硅微加工工艺

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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。
• 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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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
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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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。
• 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。
• 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
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。
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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
• 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。
• 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
• 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。
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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)。
• 刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。
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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
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、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。
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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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。
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。
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。
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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
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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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