MEMS工艺讲义MEMS技术是一种利用微纳米加工技术制造微型机械系统的技术。
这种技术在生产过程中，将先进的微电子技术、微加工工艺和制造技术相结合，以实现对微型机械系统的制造。
它广泛应用于人类生活的各个领域，例如医疗检测、计算机、通信、生物医疗、环境检测等领域。
本文将介绍MEMS的工艺过程。
MEMS制造技术主要分为三个步骤，分别是芯片制造、表面加工和封装。
具体而言，在芯片制造部分，主要是利用微电子加工技术来制造硅晶片等材料的基片。
在这个过程中，反复进行投影光刻、氧化和刻蚀等步骤，将微细的结构形状逐渐雕刻出来。
这个过程中，需要使用到物理和化学的反应过程，对芯片表面进行微细加工。
其中，最重要的是投影光刻技术，这个技术是利用光去逐渐剥离出细小的结构。
在表面加工环节，MEMS的制造遵循一样的制造工艺，通常涉及到湿法腐蚀、干法腐蚀、染色、表面处理等技术。
这些加工可以进行到其中一个芯片的特定区域，并且有助于减小MEMS芯片的波纹度、便于微小结构的制造。
在封装过程中，最关键的是将制作好的微型器件较好地保护，以避免受到因未知环境产生的磨损或噪音等影响。
通常，MEMS器件剩余的背景片需被凿短至可被封装，然后门径将封装、存储、供能电池以及不同模块重新组合在一起，以完成整体器件。
总之，MEMS工艺流程是一个技术密集型、高度精细的过程，在整个制造过程中，无论是在芯片制造还是表面加工和封装过程中，都需要严格按照规定的加工流程和标准去完成各个环节。
只有这样才能保证制作出的微型器件的质量和性能完全符合设计要求，一方面，增强了远距离控制机器、电子设备和各种通信设备的功能性能，同时又可显着地减少采集数据时的时间和成本。
第三章-MEMS制造技术-1(半导体工艺)
扩散的适用数学模型是Fick定律
N(x)
F D
x
式中：
F 为掺入量
D 为扩散率
N 每单位体积中掺入浓度
扩散方式
➢液态源扩散：利用保护气体携带杂质蒸汽进
入反应室，在高温下分解并与硅表面发生反
应，产生杂质原子，杂质原子向硅内部扩散
。
➢固态源扩散：固态源在高温下汽化、活化后
与硅表面反应，杂质分子进入硅表面并向内
蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至数
毫米。且能大量生产；
（4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。
常压化学气相淀积
特点:用于SiO2的淀积
➢◆ PWS－5000：
➢SiH4+O2=SiO2 +H2O
➢φ100mm：10片，φ125mm:8片
➢Time:15min
➢Temp:380～450℃±6℃
550~900℃ Si3N4 ：30—80 高，晶片容量大 高淀积速率
多晶硅：30—80
掺杂或非掺杂氧
化物、氮化物、
晶体硅、钨
CVD
工艺
压强/温度
通常的淀积速
率10-10米/分
APCVD 100—10kPa SiO2：700
350~400℃
PECVD 0.2—5汞柱 Si3N4： 300—
300~400℃ 350
b)氧化层的形成
c）氧化层的生长
由颜色来确定氧化层厚度
氧化炉
2、化学气相淀积技术
➢ CVD：Chemical Vapor Deposition
➢ 定义：使用加热、等离子体和紫外线等各种能源，
使气态物质经化学反应（热解或化学合成），形成
固态物质淀积在衬底上。相对的蒸发和性好、台阶覆盖性
MEMS作业知识讲解
MEMS作业1.叙述湿法腐蚀技术的主要工艺流程。
湿法刻蚀：利用合适的化学试剂先将未被光刻胶覆盖的晶体部分氧化分解，然后通过化学反应使一种或多种氧化物或络合物溶解来达到去除目的，包括化学腐蚀和电化学腐蚀。
2.叙述干法腐蚀技术的主要工艺流程。
干法刻蚀：利用辉光的方法产生带电离子以及具有高度化学活性的中性原子与自由基，用这些粒子和晶片进行反应达到光刻图形转移到晶片上的技术。
包括离子溅射刻蚀，等离子反应刻蚀等。
3.叙述体硅和表面硅加工技术的机理与特点，各适用于什么场合？体硅加工工艺是指对硅衬底片进行加工，获得由衬底材料构成的有用部件的技术。
体硅加工方法：湿法刻蚀、干法刻蚀、干湿混合刻蚀、LIGA技术及DEM技术。
湿法刻蚀：将被腐蚀材料先氧化，然后由化学反应使其生成一种或多种氧化物再溶解。
干法刻蚀：物理作用为主的离子溅射和化学反应为主的反应离子腐蚀兼有的反应溅射。
过程：（1）腐蚀性气体粒子的产生；（2）粒子向衬底的传输；（3）衬底表面的腐蚀；（4）腐蚀反应物的排除。
干湿混合刻蚀：制造波导等新的微结构装置。
LIGA技术：X光深度同步辐射光刻——电铸制模——注塑 DEM技术：由深层刻蚀工艺、微电铸工艺、微复制工艺三部分组成。
可对金属、塑料、陶瓷等非硅材料进行高深宽比三维加工。
体硅加工工艺：定义键合区——扩散掺杂——形成金属电极——硅/玻璃阳极键合——硅片减薄——ICP刻蚀面硅加工方法：薄膜制备的外延生长热氧化、化学沉积、物理沉积、光刻、溅射、电镀等。
该技术能够用二氧化硅、多晶硅、氮化硅、磷硅玻璃等加工三维较小尺寸的微器件。
面硅加工工艺：下层电极——牺牲层——刻蚀支撑点——沉积多晶硅——刻蚀多晶硅——释放结构表面硅加工技术的关键是硅片表面结构层和牺牲层的制备和腐蚀，以硅薄膜作为机械结构。
这种工艺可以利用与集成电路工艺兼容或相似的平面加工手段，但它的纵向加工尺寸往往受到限制（2-5um）。
体硅未加工工艺是用湿法或干法腐蚀对硅片进行纵向加工的三维加工技术，但他与集成电路平面工艺兼容性不太好。
第1讲 MEMS技术概述
2、Why MEMS In Science-Swimming
W l3 V∝ = 2 = l R l
Swimming: –The bigger the fish or ship the faster it tends to go, but only in the ratio of the square root of the increasing length. –V: the velocity (v) the swimming body can attain –W: the work (W) it can do, ∝L3 –R : the resistance (skin fiction) to overcome. ∝L2
加工技术(牺牲层、深 刻蚀、键合等） 牵引的 微小 型化 系统
1、What is MEMS
MEMS Marks Scale: From above 1um to below 1mm Manufacture: Batch Fabrication Technology Function: Micro-mechanics, electronics, fluidics, optics.
尺寸 (米)
Human hair Ant Cell phone
Human
MEMS
1、What is MEMS
Nano manipulation 10-10 10-9
Nanotube 10-8
NEMS 10-7 10-6
DNA Atom Bacteria
尺寸 (米)
1、What is MEMS
General Definition of MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems(MEMS) is the integration of mechanical elements, sensors, actuators, and electronics on a common substrate through the utilization of microfabrication technology.
MEMS工艺(1)
MEMS 器件的加工
淀积氧化层
裸片
体微加工流程
图形化氧化层
除去氧化层
腐蚀 (Si)
MEMS 器件的加工
淀积薄膜
裸片
利用光刻图形化
表面微机械加工流程
释放结构 淀积牺牲层膜
图形化牺牲层
图形化 淀积机结构械薄膜
LIGA
MEMS工艺的发展趋势
微机电系统的发展对微机械加工技术的要求： 有较强的加工能力，可以制作灵活多样的高深宽 比的微结构，能实现三维或准三维的设计加工； 工艺简洁、设备成熟、可以高效率和低成本的批 量生产； 与集成电路工艺的兼容性好； 便于器件的封装，最好能实现片上封装 以硅为主，但能便于同时采用多种具有其他特性 的结构材料
汽车工业
每部汽车内可安装30余个传感器： 气囊，压力、温度、湿度、气体等 微喷嘴 智能汽车控制系统 工业控制 化工厂 自动化控制中的探测器等
MEMS的应用
环境保护 无人值守大气环境监测网 高速公路环境监测网 消费类、玩具 消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机 虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具
目前有100个左右的研究小组从事本领域研究， 研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅 微加工技术、微系统等领域。 主要加工基地有信息产业部电子13所，北大微电 子所，清华大学微电子所，上海交通大学和上海 冶金所等。
第一章主要内容
MEMS的基本概念及其特点 MEMS的发展概况
MEMS的应用领域
考试： 考试： 考试70% 开卷考试80% +课堂10%+作业20%（包括试验） +平时20%（包括作业）
第一章主要内容
MEMS的基本概念及其特点 MEMS的发展概况
MEMS的应用领域
第九讲2MEMS
• Non-traditional methods for building MEMS
devices have been developed. Efforts include approaches to build devices in ceramics, metals, and polymers. In addition, research is active into building high aspect ratio (2.5-D) structures and true 3-D micro-machining techniques.
后产生强大的残余应力
粘连
• 两个分离薄片粘附在一起的现象称为
粘连； • 粘连是表面微加工中最严重的问题； • 在牺牲层从被分离的材料层中去除时 发生
解决方法
1、最简单的方法式在漂洗和吹干期间，尽量 防止微器件与基体的接触，从液体中抽出器 件时尽量减少器件上的作用力，在最后一道 工序中采用低表面张力的液体。 2、超临界干燥 3、低于三相点
• IC工艺中，SiO2是一种多用途的基本材料 • 在多晶硅表面微机械中，SiO2的应用主要
是作为牺牲层材料，另一个用途是作为多 晶硅厚膜图形的刻蚀掩模 • 二氧化硅在较大的波长范围内具有透光性
二氧化硅的制备
• 在表面微机械中，广泛采用的SiO2生
长和淀积方式是热氧化和LPCVD。
3、氮化硅
• 氮化硅只能用沸腾的磷酸（H3PO4混合物）
晶硅那样通过生长、扩散或离子注入 进行掺杂 • 由于生长的膜厚可以较好的控制，与 其他薄膜有良好的相容性，有利于制 造多层膜结构 • 生长工艺的进步使得多晶硅薄膜可以 大批量生长，且可以大面积生长
2）、多晶硅的淀积
devices have been developed. Efforts include approaches to build devices in ceramics, metals, and polymers. In addition, research is active into building high aspect ratio (2.5-D) structures and true 3-D micro-machining techniques.
后产生强大的残余应力
粘连
• 两个分离薄片粘附在一起的现象称为
粘连； • 粘连是表面微加工中最严重的问题； • 在牺牲层从被分离的材料层中去除时 发生
解决方法
1、最简单的方法式在漂洗和吹干期间，尽量 防止微器件与基体的接触，从液体中抽出器 件时尽量减少器件上的作用力，在最后一道 工序中采用低表面张力的液体。 2、超临界干燥 3、低于三相点
• IC工艺中，SiO2是一种多用途的基本材料 • 在多晶硅表面微机械中，SiO2的应用主要
是作为牺牲层材料，另一个用途是作为多 晶硅厚膜图形的刻蚀掩模 • 二氧化硅在较大的波长范围内具有透光性
二氧化硅的制备
• 在表面微机械中，广泛采用的SiO2生
长和淀积方式是热氧化和LPCVD。
3、氮化硅
• 氮化硅只能用沸腾的磷酸（H3PO4混合物）
晶硅那样通过生长、扩散或离子注入 进行掺杂 • 由于生长的膜厚可以较好的控制，与 其他薄膜有良好的相容性，有利于制 造多层膜结构 • 生长工艺的进步使得多晶硅薄膜可以 大批量生长，且可以大面积生长
2）、多晶硅的淀积
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军事领域是MEMS技术的最早应用点，对推动 MEMS MEMS在军事领域的应用 技术的进步起到了很大作用 • 引信 安全、炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、 侵彻点控制 • 单兵携带 • 雷达 • 战场毒气检测和救护 • 侦察：小飞机 • 后勤保障
用于武器制导和个人导航的惯性导航组合 用于超小型、超低功率无线通讯（RF 微米/纳米和微 系统）的机电信号处理 用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人值守分布 式传感器 用于小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成流量系统 武器安全、保险和引信 用于有条件保养的嵌入式传感器和执行器 用于高密度、低功耗的大量数据存储器件 用于敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机 械器件 用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动 的、共型表面。
▫ LIGA工艺 ▫ DEM工艺 ▫ 其他工艺：超精密加工、非切削加工、特种加工技术
MEMS 器件的加工
淀积氧化层 裸片
体微加工流程
图形化氧化层
除去氧化层
腐蚀 (Si)
MEMS 器件的加工
淀积薄膜
裸片
利用光刻图形化
表面微机械加工流程
释放结构 淀积牺牲层膜
图形化牺牲层 图形化 淀积机结构械薄膜
LIGA
(4)数字微镜器件 • 与传统的CRT和LCD投影显示技术相比： 足够的亮 度，均匀性和稳定性 • 反射显示：德州仪器设计的数字驱动微简易阵列 芯片（DMD，Digital Micromirror Device)，实 际上是反射式微光开关阵列。 • 每一个微镜对应图象的一个像素，一个微镜的尺 寸仅为16μm×16μm。 • DMD可以承受1500g的机械冲击、20g的机械振动， 设备的使用寿命超过了100,000小时。 • 一块完整的DMD半导体芯片：镜面是由一百三十万 个微反射镜组成的长方形阵列，每个微镜对应于 投影画面中的一个光学像素。
PACKAGE SEAL
FINAL TEST
采用特殊的检测和划 片工艺保护释放出来的机 械结构
封装时暴露部分零件
机、电系统 全面测试
• 集成电路：
• Integrated Circuit，缩写IC
▫ 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、 二极管等有源器件和电阻、电容等无源 器件，按照一定的电路互连，“集成” 在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓） 上，封装在一个外壳内，执行特定电路 或系统功能
MEMS工艺的发展趋势
• 继续保持与硅集成电路的紧密联系充分利用硅材料、 广泛利用为集成电路开发的现有设备和技术、并且 相着不断把信号检测和控制电路与微结构单片集成 的方向发展； • 体硅技术、表面加工技术与LIGA加工技术三种技 术在其发展过程中更加紧密的融合在一起，相互之 间的界限更加模糊。
MEMS的相关资讯
MEMS工艺讲义
课程内容
• • • • • • • • 第一章 绪言（2） 第二章 半导体制造技术（6＋4） 第三章 硅微加工技术（6＋2） 第四章 光刻技术（3＋2） 第五章 LIGA技术（3） 第六章 微机械装配与集成（3＋2） 第七章 典型微机械系统装置（4） 第八章 MEMS制造设备（3）
清华一号
典型MEMS系统——微型飞行器
第一章主要内容
• MEMS的基本概念及其特点 • MEMS的发展概况
• MEMS的应用领域
• MEMS工艺的基本概念 • MEMS工艺的国内外情况及发展趋势
工艺的概念
• 工艺：劳动者利用生产工具对各种原材料，半成 品进行加工和处理,改变它们的几何形状，外形尺 寸，表面状态，内部组织，物理和化学性能以及 相互关系，最后使之成为预期产品的方法及过程。 • 工艺技术：是人类在劳动中逐渐积累起来并经过 总结的操作技术经验， 它是应用科学，生产实践 及劳动技能的总和。
惯性 MEMS
航空、航天
• 航空：改进飞机性能、保证飞机安全舒适、减少 躁声 • 航天：天际信息网、微重力测量
FLUDIC MEMS
信息领域 • 全光通信网：光开关和开关阵列、光可变衰减器、 光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干探测器、 光功率限幅器、微透镜、光交叉连接器OXC、光分 插复用器OADM和波分复用器 • 无线电话； MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS 滤波器、RF MEMS振荡器、MEMS移相器、微波收发 机MEMS集成化射频前端 • 计算机；摄像头、鼠标 • 投影仪、喷墨打印机 • 数据存储
• 目前有100个左右的研究小组从事本领域研究， 研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅 微加工技术、微系统等领域。 • 主要加工基地有信息产业部电子13所，北大微电 子所，清华大学微电子所，上海交通大学和上海 冶金所等。
第一章主要内容
• MEMS的基本概念及其特点 • MEMS的发展概况
• MEMS的应用领域
(2) 微加速度计 • 微加速度计是微型惯性测量组合的关 键基础元件 • 汽车安全气囊系统：体积小、成本低、 集成化等特点
• 美国AD公司的ADXL • 美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G电容式 微加速度计 • 美国EG&G IC
(3)微喷 • 基于MOEMS技术的微喷已成为MOEMS领域的一种典 型器件，它的应用涉及科学仪器、工业控制以及 生物医疗等多个领域，目前主要的应用方向有喷 墨打印、芯片冷却、气流控制以及微推进系统， 应用于药物雾化供给的微喷研究也正在兴起。 • 喷墨打印机的喷墨打印头，年产值数亿美元
参考书： • MEMS和微系统——设计与制造 王晓浩、熊继军等译 ，机械工业出版社 • 微机电系统设计与制造 刘晓明 等编著，国防工业出版社 • 微传感器与微执行器
张文栋等译，科学技术出版社
• 《微机械加工技术》 黄庆安，东南大学出版社 • 《微机电系统技术》 石庚辰著，国防工业出版社 • 《微机械电子系统及其应用》 刘广玉等著，北京 航空航天大学出版社 • 《硅微机械传感器》 陶家渠等， 中国宇航出版社
MEMS与集成电路工艺的相同 微机电系统是在微电子技术的基础上
发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和 精密机械加工等多种微加工技术。这表明微 电子技术是MEMS技术的重要基础，微电子加 工手段是MEMS的重要加工手段之一，微电子 中的主要加工手段均在MEMS制备中发挥极大 作用。包括：Si材料制备、光刻、氧化、刻 蚀、扩散、注入、金属化、PECVD、LPCVD 及组封装等
• MEMS的应用领域
• MEMS工艺的基本概念 • MEMS工艺的国内外情况及发展趋势
MEMS的国内外概况
• MEMS发展历史回顾
1947年：发明晶体管--技术基础
压力传感器：
54年：Si、Ge压阻效应 66年：机械研磨做硅腔 70年：各向同性腐蚀硅腔 76年：KOH 腐蚀，MEMS加工手段 80年代：集成式压力传感器 目前：新机理压力传感器
为什么要学习MEMS？——主要特点
• 器件微型化、集成化、尺寸达到微米数量级
• 功能多样化、智能化
• 功能特殊性 • 能耗低、灵敏度高、工作效率高
MEMS与传统机械有什么区别？
• • • • 微尺寸效应 表面与界面效应 量子尺寸效应 加工方式
第一章主要内容
• MEMS的基本概念及其特点 • MEMS的发展概况
MEMS工艺
• 硅工艺
▫ 体硅工艺 ▫ 表面工艺 ▫ 两者结合
• 非硅工艺
▫ LIGA工艺 ▫ DEM工艺 ▫ 其他工艺：超精密加工、 非切削加工、特种加工 技术
MEMS与集成电路工艺的不同
• 集成电路与MEMS器件特点比较： • 集成电路：薄膜工艺； 制作各种晶体管、电阻电容等 重视电参数的准确性和一致性 • MEMS：工艺多样化 制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、锥、针尖、 弹簧及所构成的复杂机械结构 更重视材料的机械特性，特别是应力特性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
汽车工业
• 每部汽车内可安装30余个传感器： 气囊，压力、温度、湿度、气体等 • 微喷嘴 • 智能汽车控制系统 工业控制 • 化工厂 • 自动化控制中的探测器等
MEMS的应用
环境保护 • 无人值守大气环境监测网 • 高速公路环境监测网
消费类、玩具 • 消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机 • 虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具
膜越厚，腐蚀 MEMS的典型生产流程 多次循环 次数越少。
去除下层材料， 释放机械结构
成膜
DEPOSITION OF MATERIAL
光刻
PATTERN TRANSFER
腐蚀
REMOVAL OF MATERIAL
PROBE TESTING
SECTIONING
INDIVIDUAL DIE
ASSEMBLY INTO PACKAGE
• MEMS工艺的基本概念 • MEMS工艺的国内外情况及发展趋势
• SEMI发布名为“全球微机电/微系统市场和机遇” 的市场研究报告中指出，2005年该产业总规模达 到480亿美元，期待到2010年将增长到950亿美元。 • 这些系统的核心微机电器件在2005年产业规模达 到53亿美元，由于消费电子微机电器件使用量增 加，预计到2010年产业规模将增长到99亿美元， 年复合增长率为13%。
82年：美国U.C. Bekeley，表面牺牲层技术 微型静电马达成功 MEMS进入新纪元
九十年代初ADI的气囊加速度计实现产业化
90年代中：ICP的出现促进体硅工艺的快速发 展
九十年代末Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高 水平
国内MEMS的发展
• 20世纪90年代初清华大学等高校开始研究。
MEMS技术的发展与应用
MEMS应用
• • • • • • • • 军事领域 信息领域 航空、航天 生物、医疗 汽车 工业控制 环境保护 消费类、玩具
几个商业化了的MEMS产品
(1) 压力传感器 • 最成熟、最早开始产业化 • 压阻式和电容式 压阻式微压力传感器的精度：0.05％～0.01％， 年稳定性达0.1％/F.S，温度误差为2ppm，耐压可 达几百兆帕，过压保护范围可达传感器量程的20 倍以上。