1、 MEMS器件工藝設(shè)計,美國：MEMS MicroElectroMehanical System 歐洲：Micro System 日本：Micro Machine 其它：Micro & ano 技術(shù),3.0 緒論：MEMS工藝特點 3.1 表面微機械加工工藝 （實例：RF MEMS諧振器） 3.2 體硅微機械加工工藝 （實例：全硅微機械加速度計） 3.3 LIGA技術(shù),微機電系統(tǒng)特征,微型化：100nm-1mm 集成化：機械-電子，機械-電子-光學(xué) 智能化：傳感、計算和執(zhí)行 微細加工技術(shù),微機電系統(tǒng)與普通機電系統(tǒng),設(shè)計和制作方法不同 控制方法和工作方式不同 與工作環(huán)境的關(guān)系不同 尺寸效應(yīng),3.

2、0 緒論：MEMS工藝特點,MEMS設(shè)計過程,3.0 緒論：MEMS工藝特點,MEMS工藝與集成電路工藝,集成電路工藝的應(yīng)用,與集成電路特點比較,集成電路：薄膜工藝； 制作各種晶體管、電阻電容等 重視電參數(shù)的準確性和一致性,MEMS：工藝多樣化 制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、錐、 針尖、彈簧及所構(gòu)成的復(fù)雜機械結(jié)構(gòu) 更重視材料的機械特性，特別是應(yīng)力特性,特點的不同導(dǎo)致對工藝的要求不同,3.0 緒論：MEMS工藝特點,3.0 緒論：MEMS工藝特點 3.1 表面微機械加工工藝 （實例：RF MEMS諧振器） 3.2 體硅微機械加工工藝 （實例：全硅微機械加速度計） 3.3 LIGA技術(shù),3.1

3、表面微機械加工工藝,定義：在襯底正面上形成薄膜并按 要求對薄膜進行加工形成微結(jié)構(gòu),關(guān)鍵工藝 結(jié)構(gòu)層材料：選擇、生長和表征 表面犧牲層：選擇、釋放工藝 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計 工藝流程設(shè)計,3.1 表面微機械加工工藝,應(yīng)用領(lǐng)域,結(jié)構(gòu)層材料選擇,器件性能,材料性能,結(jié)構(gòu)層材料生長,摻雜控制,厚膜制備,應(yīng)力控制,3.1.1 結(jié)構(gòu)層材料,如多晶硅：常規(guī)620度，晶粒大，呈壓應(yīng)力 低溫580度，晶粒小，可調(diào)整到 小張應(yīng)力 碳化硅：高溫生長，應(yīng)力問題 原位摻雜和注入摻雜及退火的優(yōu)化,應(yīng)力檢測方法 1. Curvature：Stoney formula 臺階儀 (KLA-Tencor P-6) 2. X-ray di

4、ffraction dhkl vs sin2 3. Micro-Raman spectroscopy (MEMS devices) strain vs optical modes,Residual stress and texture in poly-SiC films grown by low-pressure organometallic chemical-vapor deposition, JAP, 87 (4), 2000, 1748-1758 Polycrystalline 3C-SiC thin films deposited by dual precursor LPCVD for

5、 MEMS applications, Sensors and Actuators A 119 (2005) Mechanical testing of thin films and small structures, Advanced engineering materials (3), 2001, 99-110 Stress Measurement in MEMS Devices,犧牲層選擇：,如氧化硅：生長條件 熱氧化、LTO、LPCVD、PECVD 如光刻膠，硅等,3.1.2 犧牲層工藝,犧牲層釋放：,如濕法釋放、干法釋放； 釋放結(jié)果（Stiction等） 犧牲層釋放工藝與其他工藝的兼

6、容,犧牲層釋放與整體工藝設(shè)計：工序，對已成結(jié)構(gòu)的影響,可以釋放；不影響結(jié)構(gòu),幾何尺寸的微小化，表面效應(yīng)增強；表面力影響凸顯 關(guān)鍵表面力：表面張力、范德瓦耳斯力、靜電力等 粘附失效：制作過程中清洗后(比如釋放犧牲層)的粘附 使用過程中相對運動表面間產(chǎn)生的粘附,犧牲層釋放，器件從去離子水中取出時，清洗液的表面張力可能會導(dǎo)致粘附 減小粘附的發(fā)生表面粗糙+干燥 如果空氣濕度較大，在實際粗糙的表面間的縫隙里也會存在液體產(chǎn)生而出現(xiàn)毛細凝聚現(xiàn)象 由于硅表面的親水性，在大氣環(huán)境和低于200下會吸附分子而形成一層水膜，產(chǎn)生吸附現(xiàn)象 靜電力：2個相對表面間的不同功函數(shù)或帶有靜電荷而形成的力,3.1.2 犧牲層工藝

7、-Stiction,DI+醇類 氧化 HF氣相刻蝕 超臨界CO2干燥 升華法 支撐法 表面處理 XeF2干法釋放,3.1.2 犧牲層工藝-Stiction,Current research: Replace all off-chip passive elements with MEMS resonators & filters: chip-scale integration & improved performance,RF MEMS resonators and filters,應(yīng)用-RF MEMS諧振器和濾波器,RF MEMS元件： 梳齒狀諧振器（面內(nèi)振動） 雙端固支梁濾波器（面外振動）,

8、（a）淀積下電極,（b）光刻刻蝕下電極,（c）淀積犧牲層,（d）光刻錨點,（e）淀積結(jié)構(gòu)材料層,（f）ICP刻蝕器件結(jié)構(gòu),（g）蒸發(fā)金屬，接觸電極,（h）保護電極釋放犧牲層,器件加工工藝設(shè)計,梳齒兩微米,SiC 梳齒狀結(jié)構(gòu)諧振器,SiC雙端固支梁濾波器,混合工藝：CMOS+微機械+互連+腐蝕釋放 槽+微機械+電路 CMOS表面微機械,整體工藝設(shè)計考慮：器件性能；應(yīng)力問題（溫度）；釋放工藝（工序）；混合工藝 CMOS-MEMS,3.1.3 器件設(shè)計和工藝流程設(shè)計,濾波器 網(wǎng)絡(luò)分析儀 中心31MHz 30.5MHz-32.4MHz,諧振器 光學(xué)檢測方法 頻率256KHz,后續(xù)：芯片封裝和測試,工作

9、環(huán)境；芯片保護 工藝集成考慮 甚至與測試電路集成考慮,3.0 緒論：MEMS工藝特點 3.1 表面微機械加工工藝 （實例：RF MEMS諧振器） 3.2 體硅微機械加工工藝 （實例：全硅微機械加速度計） 3.3 LIGA技術(shù),定義：對硅襯底進行加工的技術(shù) 采用各向異性化學(xué)腐蝕（或深槽干法刻蝕）， 利用腐蝕液在硅的各晶向上不同的腐蝕速率來 制作不同的微機械結(jié)構(gòu)通過對硅的深腐蝕和硅 片整體鍵合完成立體結(jié)構(gòu)的硅器件,3. 2 體硅微機械加工工藝,材料選擇,掩膜選擇,腐蝕工藝,工藝整體設(shè)計考慮 成品率,3. 2 體硅微機械加工工藝,關(guān)鍵工藝是刻蝕,掩膜選擇,濕法腐蝕,干法刻蝕,器件結(jié)構(gòu)、工藝要求、經(jīng)濟

10、、安全等方面考慮,3. 2 體硅微機械加工工藝,各向同性,各向異性,化學(xué)溶液,通常腐蝕是在有掩膜條件下進行，或結(jié)合自停止腐蝕技術(shù)完成，以獲得所需圖形,濕法腐蝕是最早應(yīng)用于IC 和MEMS的技術(shù)1970,各向同性腐蝕與晶向無關(guān)，各方向上有相同的腐蝕速率 HNA：HF+HNO3+H2O +HAC（CH3COOH）,各向異性腐蝕腐蝕速率依賴于單晶晶向 不同的腐蝕液、各晶向的腐蝕速率、摻雜濃度,3. 2 體硅微機械加工工藝-濕法腐蝕工藝,使用有毒的化學(xué)藥品，產(chǎn)生大量廢液，不利于環(huán)保和安全；粘附現(xiàn)象和鉆蝕現(xiàn)象（不利于精細圖形）,腐蝕機理 空穴到達半導(dǎo)體表面；Si+2H+Si2+ 吸附來自水中的OH-：

11、Si2+ + 2OH-Si（OH）2 Si（OH）2與溶液中的絡(luò)和劑反應(yīng) 副產(chǎn)物在腐蝕劑中溶解,對腐蝕速率的影響： 反應(yīng)速率限制：腐蝕速率受制于化學(xué)反應(yīng)速率 擴散限制：腐蝕速率受制于反應(yīng)劑的輸運 通過液體到達或離開表面,3. 2 體硅微機械加工工藝-濕法腐蝕工藝,擴散限制下：激活能較低（通常幾KJ/mol） 對反應(yīng)溫度不敏感 溶液攪拌十分重要提高到達表面的反應(yīng)劑濃度 提高反應(yīng)速率 穩(wěn)定反應(yīng)速率 均勻反應(yīng)速率,反應(yīng)速率限制條件下： 工藝與反應(yīng)溫度、反應(yīng)劑比例關(guān)系密切,3. 2 體硅微機械加工工藝-濕法腐蝕工藝,腐蝕裝置 均勻性和重復(fù)性控制 提高成品率,硅的各向同性腐蝕：,常用腐蝕劑：HNA HF

12、+HNO3+H2O（HAC）,反應(yīng)過程：,Si+2H+Si2+ Si2+ + 2OH-Si（OH）2 氫被釋放形成SiO2 HF溶解SiO2形成水溶液H2SiF6,Si+HNO3+6HF=H2SiF6+H2NO2+H2O+H2,實現(xiàn)選擇性腐蝕相當困難！,濕法腐蝕工藝-各向同性腐蝕,不同組分對腐蝕速率的影響：,HF高、HNO3低 腐蝕速率由HNO3濃度控制 開始階段困難，易變，在一定周期內(nèi)硅表面緩慢生長氧化層，腐蝕受氧化-還原反應(yīng)控制，趨于依賴晶向,HF低、HNO3高： 腐蝕速率受HF溶解形成的SiO2的速率控制 反應(yīng)有自鈍化特點，表面覆蓋SiO2（3050A） 基本限制來自去除硅的復(fù)合物 腐蝕

13、各向同性、拋光作用,多種比例可供選擇，用于腐蝕硅,其它材料的腐蝕劑： SiO2：HF，BHF Si3N4：HF，H3PO4（160度） Al；H3PO4（40度），其它酸 Ti：HF，BHF TiSi：HF， BHF CoSi2：HF（慢） Au：KI，王水,對硅的不同晶面具有不同的腐蝕速率 可在硅襯底上加工出各種各樣的MEMS結(jié)構(gòu),有機腐蝕劑： EPW（乙二胺+鄰苯二酚+H2O），聯(lián)胺 無機腐蝕劑： 堿性腐蝕液（KOH，NaOH， LiOH，CsOH，NH4OH）,重點KOH，EPW，TMAH,各向異性腐蝕工藝,KOH腐蝕系統(tǒng)： KOH+H2O+IPA（CH3）2CHOH,腐蝕原理：,無IP

14、A：Si+H2O+2KOH=K2SiO3+2H2,有IPA：KOH+H2O=K+2OH-+H+ Si+ 2OH-+ H2O=Si（OH）6-2氧化為含水化合物 Si（OH）6-2+6 （CH3）2CHOH =Si（OC3H7）6-2+6H2O 絡(luò)化反應(yīng),即：KOH將硅氧化成含水硅化物；與IPA反應(yīng)生成可溶硅絡(luò)合物,KOH溶液的濃度、溫度及腐蝕面的晶向等,濃度在10%60%的KOH溶液對硅的腐蝕速率R符合如下經(jīng)驗公式,不同濃度、溫度KOH溶液對 （100）硅的腐蝕速率（m/h）,不同濃度、溫度KOH溶液對熱氧化 生長的SiO2的腐蝕速率（nm/h）,KOH腐蝕速率與硼摻雜濃度的關(guān)系,B. EPW

15、腐蝕系統(tǒng)： 乙二胺（NH2（CH2）2NH2） E 鄰苯二酚（C6H2（OH）2） P 水 W,反應(yīng)： 電離： NH2（CH2）2NH2+H2ONH2（CH2）2NH3+（OH)- 氧化還原：Si+2 (OH)- +4H2OSi(OH)6=+2H2 絡(luò)合過程： Si(OH)6=+ C6H2（OH）2Si(C6H4O2)3=+6H2O,乙二胺，水：氧化； 鄰苯二酚：絡(luò)合,反應(yīng)裝置：,反應(yīng)溫度：115度，低溫下將在硅表面產(chǎn)生不可溶解的殘留物，使表面粗糙 帶回流：防蒸發(fā) 帶攪拌 有毒,幾種典型腐蝕液：,T腐蝕劑： E:17ml；P:3g；W:8ml（mol比：E:P:W=35.1%:3.7%:61.

16、2%) 110度下腐蝕速率比:=50:30:3(微米/小時） B腐蝕劑： E:7.5ml；P:1.2g；W:2.4ml（mol比：E:P:W=43.8%:4.2%:52%) 118度下腐蝕速率比=50:1(微米/小時） 100度以上表面平整、光滑、無殘留物,C. TMAH腐蝕系統(tǒng)：四甲基氫氧化銨,腐蝕原理：,總反應(yīng)方程式：,TMAH腐蝕實驗系統(tǒng),硅單晶晶向和摻雜濃度、腐蝕液的濃度和溫度及添加劑等,腐蝕速率與溶液濃度、溫度的關(guān)系,過硫酸銨的影響：腐蝕速率影響較小 可明顯改善硅腔表面平整度,EPW：有機腐蝕液，劇毒,KOH：腐蝕速率快；引起金屬離子污染,TMAH：掩膜選擇性（SiO2） 沒有金屬污

17、染 （CMOS） 表面質(zhì)量,應(yīng)用舉例,采用各向異性化學(xué)腐蝕，利用腐蝕液在硅的各晶向上不同的腐蝕速率來制作不同的微機械結(jié)構(gòu) 通過對硅的深腐蝕和硅片整體鍵合完成立體結(jié)構(gòu)的硅器件 主要加工工藝 熱氧化，離子注入，掩膜層淀積，雙面光刻，腐蝕，金屬淀積、鍵合,加速度計在航天、制導(dǎo)、航海及汽車等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值 隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，小型化、多功能、機動性能強的航天武器產(chǎn)品是發(fā)展趨勢。航天慣性傳感器在體積、重量和性能方面有更高的要求 微機械加速度計：按結(jié)構(gòu)，梳齒式微機械加速度計、微機械擺式加速度計和“三明治”擺式微機械加速度計。按材料，硅微機械加速度計、石英微機械加速度計和金屬微機械加速度計。 電

18、容式加速度計具有溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好、靈敏度高，可以通過靜電恢復(fù)力工作在力平衡模式等優(yōu)點,1.全硅微機械加速度計,上下檢測電極與質(zhì)量塊形成差動電容；沒有外界加速度輸入時，上下檢測電極與檢測質(zhì)量塊的間隙相等，C1=C2=C0 在Z方向有加速度輸入時，檢測質(zhì)量塊在慣性作用下，沿Z方向產(chǎn)生一個微小偏離，導(dǎo)致質(zhì)量塊與上下極板間電容值一個增大，一個減小，變化值為C， 通過電路檢測出電容差，換算出加速度值,擺片,上極板,下極板,裝配體,硅硅鍵合工藝 三層鍵合 鍵合對準,工藝難點： 雙面對稱結(jié)構(gòu)制作 腐蝕工藝設(shè)計,關(guān)鍵工藝： 光刻 ：雙面光刻工藝 （利用光刻對準技術(shù)實現(xiàn)硅片正反面的圖形對準） 深槽圖形光刻技

19、術(shù) 2. 熱氧化：應(yīng)力 3. 掩膜材料淀積 4. 腐蝕：濕法腐蝕；深槽干法刻蝕（DRIE，各向異性高深寬比刻蝕技術(shù)） 掩膜選擇：不同刻蝕方法和不同濕法腐蝕液條件下掩膜材料選擇和控制 掩膜材料與其它工藝兼容性,干法刻蝕 Si 熱氧化 雙面套刻 淀積掩膜（LPCVD SiN） PECVD SiO2（SiN圖形的掩膜） 濕法腐蝕-掩膜圖形制作 濕法腐蝕硅（間隙，擺片）,擺片工藝:工藝特點和工藝設(shè)計,濕法腐蝕重復(fù)性和均勻性控制,擺片結(jié)構(gòu)腐蝕,KOH 40，50,均勻性和對稱性,精腐蝕,KOH 40，80,深槽光刻 （50m）,粗腐蝕,加速度范圍10g 靈敏度：10-3g (理論上）,上極板,上極板,擺片,背部硅杯腐蝕,2.壓力傳感器,工藝設(shè)計中的工序,3.0 緒論：MEMS工藝特點 3.1 表面微機械加工工藝 （實例：RF MEMS諧振器） 3.2 體硅微機械加工工藝 （實例：全硅微機械加速度計） 3.3 LIGA技術(shù),1-表面微機械加工工藝 很多與集成電路工藝兼容，為了釋放結(jié)構(gòu)增加了犧牲層釋放工藝 最大優(yōu)點：充分利用了現(xiàn)有的集成電路生產(chǎn)工藝，對機械零部件的尺度控制較好，與集成電路工藝兼容性好，使其易于實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)和信號處理電路的單片集成，形成大規(guī)模生產(chǎn)。 缺點在于它制造的機械結(jié)構(gòu)基本是二維的。該工藝加工的微機械