§6-6

聚焦離子束加工技術(shù)（focusedionbeamFIB)離子的質(zhì)量遠遠大于電子的質(zhì)量，散射效應(yīng)和穿透深度都小于電子。離子重質(zhì)量，可以直接將固體表面的原子濺射剝離。利用聚焦的離子束可以直接加工成型。電子轟擊離子源：熱陰極發(fā)射電子，加速后轟擊氣體分子，使電離。多用于質(zhì)譜分析儀器，特點是束流不高，能量分散小。氣體放電離子源：氣體等離子體放電產(chǎn)生離子，如輝光放電、弧光放電、火花放電離子源。特點是束流大，用于高能加速器的離子源和離子注入機的離子源。場致電離離子源：利用針尖電極周圍的強電場，使吸附于針尖表面的氣體原子電離。用于場致離子顯微鏡，研究表面材料的原子結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬離子源（liquidmetalionsource,LMIS)構(gòu)成FIB系統(tǒng)利用液態(tài)金屬在強電場作用下，產(chǎn)生場致離子發(fā)射，形成離子源直徑0.5mm左右鎢絲，電離腐蝕成直徑5-10m針，將熔融狀態(tài)的液態(tài)全屬黏附在針尖上，在外加強電場力作用下，液態(tài)金屬形成約5nm的尖端，尖端處場強高達1010v／m。液尖表面的金屬離子以場蒸發(fā)的形式逸出表面，產(chǎn)生離子束流（

A）。LMIS的壽命通常以微安·小時來衡量。顯然，發(fā)射電流越大，離子源的壽命越短。功能：驅(qū)動FIB在樣品表面掃描，同時收集其激發(fā)的二次電子(ISE)或二次離子(ISI)，得到表面形貌，成為掃描離子顯微鏡。FIB與質(zhì)譜儀結(jié)合，通過對ISI分析得到樣品的成分像，成為掃描二次離子質(zhì)譜儀(SSIMS)控制FIB在晶面的位置和停留的時間，實現(xiàn)注入改性，達到曝光、刻蝕、淀積等工藝。FIB技術(shù)可以獲得亞微米至20nm（理論極限）量級的分辨力?！?-7

掃描探針加工（SPM）利用探針與樣品在近距離（0.5-1nm）時，由于二者存在電位差而產(chǎn)生隧道電流.隧道電流對距離非常敏感(距離減少0.1nm，隧道電流就會增大一個數(shù)量級),當(dāng)探針在樣品表面掃描時，由于樣品表面高低不平而使針尖與樣品之間的距離發(fā)生變化，隧道電流也隨之變化，而得到樣品表面高分辨率的形貌圖像。樣品為導(dǎo)體，保證隧道電流流通STMScanningTunnelingMicroscope恒高模式恒電流模式

AFM（AtomicForceMicroscope）探針尖端的原子與樣品表面的原子之間產(chǎn)生極其微弱的相互作用力，使微懸臂彎曲，將微懸臂彎曲的形變信號轉(zhuǎn)換成光電信號并進行放大，得到原子之間力的微弱變化的信號。由于是短程原子力的互作用，故樣品不受是否導(dǎo)電的限制接觸模式非接觸模式

STM和AFM的區(qū)別：探針的組件形式，樣品材料AlN(100nm)/MgO原子力的等高度圖要比電子態(tài)密度圖更真實的反映樣品表面形貌。MgO/Si(100)分辨率：

平行0.1nm，垂直0.01nm原子級功率密度:通過電壓調(diào)節(jié)隧道電流的功率密度10-1105w/mm2低的電子能量：幾伏近百伏調(diào)節(jié)探針和樣品間的電壓，當(dāng)隧道電流具有一定的能量時，可使樣品表面局域發(fā)生結(jié)構(gòu)或化學(xué)的變化。SPM的幾種微加工方法：電流曝光法：大能量的隧道電流直接掃描在光致抗蝕劑上，使其曝光。STM曝光的抗蝕劑厚度小于50nm。氧化加工：氫鈍化Si表面場至淀積法：強電場作用下，離子或原子可以直接從材料表面溢出，即“場蒸發(fā)”1）金制探針在掃描時，在3-4V負脈沖電壓作用下，樣品表面可形成15-20nm高2-3nm的點。

2）場蒸發(fā)也可以導(dǎo)致樣品表面材料向針尖蒸發(fā)（正電壓）。如鎢探針可以在金、石墨等材料表面形成幾至幾十納米的坑槽。電壓越高坑槽越大

3）通入金屬有機物氣體，使它在隧道電流的作用下被分解，固相物沉積在襯底上。分解機制：a)電子與吸附于樣品表面的氣體分子碰撞分解。b)在大的隧道電流下金屬有機物氣體在樣品表面熱解。c)電子以場致發(fā)射方式運動，打碎了氣體分子，產(chǎn)生一個微等離子區(qū)，從而使金屬原子淀積于樣品表面?？涛g加工：STM和AFM可以與酸性腐蝕液結(jié)合對樣品刻蝕加工。如STM探針在HF液中掃描Si表面，腐蝕形成圖形。機理是探針首先誘導(dǎo)Si局部氧化，然后HF將SiOx腐蝕溶解。金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母熱致加工：調(diào)節(jié)偏壓和隧道電流，使樣品表面局域升溫

k材料熱導(dǎo)電子平均自由提高I,從幾nA—幾百nA甚至mA，直到隧道電流產(chǎn)生振蕩，樣品局域熔化，樣品與探針之間呈“液體橋”。探針收回后，“液體橋”斷裂固化，形成微丘，微丘周圍形成凹陷。機械移動法：調(diào)節(jié)探針與樣品間的距離，將原子在一個位置吸住，再搬運到另一個地方放下，搬運原子。彈道電子發(fā)射顯微鏡(Ballistic-Electron-EmissionMicroscopy)

微機電系統(tǒng)/微電子機械系統(tǒng)Micro-Electro-MechanicalSystems微機械：Micro-machine微系統(tǒng)：Micro-System§6-10MEMS(MicroElectromechanicalSystem)技術(shù)MEMS技術(shù)指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機電系統(tǒng)一種多學(xué)科交叉領(lǐng)域，涉及自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子、機械、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等

廣義上的系統(tǒng)集成芯片電、光、聲、熱、磁力等外界信號的采集—各種傳感器執(zhí)行器、顯示器等信息輸入與模/數(shù)傳輸信息處理信息輸出與數(shù)/模轉(zhuǎn)換信息存儲一般意義上的系統(tǒng)集成芯片ADI公司生產(chǎn)的微加速度計MEMS芯片(1)傳感器：機械類、磁類、熱類和化學(xué)類傳感器．(2)執(zhí)行器：微馬達、微齒輪、泵、閥門、噴嘴等．(3)電力電子器件，包括垂直導(dǎo)電型MOS(VMOS)、V型槽垂直導(dǎo)電型MOS(VVMOS)器件、絕緣體上硅膜(SOI)材料上的各類高壓大電流器件．(4)光電子器件:多孔硅發(fā)光器件、光源與光纖的耦合、光波導(dǎo)、太陽能電池，以及用于投影式電視的微鏡陣列等．(5)真空微電子器件，例如場發(fā)射陣列、真空微電子管的封裝和掃描隧道顯微鏡(STM)探頭等．MEMS技術(shù)的應(yīng)用筆記本電腦手機藍牙耳機2007年全球約有69億美元產(chǎn)值2010年將達115億美元MEMS技術(shù)的應(yīng)用許多最新的消費電子產(chǎn)品都包含一個或多個MEMSIC功能以測量和控制諸如運動、位置、力甚至溫度等要素。因此，MEMSIC不僅在加速計和陀螺儀內(nèi)扮演關(guān)鍵角色，還在壓力傳感器、麥克風(fēng)、時序器件、濾波器、開關(guān)、微顯示器、紅外溫度傳感器和微型馬達等產(chǎn)品中發(fā)揮關(guān)鍵作用。IC工藝是平面工藝，MEMS則是強調(diào)縱深方向(準三維）的加工技術(shù)．MEMS器件利用材料的機械特性，而IC則利用電特性。IC依靠其表面之下的各種效應(yīng)來工作，而MEMS卻基本上是靠表面效應(yīng)工作的器件；

IC無可動部件，MEMS一般都能產(chǎn)生某種運動MEMS與IC微機械加工技術(shù)的主要內(nèi)容：硅的濕法和干法腐蝕；結(jié)構(gòu)層和犧牲層的制備與腐蝕；靜電鍵合和熱鍵合;LIGA(光刻電鑄成型)和SLIGA(犧牲層光刻電鑄成型)；這些技術(shù)在實際應(yīng)用過程中還要借助于集成電路工藝，如光刻、擴散、離子注入、外延和淀積等技術(shù)．硅的腐蝕是先將材料氧化，然后通過化學(xué)反應(yīng)使一種或多種氧化物溶解．由于在腐蝕液中，混有各種試劑，所以氧化和溶解的化學(xué)反應(yīng)過程是同時進行的．HF-HNO3基腐蝕系統(tǒng)：HF-HNO3腐蝕液可以用H2O和CH3COOH稀釋配制可溶性絡(luò)合物§6-10-1硅的各向同性腐蝕硅在HF-HNO3系統(tǒng)中的腐蝕速率受到環(huán)境溫度、腐蝕液成分配比等很多因素的影響．本節(jié)主要介紹對腐蝕速率的影，同時這些因素也影響到硅表面腐蝕的形貌。在未稀釋的系統(tǒng)HF-HNO3中，電阻率在0.05-78·cm范圍內(nèi)的材料，其類型(N或P)和電阻率的大小對腐蝕速率的影響很小。而在高度稀釋的HF-HNO3系統(tǒng)中，腐蝕速率將與電阻率有關(guān)。試驗表明：體積比自停止腐蝕對摻雜濃度不同的Si腐蝕速率不同摻雜濃度腐蝕速率N型Si>81018/cm3<81018/cm32.9m/min0.16m/minP型Si>71018/cm3<71018/cm32m/min0.2m/min電阻率大于0.068·cm時，腐蝕速率幾乎為0硅的各向異性腐蝕，是指對硅的不同晶面具有不同的腐蝕速率．基于這種腐蝕特性，可在硅襯底上加工出各種各樣的微結(jié)溝．各向異性腐蝕劑一般分為兩類：有機腐蝕劑EPW(乙二胺，鄰苯二酸和水)和聯(lián)胺等無機腐蝕劑，堿性腐蝕液，如KOH，NaOH，LiOH，CsOH和NH4OH等．KOH系統(tǒng)：其中KOH可由NaOH、LiOH、CsOH、NH4OH替代§6-10-2各向異性腐蝕腐蝕反應(yīng)為首先將Si氧化為含水的硅化物，再進一步與異丙醇進行絡(luò)合反應(yīng)，生成溶于水的硅絡(luò)合物對無異丙醇腐蝕劑影響腐蝕速率因素：溫度、腐蝕液濃度、摻雜濃度等腐蝕速率R與摻雜濃度NB的關(guān)系N0閾值硼濃度重摻雜硅自停止腐蝕在摻雜濃度小于閾值N0時，腐蝕速率近似為一常數(shù)；摻雜濃度超過N0時，腐蝕速率快速降低，即硅重摻雜使腐蝕停止了．有三種模型解釋：應(yīng)變模型、復(fù)合模型和電化學(xué)模型．硅的表面存在一自然氧化層，用橢圓偏振儀實時測量表明，在稀釋的KOH或EPW溶液中，硅表面存在幾個原子層厚的SiOx(0<x<2)，KOH和KPW溶液對Si02的腐蝕速率極小(EPW約為2?/min，稀釋KOH約為14?/min)．對于低摻雜濃度，SiOx的生長速率比腐蝕速率小得多，所以腐蝕不會停止．摻雜濃度較高時會在硅中引入較大的應(yīng)變(應(yīng)力)，使硅單晶產(chǎn)生缺陷，SiOx的生長速率比低摻雜時要快得多．超過了腐蝕速率，故腐蝕減慢或停止．實驗結(jié)果表明，摻雜濃度超過約1019cm-3時，才會明顯產(chǎn)生應(yīng)力，并且應(yīng)力正比于B的濃度。重摻雜硅自停止腐蝕技術(shù)P+NorP(100)SiO2orSi3N4

(1)N或P型硅表面外延生長（擴散、離子注入等）一層重摻雜P+層(N＞5×1019cm-3)．(2)在硅片背面生長SiO2或淀積Si3N4掩膜．(3)沿(110)刻出窗口.并在KOH或EPW溶液中腐蝕．

硅膜的厚度完全由重摻雜層P+的厚度決定．54.74°(111)(111)面自停止腐蝕技術(shù)P/N（111）N+orP+(111)PorNN+orP+(111)NorP(100)PorNNorP(100)54.74°(111)（111）P/N(100)在重摻雜P+或N+(111)面的單晶硅上外延生長N或P型硅膜．與另一片N或P型(100)硅鍵合．

用CH3COOH：HNO3:HF＝8:3:1腐蝕液除去重摻雜硅．犧牲層技術(shù)P+P(100)P(100)SiO2旋轉(zhuǎn)馬達沉積氮化硅作為絕緣層沉積第一層多晶硅、光刻、RIE形成轉(zhuǎn)子和定子的接地層沉積二氧化硅層、光刻、RIE形成轉(zhuǎn)子犧牲層圖形沉積第二層多晶硅、光刻、RIE刻蝕出轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)沉積第三層多晶硅，固定轉(zhuǎn)子MEMS與IC的集成先MEMS，后IC先IC，后MEMSMEMS、IC同時MEMS、IC組裝。采用倒裝焊（flipchipbonding)封接MEMS和IC芯片先MEMS，后IC工藝表面犧牲層與CMOS工藝集成先IC，后MEMS工藝IC和MEMS工藝交替進行§6-10-3健合技術(shù)靜電鍵合技術(shù)：靜電鍵合又稱場助鍵合或陽極銹合．可將玻璃與金屬、合金或半導(dǎo)體鍵合在一起，而不用任何粕結(jié)劑，鍵合界面有良好的氣密性和長期穩(wěn)定性，應(yīng)用十分廣泛．玻璃的導(dǎo)電特性：玻璃在高溫下(低于玻璃的軟化點)的行為類似于電解質(zhì)，玻璃中導(dǎo)電的離子是正離子，通常是Na+．在外加電場作用下，Na+漂移到接負電極的玻璃表面，對應(yīng)面形成一層極薄的空間電荷區(qū)(或稱耗盡層)．Si玻璃加熱板加上電壓后，很快有一電流脈沖產(chǎn)生，經(jīng)過一段時間后，電流幾乎降低到零．表明此時鍵合已經(jīng)完成．由于靜電鍵合是在比較高的溫度下進行的，因此緊密接觸的硅／玻璃界面會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵，如si-O-si鍵等．由于Si接陽極稱“陽極鍵合”。此外，由于健合是靠外加電場作用形成的，故又稱之為場助鍵合．由于硅-玻璃界面的化學(xué)鍵使硅-玻璃界面形成了良好的封接，因此，其鍵合強度要比硅或玻璃本身牢固.影響靜電健合的因數(shù)1.熱應(yīng)力靜電鍵合是在某一較高溫度下完成的，所以當(dāng)冷卻到室溫時，若鍵合的兩種材料熱膨脹系數(shù)不一致，將會導(dǎo)致其中一種材料的內(nèi)部應(yīng)力較大甚至破碎，因此，鍵合所選用的材料必須是熱膨脹系數(shù)近似匹配．2.電極形狀對健合的影響在靜電鍵合工藝中，常采用點接觸電極和平行板電極．點接觸電極，鍵合界面不會產(chǎn)生孔隙；而用雙平行板電極，鍵合界面將有部分孔縫等效電路：串聯(lián)電阻及鍵合界面的單位面積電容．沿點接觸處的徑向方向，串聯(lián)電阻依次增大．點接觸電極下面的串聯(lián)電阻最小，此處界面的靜電引力最大，首先鍵合上，然后以此點向周圍徑向傳播。點接觸電極的優(yōu)點是它避免了鍵合過程中氣體被陷在界面處的情況，因此不會產(chǎn)生孔縫，鍵合面積幾乎達100％．但它的健合過程較慢．為了加快健合過程，可采用雙平行板電極，但平行板電極和玻璃的接觸有地方并不緊密，空氣可能被陷在該處，從而造成孔隙．3.健合體之間的靜電引力鍵合過程中，靜電引力起著非常重要的作用導(dǎo)電平行板間距d，電壓V，則兩極間電場表面電場靜電引力表面電荷密度表面呈三角波起伏表面呈正弦波起伏H表面粗糙度的幅度或垂直尺寸。表面起伏越大，靜電壓力越小。4.表面的平整度對健合的影響鍵合表面并不是理想的平面，而是有一定的粗糙度，此外，鍵合表面的清潔狀況也會造成表面的不平整，靜電力將會隨表面狀況而改變．SOI材料的制備在P型(100)硅襯底上用濃硼擴散形成一層重摻雜P+層，在P+層上外延一層P層，用CVD工藝生長一層SiO2或Si3N4與玻璃進行靜電鍵合用各向異性EPW或KOH溶液將硅襯底完全腐蝕掉，再用各向同性的831腐蝕液把P+硅膜腐蝕掉，最后形成SOI結(jié)構(gòu)。用靜電鍵合技術(shù)制備SOI材料，工藝溫度較低．熱鍵合技術(shù)兩硅片通過高溫處理可直接鍵合在一起，中間不需任何粘結(jié)劑，也不需外加電場，工藝簡單．這種技術(shù)稱為硅直接鍵合(SD