硅微加工工艺

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2.1.2干法刻蚀
优点：各向异性刻蚀性强；分辨率高； 刻蚀3um以下线条。
类型： 等离子体刻蚀：化学性刻蚀； 溅射刻蚀：纯物理刻蚀； 反应离子刻蚀（RIE）：结合、。
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等离子体刻蚀（Plasma Etching，PE）原理 • a.产生等离子体：刻蚀气体经辉光发电后，成为具 有很强化学活性的离子及游离基——等离子体。 • b.等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。
硅微细加工工艺
主讲：XX 机械研13-4
硅微细加工工艺
1、硅 2、硅的体微加工技术 3、硅的表面微加工技术
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1、硅
单晶硅是MEMS和微系统采用最广泛的材料。 •单晶硅的特点： a.良好的传感性能，如光电效应、压阻效应、霍尔效 应等； b.单晶硅的杨氏模量、硬度和抗拉强度与不锈钢非常 接近，但其质量密度与铝相仿； c.非常脆，不能产生塑性变形； d.热膨胀系数小，熔点较高； e.硅材料是各向异性的。
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利用牺牲层制造硅梁的过程
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表面微加工对所用材料的要求 • （1）结构层必须能够保证所要求的使用性能。如 电学性能、力学性能、表面特性等。 • （2）牺牲层必须具有足够的力学性能以保证在制 作过程中不会引起分层或裂纹等结构破坏。而且 牺牲层还应不对后续工序产生不利影响。 • （3）腐蚀所选的化学试剂，应能优先腐蚀牺牲层 材料而不是结构层材料，必须有适当的黏度和表 面张力，以便充分地除去牺牲层而不产生残留。 • （4）表面加工工艺还应注意与集成电路工艺的兼 容性，以保证微机械结构的控制、信号输入和输 出等。
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2.1.1湿法刻蚀
• 湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻物质之间的化学反 应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。
工艺特点 设备简单、操作方便、成本低 可控参数多，适用于研发 受外界环境影响大（浓度、温度、搅拌、时间） 有些材料难以腐蚀
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湿法刻蚀——方向性 • 各向同性刻蚀——刻蚀速率在不同方向上没有差别 • 各向异性刻蚀——对不同晶面的刻蚀速率由明显的差别
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各向同性刻蚀的停蚀技术
• HNA系统在高稀释情况下(如体积1HF+3HNO3+8CH3COOH) 可以对掺杂浓度不同的硅进行选择性刻蚀。
• 实验表明，对于高掺杂硅和低掺杂硅，在HNA系统刻蚀 2min后，其刻蚀深度比为160:1；随时间的推移，15min 后，比值降为6.7:1。这是由于在反应中亚硝酸(HNO2)增 加，导致了两种硅的刻蚀程度开始接近。
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各向同性湿法刻蚀 • 常用的各向同性刻蚀剂是HNA系统，它是HF（氢氟 酸）、HNO3（硝酸）、CH3COOH（乙酸）和水的混 合溶液。 • 湿法单晶硅刻蚀剂的刻蚀机理：(a)空穴注入硅后形 成Si2+或Si+；(b)Si2+与OH－聚合为[Si(OH)2]2+；(c)在溶 液中，硅氢氧化物（硅化物）与溶液中的络合剂产 生反应；(d)反应的产物溶解在溶液中。
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反应离子刻蚀原理 • 同时利用了溅射刻蚀和等离子体刻蚀机制。 • 特点：各向异性和选择性兼顾。 • 刻蚀气体：与等离子体刻蚀相同。 • • • • • 现代干法刻蚀工艺的理想特征是： a.离子平行入射，以产生各向异性； b.反应性的离子，以提高选择性； c.高密度的离子，以提高刻蚀速率； d.低的入射能量，以减轻对硅片的损伤。
• 为了保持较好的选择性刻蚀效果，可以加入氧化剂（如 双氧水H2O2）或还原剂（如叠氮化钠NaN3）以控制HNO2 的产生，这样就可以达到对低掺杂硅几乎不刻蚀的停蚀 效果。
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各向异性湿法刻蚀 • 各向异性刻蚀是指在某个方向上的刻蚀速率远大于另 一个方向。 • 机理：刻蚀液发射空穴给硅，形成氧化态Si+，而羟基 OH-与Si+形成可溶解的硅氢氧化物的过程。 特点： 刻蚀速率比各向同性刻蚀慢，速率仅达1um/min； 刻蚀速率受温度影响； 在刻蚀过程中需要将温度升高到100OC左右，从而影 响到很多光刻胶的使用。
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2、硅的体微加工技术
• 硅微细加工（Silicon Micromachining）主要是指 以硅材料为基础制作各种微机械零部件的加工技 术。总体上分为体加工和面加工两大类。 • 体加工主要指各种硅刻蚀（腐蚀）技术，而面加 工则指各种薄膜制备技术。
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2.1硅的体微加工技术
• 硅的体微加工（Bulk Micromachining）技术是指利 用刻蚀（Etching）等工艺对块硅进行准三维结构 的微加工，即去除部分基体或衬底材料，以形成 所需要的硅微结构。 • 刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。
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牺牲层技术 • 牺牲层技术就是在微结构层中嵌入一层牺牲材料，在 后续工序中有选择地将这一层材料（牺牲层）腐蚀掉 （也称为释放）而不影响结构的本身。 • 目的：使结构薄膜与衬底材料分离，得到各种所需的 可变形或可动的表面微结构。 • 表面微加工器件是由三种典型的部件组成：（1）牺 牲层；（2）微结构层；（3）绝缘层部分。 • 常用的衬底材料为单晶硅片。 • 结构层材料为沉积的多晶硅、氮化硅等。 • 牺牲层材料多为二氧化硅。
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3、硅的表面微加工技术
• 硅的表面微加工是在硅基片上采用不同的薄膜沉积 和刻蚀工艺，在晶片表面上形成较薄微结构的加工 技术。 • 微机械结构常用薄膜材料层来制作，常用的薄膜层 材料有：二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃（PSG）、硅 硼玻璃（BSG）、多晶硅和一些金属薄膜（如Al、Au、 Mo、W、Pt等）。 • 表面微加工主要使用的薄膜沉积技术：蒸镀、溅射、 化学气相沉积等。 • 典型的表面微加工方法是牺牲层技术。
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牺牲层技术表面微加工的工艺步骤 （a）基础材料，一般为单晶硅片； （b）在基板上沉积一层绝缘层作为牺牲层； （c）在牺牲层上进行光刻，刻蚀出窗口； （d）在刻蚀出的窗口及牺牲层上沉积多晶硅或其他材 料作为结构层； （e）从侧面将牺牲层材料腐蚀掉，释放结构层，得到 所需微结构。
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牺牲层技术表面微加工的工艺步骤
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刻蚀液 • 无机刻蚀液：KOH、NaOH、LiOH和NH4OH等。 • 有机刻蚀液：EPW、TMAHW和联氨等。 • 常用体硅刻蚀液： (1)KOH系列溶液； (2)EPW（E：乙二胺；P：邻苯二酚；W：水）系 列溶液。 这些刻蚀剂的共同特点：对硅的[100]晶面的刻 蚀速度最快，[110]晶面次之，[111]晶面的刻蚀 速度最慢。 硅在[111]和[100]晶面的刻蚀速度之比为1:400。
• 特点： • 选择性好； 各向异性差。 • 刻蚀气体：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。
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溅射刻蚀原理
• a.形成能量很高的等离子体； • b.等离子体轰击被刻蚀的材料，使其被撞原子飞溅出 来，形成刻蚀。 • 特点： 各向异性好， 选择性差。 • 刻蚀气体：惰性气体。
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各向异性刻蚀的停蚀技术 • 主要方法有：重掺杂停蚀、(111)面停蚀、电化学停蚀和 PN结停蚀等。 • 例：(111)面停蚀方法 • 常用的KOH系列刻蚀液对(111)和(100)晶面的刻蚀速率相差 极大，因此如果选用(111)面作为停蚀面，就可以在(100)面 上刻蚀出(111)取向的硅膜。