微纳米测量与工艺

MEMS Lab－超净间

黄光区 腐蚀清洗区 等离子区 炉管区 测试区




MEMS Lab－超净间

黄光区 腐蚀清洗区 等离子区 炉管区 测试区
电感 耦合 高频 等离 子体 （ICP）




MEMS Lab－超净间

黄光区 腐蚀清洗区 等离子区 炉管区 测试区
1.干氧: O2+si --> sio2 2.湿氧: H2O + Si -->sio2 + 2H2




MEMS Lab－超净间

黄光区 腐蚀清洗区 等离子区 炉管区 测试区




衬底制备与测试

选购或定制硅片时要考虑哪些参数？ 硅片制备过程中如何保证这些参数？
衬底参数

直径和厚度 晶向 导电类型及电阻率 表面质量 缺陷和污染
衬底制备

衬底材料
化学提纯
高温融解
结晶，拉晶
北大表面工艺
下层电极

淀积氧化硅（3000Å） 淀积氮化硅（2000Å） 淀积多晶硅（3000Å） 光刻（1＃掩模版 正版） 刻蚀多晶硅
牺牲层

淀积PSG(2µm) 光刻（2#掩模版 负版） 刻蚀PSG（2000Å）
刻蚀支撑点

光刻（2#掩模版负版） 刻蚀PSG
淀积多晶硅

d = T DSiO2 t
DSiO2 « DSi 足够的厚度
二氧化硅薄膜

薄膜质量检测

厚度测量

辨色法 干涉法 椭圆偏振法

缺陷检测

表面观察法 化学腐蚀法
金属薄膜

制作工艺和用途

导线，电极，焊盘；掩膜 蒸发，溅射

薄膜质量检测

厚度测量

称重法 电阻法 台阶法 椭圆偏振法 表面观察法
π / 2 − 2P ∆= 3π / 2 − 2 P
ψ =A
( P, A) ~ (ψ , ∆) ~ (n2 , d )
查表或用计算机程序计算
椭偏仪
掺杂

目的

改变材料的导电性能 合金 扩散


掺杂方法

预淀积，再分布 注入，退火

离子注入

掺杂

掺杂质量检测

结深

磨角法 滚槽法
磨外径
石英砂
多晶硅或非晶硅
熔融硅
单晶硅
掺杂，种晶
衬底制备

选材

定向

X射线衍射法 二次离子质谱法SIMS 极性仪和四探针仪

掺杂类型及浓度


微缺陷

激光散射法 激光超声法 X射线探测法
衬底制备

切片

参考面 厚度
[110] 180° [110] 90° [110] [110]
浓硼扩散

浓硼扩散，定义结构层

扩散深度15－20µm
ICP刻蚀

光刻（2#掩模版 正版） ICP刻蚀，预释放结构
形成金属电极

光刻（3＃掩模版 负版 ） 腐蚀玻璃形成浅槽（1200Å） 溅射Ti/Pt/Au 剥离形成金属电极
键合

键合 划片
结构释放

EDP腐蚀（自停止）
′ / E1P RP = EP ′ / E1S RS = ES
椭圆偏振法原理

两分量总反射系数之比是变量n1、n2、n3、d、λ、θ1的函数 总反射系数之比是复数，可用tgψ和Δ表示模和复角 已知n1、n3、λ、θ1，只要测量出ψ和∆，就可求出n2和d
RP i∆ G= = f (n1 , n2 , n3 , d , λ , θ1 ) = tgψe RS

缺陷检测

椭圆偏振法原理

当样品对入射光存在强烈吸收或薄膜厚度远小于光波长 时，用来测量折射率的几何光学方法和用来测量薄膜厚 度的干涉法均不再适用

椭圆偏振法是利用偏振光在薄膜界面反射或透射时出现 的偏振变换来测量薄膜的折射率和厚度

椭圆偏振法的应用范围很广，可用于介质薄膜、金属薄 膜、非晶半导体薄膜、聚合物薄膜的测量，也可用于薄 膜生长或刻蚀过程的实时监测
微米纳米测试技术专题之
微米纳米测试技术应用 －微加工测试
讲课内容

测量与制造 MEMS的加工和测试技术 标准工艺流程实例 讨论题



测量与制造
测量与制造的关系

制造结果与设计目标之间存在偏差 测量为过程控制和质量控制提供依据 制造技术的发展依靠测试手段的提高
精密加工技术

精密加工的定义

质量检测

膜厚，台阶，微缺陷等
电阻率，介电常数，击穿电压，漏电流等

电性能测试


工艺线和环境监控
薄膜制备

材料、工艺、作用

氧化硅、氮化硅、多晶硅、金属 外延、氧化、淀积、蒸发、溅射 结构、掩蔽层、掩膜、牺牲层、钝化、保护、导电、 介电 膜厚、厚度均匀性、物性参数 裂纹、针孔、斑点等

′ sin ϕ P ′ cos A = ES ′ sin ϕ S ′ sin A EP
A
Y’
E’S
′ − ϕS ′ )= 0 (ϕ P
′ − ϕS ′ )=π (ϕ P
′ / ES ′ = tanψ tan A = EP
椭圆偏振法原理

调整四分之一波片满足入射等幅偏振光条件 调整起偏器方位角P，使反射光成为线偏光 用消光时的(P,A)确定(∆, ψ)

工件尺寸在10cm以上：相对精度在万分之一以下 工件尺寸在10µm以下：绝对精度在1µm以下 精密机械加工 特种精密加工 微细加工 精密测试技术 精密环境控制技术

精密加工的分类


精密加工的条件

精密测试技术

精密测试技术

设备标定 在线检测 信息处理

发展方向

大尺寸测量 微纳测试
刻蚀
比较参数 腐蚀偏差 腐蚀图形 刻蚀速率 选择性 设备价格 产率 化学试剂使用量 湿法腐蚀 >3微米 各向同性或各向异 性 高，可控 高，可控 低 高（可批量化） 大量 干法腐蚀 非常小 可控 可接受，可控 可接受，可控 高 可接受 少量
刻蚀

台阶测量

台阶仪 白光干涉仪 激光扫描仪 扫描电镜
氧化工艺 干氧 湿氧 水汽 热分解淀积 外延淀积
称重
椭偏仪
MOS电容器
二氧化硅薄膜

化学性质

最稳定的化合物 与金属氧化物，非金属氧化物在一定温度下形成 玻璃体

与氢氟酸起化学反应
二氧化硅薄膜

应用

器件中的介质层 器件表面的保护膜和钝化膜 杂质选择性扩散的掩蔽层

扩散定律 掩蔽条件
[110] 45° {110}n型 [100]
[110] [100]
{110}p型
{100}n型
{100}p型
衬底制备

研磨、抛光

尺寸测量 表面缺陷检测
厚度、总厚度变化、弯曲度、平整度

亮场检测、暗场检测

化学清洗

杂质污染
MEMS工艺及测试

MEMS加工工艺

制膜、光刻、刻蚀、掺杂等

MEMS加工测试

涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀，去胶
光刻

光刻质量要求

刻蚀的图形完整，尺寸准确，边缘整齐陡直 图形内没有针孔 图形外没有残留的被腐蚀物质 图形之间套合准确

光刻缺陷

浮胶、毛刺、钻蚀、针孔、小岛 观察和镜检
刻蚀
工艺 湿法腐蚀 加工材料 硅 氮化硅 氧化硅 铝 干法刻蚀 RIE DRIE (ICP) 硅，多晶硅 氮化硅 氧化硅 铝 腐蚀剂 KOH, TMAH（四甲基氢氧化氨）, EDP (乙二胺邻苯二酚和水的混合液） H3PO4(磷酸) HF H3PO4 SF6 CF4 CHF3（氟化碳） Cl2
′ / ES ′ EP tgψ = E1P / E1S

′ − ϕS ′ ) − (ϕ1P − ϕ1S ) ∆ = (ϕ P
′ / ES ′ tgψ = EP
∆ = −(ϕ1P − ϕ1S )
若入射光为等幅椭偏光 若反射光成为线偏光
∆ = π − (ϕ1P − ϕ1S )
椭圆偏振法原理

入射等幅偏振光的获得

双面对准 键合误差5µm
硅片减薄

减薄（80－100µm）

KOH腐蚀 机械减薄

玻璃面划片
ICP刻蚀

溅射Al 光刻（3＃掩模版 正版） 刻蚀Al ICP刻蚀Si，释放结构
北大体硅工艺2
定义键合区

光刻（1#掩模版 正版） 刻蚀浅槽（4µm ）

Βιβλιοθήκη Baidu
RIE 或 KOH

方块电阻

RS =
ρ
xj
四探针仪

表面杂质浓度

表面分析法 间接查表法
Rs , x j ~ ρ ~ N S
磨角法与滚槽法
四探针法
电流探针
V RS = C ⋅ I
电位探针
光刻

目的

按照设计要求，在薄膜或衬底上刻蚀出与掩模版 完全对应的几何图形，以实现选择性扩散、金属 布线、形成结构

工艺步骤
标准工艺流程
北大体硅工艺1
定义键合区

光刻（1#掩模版 正版） 刻蚀浅槽（4µm ）

RIE 或 KOH
掺杂

离子注入，形成接触区 用于轻掺杂衬底
形成金属电极

光刻（2＃掩模版 负版 ） 腐蚀玻璃形成浅槽（1200Å） 溅射Ti/Pt/Au 剥离形成金属电极
硅/玻璃阳极键合
上海微系统所电容器件
序 号 9 10 11 12 13 14 15 16 工艺名称 选取Pyrex7740玻璃片 清洗玻璃片 玻璃片蒸铝 光刻 腐蚀Al 键合 光刻Si片正面SiO2 清洗键合片 重复步骤2 硅片背面和玻璃正面 进行静电键合 （3＃版） 重复步骤2 厚度1um 玻璃片正面蒸铝 （2＃版） 工艺要求 备注
黄光区就是所有的照明光源均为黄色之区域. 由于IC晶方内之图案均有赖光阻剂(photo resist)覆盖在芯片上, 在经过暴光和显影而定型. 而光阻剂遭遇光线照射(特别是紫外线)即有暴 光之效果, 因此在显影之前, 都要远离此光源. 因为黄光的波长较长, 使光阻剂暴光的效果很 低, 因此将黄光作为显影前最理想的照明光源.
MEMS的加工和测试技术
内容

MEMS Lab－超净间 衬底的制备与测试 MEMS工艺及测试
MEMS Lab－超净间

超净间的布局

黄光区 腐蚀清洗区 等离子区 炉管区 测试区 灰区（过渡区和辅助区）

工艺设备 测试设备
MEMS Lab－超净间

黄光区 腐蚀清洗区 等离子区 炉管区 测试区
参数


缺陷

二氧化硅薄膜

工艺和物理性质
密度 克/厘米3 2.24～2.27 2.18～2.21 2.00～2.20 2.09～2.15 2.3 折射率 λ=5460A 1.460～1.466 1.435～1.458 1.452～1.462 1.43～1.45 1.46～1.47 1015～1017 107～108 7～8×1014 3.54（1兆周） 5～ 6 电阻率 欧姆.厘米 3×1015～2×1016 介电常数 3.4（10千周） 3.82（1兆周） 3.2（10千周） 6.8～9 介电强度 106伏/厘米 9
2 E0 ei (π / 4+ P ) 2 2 E0 ei (3π / 4− P ) 2
E = 1P E = 1S
ϕ1P − ϕ1S = 2 P − π / 2
椭圆偏振法原理

反射线偏光的获得
X’ E’P
′ / ES ′ EP tgψ = E1P / E1S
′ − ϕS ′ ) − (ϕ1P − ϕ1S ) ∆ = (ϕ P

淀积多晶硅（2 µm） 应力调整
刻蚀多晶硅

光刻（4#掩模版 正版） 刻蚀多晶硅
释放结构

牺牲层腐蚀 防粘附处理
上海微所电容器件工艺
上海微系统所电容器件
序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 工艺名称 选取N型（100）双抛硅片 标准清洗 氧化 光刻 腐蚀氧化硅 腐蚀硅 清洗硅片 腐蚀背面SiO2 腐蚀深度4um 重复步骤2 硅片正面SiO2用胶保护 厚度0.5um 最小线宽10um 硅片背面光刻（1＃版） 工艺要求 硅片厚度450um 备注
ψ = arctan f ∆ = arg( f )
椭圆偏振法原理
E1P = E1P e
iφ1 P
E1S = E1S eiφ1S
′ ′ = EP ′ e iφ P EP
′ = ES ′ e iφ ' S ES
′ / ES ′ i [(ϕ P EP ′ −ϕ S ′ )− (ϕ1 P −ϕ1 S )] i∆ = tgψe e G= E1P / E1S

非破坏性，测量精度高
椭圆偏振法原理

入射椭圆偏振光用平行和垂直于入射面的两分量E1P和E1S表示 经过两个界面上的折射和反射后，形成多光束干涉 总的反射光用平行和垂直于入射面的两分量E’P和E’S表示
′ = E1′P + E2 ′ P + E3 ′P + EP ′ = E1′S + E2 ′ S + E3 ′S + ES
微加工技术

微加工的定义

特征尺寸：0.1mm～ 0.1µm 绝对精度 ：0.1µm～ IC技术及IC兼容的微加工技术 LIGA技术 超精密加工技术 微纳测试技术 超精密环境控制技术

微加工的分类


微加工的条件

微纳测试技术

特点

微纳尺度 微纳精度 非在线测量 非接触测量