MEMS制造技术

掩膜制造
硅片
薄膜制备
光刻 刻蚀 测试 切割 封装
掺杂
典型MEMS器件
1 典型MEMS制造方法简介
MEMS技术起源于集成电路技术，但是集成电路技 术已经远远不能满足MEMS发展的需要
典型MEMS制造方法
体微加工(Bulk micromachining)
• 湿法刻蚀 (Wet Etching ) • 干法刻蚀 (Dry Etching )
干法刻蚀简介
•干法刻蚀具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀 的选择比大，以及能进行自动化操作等优点。因此， 干法刻蚀在体微加工中将逐渐占有重要地位。 •干法刻蚀的过程可分为以下几个步骤 ： （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）腐蚀反映物的排除。 •干法腐蚀的种类有物理方法：离子腐蚀（溅射）Ion Etching(IE),离子束腐蚀Ion Beam Etching(IBE)；化学 方法：等离子体腐蚀 Plasma Etching(PE)
表面微加工 (Surface micromachining)
• 集成电路技术 • 牺牲层技术 (Sacrificial layer )
键合 (Bonding) LIGA 软光刻技术(Soft Lithography)
典型MEMS制造方法
2 MEMS光刻
深槽光刻 厚胶光刻 双面光刻
深槽光刻
• 表面微结构
– 集成电路制造中，表面起伏1-2 μm – MEMS制造中，表面带有微结构和深槽，10-
100 μm
• 旋涂问题
– 聚积 – 解决方法
• 喷涂 (Spray coating ) • 电镀 (Electroplating)
深槽光刻
• 曝光问题
– 鬼影 (Ghost image ) : 入射光反射 – 大间距: 增大了特征尺寸 – 解决方法
➢刻蚀机理
湿法刻蚀
各向异性湿法刻蚀
• 刻蚀速率与温度和浓度的关系P96
湿法刻蚀
各向异性湿法刻蚀
– 影响刻蚀速率的其他因素
• 反应物浓度随着刻蚀进行不断降低 • 液体的挥发 • 混合不均匀，反应物浓度不均匀、产物阻值反应 • 污染 • 温度不均匀性
– 影响刻蚀速率的材料因素
• 晶向 • 掺杂浓度
第三章 MEMS制造技术
内容提要
3.1 集成电路基本制造技术 3.2 体微加工技术 3.3 表面微加工技术 3.4 其他微加工技术
3.2 体微加工技术
1. 简介 2. MEMS光刻 3. 体微加工技术
集成电路工艺回顾
平面工艺 图形转移－光刻 添加工艺
– 热氧化 – 物理气相淀积 – 化学气相淀积 – 外延 去除工艺 – 湿刻蚀 – 干刻蚀 掺杂 – 离子注入 – 扩散
CH3COOH=CH3COO-+H+
湿法刻蚀
各向同性湿法刻蚀
– 二倍刻蚀速率 – 与刻蚀剂成分比例有关 – 与晶向有关
湿法刻蚀
各向同性湿法刻蚀
– 保护层 (Passivation layer)
• SiN 和Au基本不刻蚀 • 热生长SiO2 刻蚀速度 30-80 nm/min, 慢100x • Al 刻蚀极快 • 正胶可以短时使用
• 版图设计时进行部分补偿
厚胶光刻
• 厚胶应用
– 集成电路光刻胶层厚度1 μm – MEMS中光刻胶层厚度1 μm -1mm
• 问题
– 曝光衍射和散射 – 分辨率下降 – 曝光剂量不够
• 激光对准
双面光刻
3 体微加工技术
概述 湿法刻蚀
各向同性湿法刻蚀 各向异性湿法刻蚀
干法刻蚀
概述
• 定义：向基底深度方向进行刻蚀的技术 • 刻蚀方法
– 湿法刻蚀 – 干法刻蚀
• 刻蚀方向性
湿法刻蚀
各向同性湿法刻蚀
– 刻蚀剂 (HNA)
• HF+ HNO3 +CH3COOH /water (25：50：80)
– 刻蚀机理
• HNO3将Si氧化为SiO2 • HF 将SiO2氧化为可溶性H2SiF6 • 醋酸防止HNO3分解
硅体的各向同性刻蚀
湿法刻蚀小结
各向同性刻蚀
–刻蚀剂
湿法刻蚀的优缺点
操作简单
–刻蚀参数
碱金属与IC
–选择比和保护层
各向异性刻蚀
– 刻蚀剂: KOH, EDP, TMAH –刻蚀速率与晶向有关
不兼容 相对安全和 无毒 不够灵活
–刻蚀参数
–选择比和保护层
–刻蚀停止
• 简介 • 刻蚀机理 • 三维结构 • 举例
干法刻蚀
硅各向同性腐蚀最常用的腐蚀液为HF-HNO3加水或 者乙酸系统(通常称为HNA系统) ，其刻蚀机理：
硝酸硅发生氧化反应生成二氧化硅，然后由HF将 二氧化硅溶解 Si+HNO3+HF=H2SiF6+HNO2+H2O+H2
水和乙酸（CH3COOH）通常作为稀释剂，在HNO3 溶液中，HNO3几乎全部电离，因此H+浓度较高，而 CH3COOH是弱酸，电离度较小，它的电离反应为
最 常 用 的 （ 100 ） / （ 111 ） 腐 蚀 速 率 比 最 大 的 是 KOH腐蚀液。用KOH腐蚀液腐蚀单晶硅晶体其在三 个常用晶面方向上的腐蚀速率情况是（100）>（110） > （ 111 ） 。 （ 100 ） / （ 111 ） 的 最 大 腐 蚀 速 率 可 达 4001
（ 111 ） 晶 面 是 KOH 刻 蚀 的 阻 挡 面 ， 即 刻 蚀 遇 到 （111）就停止下来，形成各向异性刻蚀。
– 应用
• 去除表面损伤，消除尖角，降低表面残余应力 • 其他加工后的表面剖光 • 减薄和刻蚀 • 刻蚀圆形通道
• Caution: H百度文库 is a weak acid, but it is deathful.
湿法刻蚀
各向异性湿法刻蚀（P95）
➢刻蚀剂－碱性溶液
• 碱金属溶液： KOH, NaOH, CsOH • 乙烯乙二胺邻苯二酚 (Ethylene Diamine Pyrocatechol, EDP) • 四甲基氢氧化铵 (Tetramethyl ammonium hydroxide, TMAH)
湿法刻蚀
各向异性湿法刻蚀
– 特点
• 刻蚀速率与晶向相关
– {110}:{100}:{111}=600:400:1 – 结构由 {111} 决定 – 不同晶向的基底刻蚀结果不同
• {111} 表面光滑
硅体的各向异性刻蚀
各向异性腐蚀机理：在有些溶液中单晶硅的腐蚀 速率取决于晶体取向，即在某种晶体取向上硅的腐蚀 速率非常快，而在其他方向上腐蚀速率又非常慢。