微电子理论
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微电子概论
——MEMS
——硅微机械加工工艺
什么是MEMS技术?
• MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。 MEMS是微机械(微米/纳米级)与IC集成的微系统，即 具有智能的微系统，MEMS基于硅微加工技术但不仅 限于它。简单来说，MEMS就是对系统级芯片的进一 步集成。我们几乎可以在单个芯片上集成任何东西， 像运动装置、光学系统、发音系统、化学分析、无线 系统及计算系统等，因此MEMS技术是一门多学科交 叉的技术。MEMS器件价格低廉、性能优异、适用于 多种应用，将成为影响未来生活的重要技术之一。
• 溶液腐蚀主要依赖于硅的掩蔽性、各向异性和 选择性。 • 各向异性是指硅的不同晶面具有不同的腐蚀速 率,各向异性腐蚀利用硅的不同晶向具有不同 的腐蚀速率这一腐蚀特性对硅材料进行加工, 在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异 性腐蚀剂一般分为有机腐蚀剂和无机腐蚀剂两 类。
2--键合
• • • • • 键合是指不利用任何黏合剂,只通过化学键 和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或 其他材料紧密结合在一起。在MEMS 技术 中,最常用的是硅与硅直接键合和硅与玻璃 静电键合技术,还有硅化物键合、有机物键合等 等。
硅微机械加工工艺
• 1.体硅加工工艺：对 硅进行三维加工，以 衬底单晶硅片作为机 械结构。 • 2.表面加工工艺：利 用与集成电路工艺相 似的平面加工手段， 以硅薄膜作为机械结 构。
• 表面牺牲层工艺是表面微机械技术的主 要工艺。其基本思想是:先在衬底上淀积 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,这样就可形成悬浮的微机械 结构部件。
• 腐蚀
• 键合 光刻 • 氧化
• 扩散
• 溅射
1--腐蚀
• 腐蚀是硅微机械加工的最主要的技术,各 种硅微机械几乎都要用腐蚀成型。腐蚀 法分湿法腐蚀和干法腐蚀两大类,湿法腐 蚀又分为溶液法及阳极法,干法腐蚀分为 离子蚀，激光加工等。溶液腐蚀法由于 使用简便、成本低、加工效果好、加工 范围宽,因而是微机械加工中使用最广的 技术。
4--氧化
• 氧化在硅外延平面中是很重要的。热生 长氧化法是在硅片表面生长SiO2 膜的 常用方法,其方法是将硅片放入高温炉内, 在氧气中使硅片表面生成SiO2 薄膜。 氧化可分为干氧氧化和湿氧氧化。
• 干氧氧化是在高温下使氧分子与硅片表面 的硅原子反应,生成SiO2 起始层,然后氧分 子以扩散方式通过SiO2 层生成新的SiO2 层,使SiO2 薄膜继续增厚。湿氧氧化是在 氧气通入炉子前,先通过加热的高纯去离子 水,使氧气中携带一定量的水汽。在湿氧氧 化中,既有氧的氧化作用,又有水的氧化作用。 氧化层的生长速率与氧化温度及氧气流中 的水汽含量均有关系。
5--扩散
• 扩散属于掺杂工艺,掺杂包括扩散和离子 注入两种。扩散是指在高温下,使杂质由 半导体晶片表面向内部扩散,以改变晶片 内部的杂质分布和表层导电类型。在扩 散过程中,当扩散表面源和表面的初始杂 质含量不同时,杂质向硅片扩散的结果将 使硅片内部出现不同形式的杂质分布。
• 扩散方式包括恒定表面源浓度扩散和限定 源扩散两种。恒定表面源浓度扩散的特点 是在扩散过程中硅片的表面同浓度不变的 杂质相接触; 限定源扩散的特点是整个扩散 过程中的杂质源,限定于扩散前积累在硅片 表面的无限薄层内的杂质总量,没有外来杂 质补充。
• 在微机械加工中,硅与玻璃或硅与硅的键合 迄今都采用静电键合技术,即将两键合面一 起加热,并在键合面间施加一定的电压,在高 温、高电场下两键合面形成热密封。常规 的硅与硅键合工艺需要在键合面淀积0. 5μm～1μm 厚的玻璃膜,然后按硅与玻璃 键合的工艺键合。
3--光刻
• 光刻是一种复印图象同化学腐蚀相结合 的综合技术,它采用照相复印的方法,将光 刻版上的图形精确地复印在涂有感光胶 的SiO2 层或金属蒸发层上,然后利用光 刻胶的保护作用,对SiO2 层或金属蒸发 层进行有选择的化学腐蚀,从而在SiO2 层或金属蒸发层上得到与光刻版相应的 图形。
国内MEMS企业
1 华润半导体有限公司
2 Memsic-美新半导体(无锡)有限公司
3 苏州敏芯微电子技术有限公司
微型机械加工技术发展现状
微型机械系统可以完成大型机电系统所不能完任 务。微型机械与电子技术紧密结合，将使种类繁 多的微型器件问世，这些微器件采用大批量集成 制造，价格低廉，将广泛地应用于人类生活众多 领域。可以预料，在本世纪内，微型机械将逐步 从实验室走向适用化，对工农业、信息、环境、 生物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重大 影响。微细机械加工技术是微型机械技术领域的 一个非常重要而又非常活跃的技术领域，其发展 不仅可带动许多相关学科的发展，更是与国家科 技发展、经济和国防建设息息相关。微型机械加 工技术的发展有着巨大的产业化应用前景。
制作MEMS器件的技术主要有 三种
• 1.以日本为代表的利用传统机械加工手 段 • 2.硅微机械加工工艺 • 3.LIGA加工工艺
MEMS技术的应用领域
• MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性 领域，它几乎涉及到自然及工程科学的 所有领域，如电子、机械、光学、物理 学、化学、生物医学、材料科学、能源 科学等。
要点回顾
• （一）MEMS： • 1.以日本为代表的利用 传统机械加工手段 • 2.硅微机械加工工艺
• 3.LIGA加工工艺
• （三）硅微机械加工特 点：体积小，重量轻， 能耗低，性能稳定
• （二）硅微机械加工 工艺： • 1腐蚀 • 2键合 • 3光刻 • 4氧化 • 5扩散 • 6溅射
轻松一刻
6--溅射
• 溅射是与气体辉光放电现象密切相关的 一种薄膜淀积技术。它是在高真空室中 充入少量的惰性气体例如氩气、氦气等, 利用气体分子在强电场作用下电离而产 生辉光放电,从而产生带正电的离子,受电 场加速而形成的高能离子流撞击在阴极 靶表面上,使阴极靶材料表面的原子飞溅 出来,淀积到基片上形成薄膜。
谢谢观看
• 收集资料：戚，陆 • PPT制作者：陆庆文 • PPT二次修改：戚晓磊
主要的硅微机械加工工艺
• 硅微机械加工工艺是制作微传感器、微 执行器和MEMS 的主流技术,是近年来 随着集成电路工艺发展起来的,它是离子 束、电子束、分子束、激光束和化学刻 蚀等用于微电子加工的技术,目前越来越 多地用MEMS 的加工中。
温度传感器
执行器
智能手机中的MEMS 传感器
几种重要硅微机械加工工艺
微型机械加工技术特点
• 其主要特点有：体积小（特征尺寸范围为： 1μm-10mm）、重量轻、耗能低、性能稳定； 有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小、 谐振频率高、响应时间短；集约高技术成果， 附加值高。微型机械的目的不仅仅在于缩小尺 寸和体积，其目标更在于通过微型化、集成化、 来搜索新原理、新功能的元件和系统，开辟一 个新技术领域，形成批量化产业。
——MEMS
——硅微机械加工工艺
什么是MEMS技术?
• MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。 MEMS是微机械(微米/纳米级)与IC集成的微系统，即 具有智能的微系统，MEMS基于硅微加工技术但不仅 限于它。简单来说，MEMS就是对系统级芯片的进一 步集成。我们几乎可以在单个芯片上集成任何东西， 像运动装置、光学系统、发音系统、化学分析、无线 系统及计算系统等，因此MEMS技术是一门多学科交 叉的技术。MEMS器件价格低廉、性能优异、适用于 多种应用，将成为影响未来生活的重要技术之一。
• 溶液腐蚀主要依赖于硅的掩蔽性、各向异性和 选择性。 • 各向异性是指硅的不同晶面具有不同的腐蚀速 率,各向异性腐蚀利用硅的不同晶向具有不同 的腐蚀速率这一腐蚀特性对硅材料进行加工, 在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异 性腐蚀剂一般分为有机腐蚀剂和无机腐蚀剂两 类。
2--键合
• • • • • 键合是指不利用任何黏合剂,只通过化学键 和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或 其他材料紧密结合在一起。在MEMS 技术 中,最常用的是硅与硅直接键合和硅与玻璃 静电键合技术,还有硅化物键合、有机物键合等 等。
硅微机械加工工艺
• 1.体硅加工工艺：对 硅进行三维加工，以 衬底单晶硅片作为机 械结构。 • 2.表面加工工艺：利 用与集成电路工艺相 似的平面加工手段， 以硅薄膜作为机械结 构。
• 表面牺牲层工艺是表面微机械技术的主 要工艺。其基本思想是:先在衬底上淀积 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,这样就可形成悬浮的微机械 结构部件。
• 腐蚀
• 键合 光刻 • 氧化
• 扩散
• 溅射
1--腐蚀
• 腐蚀是硅微机械加工的最主要的技术,各 种硅微机械几乎都要用腐蚀成型。腐蚀 法分湿法腐蚀和干法腐蚀两大类,湿法腐 蚀又分为溶液法及阳极法,干法腐蚀分为 离子蚀，激光加工等。溶液腐蚀法由于 使用简便、成本低、加工效果好、加工 范围宽,因而是微机械加工中使用最广的 技术。
4--氧化
• 氧化在硅外延平面中是很重要的。热生 长氧化法是在硅片表面生长SiO2 膜的 常用方法,其方法是将硅片放入高温炉内, 在氧气中使硅片表面生成SiO2 薄膜。 氧化可分为干氧氧化和湿氧氧化。
• 干氧氧化是在高温下使氧分子与硅片表面 的硅原子反应,生成SiO2 起始层,然后氧分 子以扩散方式通过SiO2 层生成新的SiO2 层,使SiO2 薄膜继续增厚。湿氧氧化是在 氧气通入炉子前,先通过加热的高纯去离子 水,使氧气中携带一定量的水汽。在湿氧氧 化中,既有氧的氧化作用,又有水的氧化作用。 氧化层的生长速率与氧化温度及氧气流中 的水汽含量均有关系。
5--扩散
• 扩散属于掺杂工艺,掺杂包括扩散和离子 注入两种。扩散是指在高温下,使杂质由 半导体晶片表面向内部扩散,以改变晶片 内部的杂质分布和表层导电类型。在扩 散过程中,当扩散表面源和表面的初始杂 质含量不同时,杂质向硅片扩散的结果将 使硅片内部出现不同形式的杂质分布。
• 扩散方式包括恒定表面源浓度扩散和限定 源扩散两种。恒定表面源浓度扩散的特点 是在扩散过程中硅片的表面同浓度不变的 杂质相接触; 限定源扩散的特点是整个扩散 过程中的杂质源,限定于扩散前积累在硅片 表面的无限薄层内的杂质总量,没有外来杂 质补充。
• 在微机械加工中,硅与玻璃或硅与硅的键合 迄今都采用静电键合技术,即将两键合面一 起加热,并在键合面间施加一定的电压,在高 温、高电场下两键合面形成热密封。常规 的硅与硅键合工艺需要在键合面淀积0. 5μm～1μm 厚的玻璃膜,然后按硅与玻璃 键合的工艺键合。
3--光刻
• 光刻是一种复印图象同化学腐蚀相结合 的综合技术,它采用照相复印的方法,将光 刻版上的图形精确地复印在涂有感光胶 的SiO2 层或金属蒸发层上,然后利用光 刻胶的保护作用,对SiO2 层或金属蒸发 层进行有选择的化学腐蚀,从而在SiO2 层或金属蒸发层上得到与光刻版相应的 图形。
国内MEMS企业
1 华润半导体有限公司
2 Memsic-美新半导体(无锡)有限公司
3 苏州敏芯微电子技术有限公司
微型机械加工技术发展现状
微型机械系统可以完成大型机电系统所不能完任 务。微型机械与电子技术紧密结合，将使种类繁 多的微型器件问世，这些微器件采用大批量集成 制造，价格低廉，将广泛地应用于人类生活众多 领域。可以预料，在本世纪内，微型机械将逐步 从实验室走向适用化，对工农业、信息、环境、 生物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重大 影响。微细机械加工技术是微型机械技术领域的 一个非常重要而又非常活跃的技术领域，其发展 不仅可带动许多相关学科的发展，更是与国家科 技发展、经济和国防建设息息相关。微型机械加 工技术的发展有着巨大的产业化应用前景。
制作MEMS器件的技术主要有 三种
• 1.以日本为代表的利用传统机械加工手 段 • 2.硅微机械加工工艺 • 3.LIGA加工工艺
MEMS技术的应用领域
• MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性 领域，它几乎涉及到自然及工程科学的 所有领域，如电子、机械、光学、物理 学、化学、生物医学、材料科学、能源 科学等。
要点回顾
• （一）MEMS： • 1.以日本为代表的利用 传统机械加工手段 • 2.硅微机械加工工艺
• 3.LIGA加工工艺
• （三）硅微机械加工特 点：体积小，重量轻， 能耗低，性能稳定
• （二）硅微机械加工 工艺： • 1腐蚀 • 2键合 • 3光刻 • 4氧化 • 5扩散 • 6溅射
轻松一刻
6--溅射
• 溅射是与气体辉光放电现象密切相关的 一种薄膜淀积技术。它是在高真空室中 充入少量的惰性气体例如氩气、氦气等, 利用气体分子在强电场作用下电离而产 生辉光放电,从而产生带正电的离子,受电 场加速而形成的高能离子流撞击在阴极 靶表面上,使阴极靶材料表面的原子飞溅 出来,淀积到基片上形成薄膜。
谢谢观看
• 收集资料：戚，陆 • PPT制作者：陆庆文 • PPT二次修改：戚晓磊
主要的硅微机械加工工艺
• 硅微机械加工工艺是制作微传感器、微 执行器和MEMS 的主流技术,是近年来 随着集成电路工艺发展起来的,它是离子 束、电子束、分子束、激光束和化学刻 蚀等用于微电子加工的技术,目前越来越 多地用MEMS 的加工中。
温度传感器
执行器
智能手机中的MEMS 传感器
几种重要硅微机械加工工艺
微型机械加工技术特点
• 其主要特点有：体积小（特征尺寸范围为： 1μm-10mm）、重量轻、耗能低、性能稳定； 有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小、 谐振频率高、响应时间短；集约高技术成果， 附加值高。微型机械的目的不仅仅在于缩小尺 寸和体积，其目标更在于通过微型化、集成化、 来搜索新原理、新功能的元件和系统，开辟一 个新技术领域，形成批量化产业。