第五讲微细加工技术

速率慢。背键数（与次表面硅原子结合的Si-Si键称为背键）
（111）面上有三个，（100）面上有两个，因此（111）面上 使硅原子氧化要打断3个背键，所以其刻蚀速率比预期的更慢。 与各向同性刻蚀一样，各向异性刻蚀的机理就是对硅进行氧 化。常用的刻蚀剂是KOH（氢氧化钾）+水+异丙醇的混合液。
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• 干法刻蚀是用等离子的方法与硅片产生化学或者物理反应。 其主要技术有反应离子刻蚀技术（RIE）和感应耦合等离
用于制造金属膜、介质膜、压阻膜、压电膜及半导体膜等。
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蒸镀 在安放着基片的真空室内，通过真空蒸镀的方法也可形成薄膜。 如图。
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溅射
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（3）反应性生长 一些能与基片起反应的材料可以通过它们的反应来沉积， 称为反应性生长，这种方法广泛用于硅表面生长二氧化硅。
干法氧化： Si（硅片）+O（气体） SiO（薄膜） 2 2 湿法氧化： Si（硅片）+2H2O（气体） SiO（薄膜） +2H2 2 该法简单，在含有反应气体的炉中就可完成，薄膜的质量 好。但受反应物向基片表面下进行扩散的速度限制，仅能 制备厚度不超过1µm的很薄的薄膜。
又分为常压化学气相淀积、低压化学气相淀积、等离子强化
化学气相淀积3种方法。
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化学气相沉积（CDV） 如图，高温使含有待沉积物质的化合物升华成气体，与另一 种气体化合物在一个反应室中进行反应，生成固态的沉积物 质，使之沉积在衬底上而生成薄膜。
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• 目前主要用到的化学气相沉积法有： 常压化学气相淀积（APCVD）：经常用来淀积二氧 化硅膜。 APCVD淀积的薄膜台阶覆盖能力较差。 低压化学气相淀积（LPCVD）：具有良好的台阶覆 盖能力。 等离子增强化学气相淀积（PECVD）：采用等离子 体把电能耦合到气体中，促进化学反应的进行，从 而来淀积薄膜的方式。
压力微传感器的电阻栅分布
溅射电阻薄膜后，再按下图工 艺制作电阻栅。
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在弹性衬底上溅射电阻薄膜
在电阻膜上均匀甩涂一层正性光刻胶
在光刻胶上放置应变图形掩模板，并进行曝光
进行显影、定影，去除不需要的光刻胶
利用离子束溅射刻蚀，刻蚀掉பைடு நூலகம்有光刻胶保护的电 阻薄膜
去除电阻栅上的光刻胶，即可得到应变电阻图形
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一、光刻技术
光刻技术是加工制造半导体集成电路和集成传感器微图形结 构的关键技术。光刻技术的运用使大规模生产变得经济可行。 可以在一块晶片上并行制造众多结构，可以将先前设计的众 多结构复制出来，无磨损、无破坏地传送到晶片上。 所谓光刻是指在一块平整的硅片上利用照相复制与化学腐蚀 相结合的技术将超小型的图案刻印上去来制作复杂精密的电 路或微机械结构的技术。 光刻技术中涂在光刻硅片上的光刻胶与相片中的相纸原理是 一样的，掩膜与底片的功能也是一样的。 对光刻技术的一般要求是：高分辨率、高灵敏度、低缺陷、 精密套刻对准和大尺寸硅片加工等。
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（2）物理气相淀积（PVD）。 物理气相淀积是利用真空蒸镀法和溅射法，使被淀积的原 子（或原子团、分子）经过一段空间飞行后落到衬底上面而
淀积成薄膜的方法。其中真空蒸镀法可以用蒸发铝合金来制
作电极或直接在敏感元件上制作薄膜，其优点是设备简单、 成膜速度快，但形成的薄膜强度低，难以制造化合物膜。溅 射法目前应用更广泛，它包括直流溅射和射频溅射。直流溅 射只能溅射合金薄膜，在应用上具有局限性；而射频溅射可
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接近式光刻装置示意图
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接触式光刻示意图
接近式光刻示意图
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投影式光刻系统示意图
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2.X射线光刻技术
极高分辨率（衍射效应可忽略），成像图形清晰
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硅微加工技术之刻蚀技术 二、刻蚀技术
• 刻蚀是体硅微加工技术常用方法。刻蚀的基本目标是在涂 胶的硅片上正确复制掩膜图形。有图形的光刻胶层在刻蚀 中不会受到腐蚀液显著的侵蚀，未被光刻胶保护的区域则 会被有选择地刻蚀掉。 • 刻蚀包括：（1）湿法各向同性刻蚀；（2）湿法各向异性 刻蚀；（3）等离子各向同性刻蚀；（4）反应离子腐蚀
图（b）显影后去除要刻蚀区域的光刻胶； 图（c）刻蚀后，由于光刻胶的抗蚀作用，仅暴露的薄膜被刻掉； 图（d）洗掉光刻胶后，得到所需图案。
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表面牺牲层技术 为了形成多层薄膜图形，需要采用表面牺牲层技术
所谓牺牲层实际上是一层作为中间层的薄膜，在后续工序中
这层薄膜将被去除，从而得到悬浮的可动的微机械结构部件。 表面牺牲层制作的一般过程如下：先在衬底上淀积一层牺牲 层材料，利用光刻，刻蚀成一定的图形，然后淀积作为机械 结构的材料并光刻出所需的图形，再将支撑结构层的牺牲层 材料腐蚀掉，以形成一个空腔或使其上面的结构材料“悬浮” 起来，以形成悬臂梁、悬臂块、微型桥等各种运动机构。 常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属
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（4）化学气相淀积（CVD）。 化学气相淀积是把含有构成薄膜元素的一种或多种化合物、 单质气体供给基片，借助于气相作用或在基片上的化学反应
生成所需要的薄膜。主要生成反应过程为：使含有待淀积材
料的化合物升华为气体，与另一种气体或化合物在一个高温 反应室中进行反应，生成固态的淀积物质，使之淀积在加热 至高温的衬底上，生成薄膜。这种方法可以制造出多种用途 的微机电器件薄膜，如介质膜、半导体膜等。化学气相淀积
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（1）各向同性刻蚀 对硅的各向同性刻蚀主要完成以下工艺过程： 清除硅表面的污染或修复被刻划伤了的硅表面； 形成单晶硅平膜片；
形成单晶硅或多晶硅薄膜上的图案，以及圆形或椭圆形截面 的腔和槽等。
硅的各向同性刻蚀通常采用氧化剂硝酸、去除剂氢氟酸、以 及醋酸混合成的刻蚀剂，一般称为HF-HNO2刻蚀系统。
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光刻工艺流程 底膜处理→旋转涂胶→烘焙 →对准与曝光→显影→坚膜烘 焙
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1.光学光刻技术 光刻法是通过将掩膜在感光抗蚀剂内成像而生成图形的。 常用光源为水银蒸汽灯，波长为435nm、405nm、365nm。 光刻方法主要有三种：接触式、接近式、投影式。 掩膜与抗蚀剂直接接触，称为接触式光刻；若是与抗蚀剂之 间有一个小间隙（20~50µm），以防止掩膜由于粉尘粒子被 擦伤，则称为接近式光刻；高分辨率系统利用透镜在抗蚀剂 上生成掩膜原图的缩小影像，称为投影式光刻。
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例：薄膜工艺在压力微传感器制作中的应用
在弹性衬底（如石英等绝缘材 料）上进行溅射或沉积一层导 电薄膜，再采用光刻方法形成 应变电阻，然后在应变电阻上 溅射一层SiO2或Al2O3来保护 应变电阻使其不暴露于大气， 以免电阻条被氧化。 如果是金属弹性衬底，一般首 先在金属弹性衬底上溅射一层 或多层绝缘膜（如SiO2或 Al2O3等）。
子体刻蚀技术（ICP）。干法刻蚀的优点是控制精度高、
大面积刻蚀均匀性好、污染少。 • 干法刻蚀步骤大致如下： 刻蚀用气体在足够强的电场作用下被电离，产生离子、电 子及游离子等刻蚀物质；
刻蚀物质穿过停滞气体层（气体屏蔽层），扩散在被刻蚀
晶片（或薄膜）的表面上，并被表面吸收； 产生化学反应刻蚀。反应生成的挥发性化合物由真空泵抽 出腔外。
现代传感器的发展方向是微型化、多功能化和智能化。在硅
集成电路工艺基础上发展起来的微细加工技术能将尺寸缩小
到光波长数量级，且能批量生产微型低成本传感器。除氧化、 掺杂、光刻、腐蚀、沉积等硅集成电路工艺外，还有一些独 特的加工技术和新的加工方法，如各向异性腐蚀技术、LIGA 技术、键合技术、准分子激光加工技术等，不但可进行高精 度三维加工，还可以将微型传感器和信号检测及处理电路集 成一体，以及将微型机械元件等执行器与传感器集成一体，
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离子刻蚀
离子刻蚀可以实现比化学刻蚀更高的刻蚀精确度。它是利用 气体的等离子体生成物或者溅射进行刻蚀的。刻蚀步骤大致 如下： 刻蚀用气体在足够强的电场作用下被电离，产生离子、电 子及游离子等刻蚀物质；
刻蚀物质穿过停滞气体层（气体屏蔽层），扩散在被刻蚀 晶片（或薄膜）的表面上，并被表面吸收；
其刻蚀速率最大接近1mm/min。通过改变刻蚀剂的成分配 比、浓度、温度可以获得不同的刻蚀速率。
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（2）各向异性刻蚀 对硅的各向异性刻蚀是制造微机械结构的关键技术之一， 利用这种技术能够制造出微传感器和执行器的精密三维结构。 由于单晶硅为各向异性体，表现在化学刻蚀性方面也为各向异 性，即在各向的刻蚀速率不同。刻蚀速率与晶向、掺杂浓度及 外加电压有关。沿主晶面（100）的刻蚀速率最快，沿（111） 面最慢，刻蚀速率比约为400﹕1。（110）面的刻蚀速率介于 两者之间。
产生化学反应刻蚀。反应生成的挥发性化合物由真空泵抽 出腔外。
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离子刻蚀的种类包括采用物理方法的离子刻蚀和离子束刻蚀、 采用化学方法的等离子体刻蚀、采用物理和化学相结合的反 应离子刻蚀和反应离子束刻蚀。 自停止刻蚀
为了能够精确控制刻蚀程度，可以采用一些措施来将刻蚀 在控制良好的厚度上停止，这种技术称为自停止刻蚀。
轻掺杂自停止刻蚀
重掺杂自停止刻蚀
阳极自停止刻蚀等等
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三、表面膜的加工工艺
表面膜的加工工艺是微传感器技术中最基础的工艺，可分为厚 膜工艺和薄膜工艺两类。厚膜工艺出现较早，应用技术成熟； 而薄膜工艺与MEMS技术有良好的兼容性，是微传感器研发应 用的主流工艺。
1.厚膜工艺 厚膜工艺采用的是具有弥散在有机溶剂中的普通金属或贵金属 微粒（平均直径为5µm）的膏剂或“涂料”，以及使这些膏剂 固化的玻璃料。依据弥散微粒的不同，膏剂可以分为导电型、 电阻型、介质型三种。这些膏剂按照预定的图案，通过丝网印 刷技术制作到基片上。然后将带有沉积膜的基片烘干、焙烧， 使金属粉结块，使沉积膜与基片结合。
四、硅的表面微加工工艺
表面微加工技术是以硅片作基片，通过淀积与光刻形成薄
膜图形。
薄膜主要是多晶硅膜、氮化膜、二氧化硅膜等，它们为微 器件提供敏感元件、绝缘层、结构层、耐腐蚀、耐磨层和牺 牲层。 薄膜生成常采用物理气相淀积和化学气相淀积工艺。
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典型平面微加工技术：薄膜制备、光刻和刻蚀。
图（a）用光刻胶薄膜掩盖要刻蚀的薄膜，然后通过掩膜使之曝光；
各向异性刻蚀主要用于在硅衬底上形成不同的微结构，因此用 途更广。
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硅在不同晶面上的晶胞密度不同是造成各向异性刻蚀的主要
原因。（111）面上的晶胞堆积密度大于（100）面，所以其 刻蚀速率慢。此外还与硅表面上未成对的每个原子悬挂键的 密度有关。（100）面上每个硅原子有两个悬挂键，可以结合 两个OHˉ;（111）面上每个硅原子仅有一个悬挂键，所以刻蚀
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2.薄膜工艺 薄膜由在抛光的高纯度（99.6%）氧化铝或若碱性玻璃基片上进 行沉积形成。 薄膜工艺采用的沉积方法与集成电路制造中采用的方法相同，即 旋转涂敷、蒸镀、溅射（物理气相淀积（PVD）） 、反应性生 长、化学气相沉积和等离子体沉积等 。
（1）旋转涂敷 薄膜材料在挥发性溶剂中溶解并灌注到快速旋转的基片上。旋转 时，液体蔓延，挥发性溶剂蒸发，从而留下0.1~50µm的均匀固 体层。该法简单而廉价，但当基片存在超出膜厚2~3倍的台阶时， 这种方法难以得到连续的膜。 旋转涂敷方法最常见于平面光刻工艺中，用于在基片表面制备光 刻胶薄膜。在微传感器中，常用于制备化学微传感器敏感膜。
组成微系统。
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硅膜片电容式压 力传感器
（1）在单晶硅基底上，用各向异性腐蚀技术（体去除加工）制成一个三 维空腔，空腔上形成一个硅膜片，直径1000微米，厚20微米。 （2）在硅基底上沉积SiO2掩膜作绝缘层（厚度几个微米）；在绝缘层上 蒸镀直径700微米，厚20微米的金属电极。 （3）通过光刻、照相、腐蚀、镀层等微电子工艺制作集成电路IC。 （4）在电极与集成电路周围用键合技术制作支承，分别把镀层电极和屏 蔽层（静电盾）的玻璃衬底与支承用键合技术连接。 （5）通过预留连接孔与外部连接引线，电容电极间隙在1~5微米之间。测 量时感知电容与校正电容比较，产生信号输出。
（RIE）；（5）自停止刻蚀技术。
• 湿法刻蚀是用化学反应方式去除硅片表面的材料。它刻蚀 线条比较粗，一般应用在尺寸相对比较大的情况下。 KOH是一种被广泛使用的腐蚀液。
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硅微加工技术之刻蚀技术
• 对硅的刻蚀包括各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。各向异性 刻蚀主要用于在硅衬底上形成不同的微结构，因此用途更 广。