1、硅微机械系统加工技术简介,刘东栋浙江大学微系统中心,浙江大学微系统中心,2,一简介,自从肖特基（Schockley）等人在1947年发明晶体管以来，科技进入了微电子时代。现在微电子已发展到了ULSI（甚大规模），加工精度到了深亚微米至量子级别。,浙江大学微系统中心,3,但作为一个完整的信息系统而言，微电子只是其中的信息处理单元，一个完整的系统应包括三个部分：,信息采集单元 传感器,信息处理单元,信息执行单元 执行器,浙江大学微系统中心,4,浙江大学微系统中心,5,因此，我们可以如下定义微系统：即加工精度在微米数量级,能实现信息采集,信息处理和信息执行功能的有机整体。,浙江大学微系统中心,6,所
2、谓的微系统就发展重点而言，是指微传感器和微执行器单元。,浙江大学微系统中心,7,现在微系统中大量使用硅作为加工的原料，使用半导体工艺作为基本加工手段，是基于以下几点考虑： 硅材料来源广泛，价格便宜。有得到完美单晶的制备经验。 硅材料独特的机械性质，如强度、杨氏模量等性质（详见下表） 可以享有积数十年之力积累下完整的硅电路加工技术成果，研发投入小。 可以照搬微电子的大规模生产方式，重复性好，成品率高，生产成本低。,浙江大学微系统中心,8,表一 单晶硅的机械性能对比,*表示单晶,浙江大学微系统中心,9,二 微机械系统中常用工艺,现在硅微机械系统的制造还是基于IC常规工艺，如刻蚀、光刻、外延、掺杂工
3、艺等等，也有微机械特有的工艺,如键合。用以加工出悬臂梁、孔、轴、弹簧等用于微机械的结构。,浙江大学微系统中心,10,2.1氧化（oxidation）工艺,氧化工艺是IC工艺的基础，主要用途为： 对硅表面进行钝化保护 在扩散、刻蚀工艺工程中对图形进行屏蔽保护 作为电绝缘材料 在硅表面微机械加工中当作牺牲层氧化工艺的实现方式有两种：热生长法和化学气相淀积法（CVD）,浙江大学微系统中心,11,热生长法就是在高温条件下（900C-1100C），使氧气（干氧法）或水蒸汽（湿氧法）通过单晶硅、多晶硅表面，使硅发生反应，生长出SiO2 反应方程式：Si + O2 = SiO2 (干氧)Si + 2H2O
4、= SiO2 + 2H2 (湿氧),浙江大学微系统中心,12,特点： 1 热生长法是一种自限制的过程。 2 热氧化过程中，硅作为反应物从而被消耗减少，消耗Si的厚度与生长SiO2的厚度比为1：2.3 3 热生长出来的SiO2薄膜较淀积生长的SiO2膜致密，两者之间腐蚀速度比较见表2.1.1应用：热生长SiO2薄膜主要用于表面钝化，屏蔽保护。,浙江大学微系统中心,13,2.1.2 CVD(chemical vapor deposition)法：是一种将反应物以蒸汽形式送入反应室，在一定条件下发生发应，生成固态物质沉积在加工对象表面的一种薄膜生长方法。加工示意图如下：,鼓泡器,加热装置,淀积室,硅
5、片,尾气处理,浙江大学微系统中心,14,在微系统加工中，大量使用低压化学气相淀积技术（LPCVD），LPCVD根据反应温度和反应机理不同，有可分为：LTO,TEOS,HTO等,反应方程式为： LTO：SiH4+O2=SiO2+2H2 TEOS：Si(C2H5O)4+12O2=SiO2+8CO2+10H2O 在TEOS中，产生副产物水，会使SiO2膜质量下降，所以现在工业生产中大量使用LTO。 LPCVD提供了一种生长较大厚度SiO2膜的方法，几种生长方法比较如下表：,浙江大学微系统中心,15,TEOS:Si(OC2H5)4,浙江大学微系统中心,16,不同生长SiO2的腐蚀速度比较（A）,浙江大
6、学微系统中心,17,特点及应用可以生长大于1m厚的SiO2薄膜，这在硅表面微机械中有重要应用。LPCVD法生长的SiO2质地疏松，可以用作牺 牲层。,浙江大学微系统中心,18,22 光刻（lithography）工艺,光刻是一种图形转移动的方法，即通过曝光，把光刻版上的图形转移到光刻胶上，再通过刻蚀等方法转移到硅片上。光刻的工艺流程为：,浙江大学微系统中心,19,带掩膜的硅片,硅片清洗,前烘,对准曝光,显影,刻蚀掩膜,去除未暴光的胶,浙江大学微系统中心,20,带掩膜的硅片,硅,掩膜,浙江大学微系统中心,21,清洗、上胶、前烘,硅,掩膜,光刻胶,浙江大学微系统中心,22,光刻版,对位曝光,硅,掩
7、膜,光刻胶,浙江大学微系统中心,23,显影,硅,掩膜,光刻胶,浙江大学微系统中心,24,刻蚀掩膜,硅,掩膜,光刻胶,浙江大学微系统中心,25,去除未曝光的光刻胶,硅,掩膜,浙江大学微系统中心,26,光刻胶,光刻胶按曝光工作波长，可分为紫外光刻胶，电子束光刻胶和X光光刻胶。紫外光刻胶：分为负型光刻胶和正型光刻胶两种。 负型光刻胶曝光部分为不溶解性 正型光刻胶曝光部分为可溶解性。,浙江大学微系统中心,27,负型光刻胶曝光示意图,浙江大学微系统中心,28,正型光刻胶曝光示意图,浙江大学微系统中心,29,光刻种类,按工作波长，光刻可分为近紫外光刻，远紫外光刻，电子束光刻和X光光刻等。在IC生产中大量使
8、用的是远紫外光刻。按光刻的工作方式，可分为接触式光刻，和投影步进式光刻，其中步进式光刻是当今IC工业生产的主流。,浙江大学微系统中心,30,接触式光刻：就是将光学掩膜用0.05到0.3个大气压压在涂胶的基片上进行曝光。可以得到1微米的线宽。投影光刻：就是掩膜版远离基片，将掩膜上的图案投影到光刻胶上进行曝光的方法。投影光刻可分为1：1投影和N：1步进式投影两种。特点：1 曝光精度高2 掩膜版使用寿命长3 光路复杂,浙江大学微系统中心,31,23 刻蚀（etching）工艺,刻蚀工艺是微机械最重要对工艺，它主要是用于制作三维结构，另外还可以对表面抛光。 刻蚀工艺分为湿法腐蚀和干法刻蚀两种。 刻蚀对
9、对象可以是：硅、砷化镓等半导体，金属、多晶硅等导体，二氧化硅、氮化硅等绝缘体。,浙江大学微系统中心,32,湿法腐蚀工艺,湿法腐蚀主要应用在体硅微机械的加工中，用于加工微结构。 湿法腐蚀的反应机理是电化学反应。 （反应方程式见下页） 湿法腐蚀有各向同性腐蚀和各向异性腐蚀两种。,浙江大学微系统中心,33,湿法腐蚀反应机理：络合化物反应阳极反应式 Si+2h+ Si2+Si2与(OH)-结合：Si2+ +2(OH) Si(OH)2Si(OH)2分解：Si(OH)2SiO2+H2用HF溶解SiO2，生成络合物H2SiF6：SiO2+6HFH2SiF6+2H2O,浙江大学微系统中心,34,各向同性腐蚀,
10、各向同性腐蚀就是腐蚀液对各个晶向的腐蚀速度相同的腐蚀。 典型的腐蚀液：49HF69HNO3CH3COOH ，即HNA溶液。反应方程式： SiHNO36HFH2SiF6H2NO2H2OH2特点及应用：对SiO2腐蚀明显，不能用SiO2作掩膜。主要用于平面抛光。,浙江大学微系统中心,35,硅,掩膜,光刻胶,各向同性腐蚀示意图,浙江大学微系统中心,36,各向异性腐蚀,各项异性腐蚀是不同晶向的腐蚀速度不同的腐蚀。 面腐蚀速度最慢，面腐蚀速度最快，面速度居中。 应用：利用各个晶面腐蚀速度的不同，可以加工出各种微结构。,浙江大学微系统中心,37,54.75。,晶向各向异性腐蚀图,浙江大学微系统中心,38,
11、各向异性腐蚀液主要有两种：乙二胺，邻苯二酚和水的混合液（EDP）；KOH和水的混合液。EDP最适合微机械的加工，其特点是： 能进行各向异性腐蚀，可以加工出各种独特点形状。 选择腐蚀性强，适用于SiO2，Si3N4，Cr，Au等多种材料作掩膜的腐蚀。 腐蚀速度和掺杂浓度密切相关。,浙江大学微系统中心,39,KOH的水溶液（有时加入异丙醇），也是进行各向异性腐蚀的常用溶液，缺点是对SiO2的腐蚀速度较快，腐蚀时要注意SiO2层的厚度。必要时可使用Si3N4作掩膜。,浙江大学微系统中心,40,KOH各向异性腐蚀例图,浙江大学微系统中心,41,浙江大学微系统中心,42,各种硅腐蚀液工艺条件和特性,浙江
12、大学微系统中心,43,自停止腐蚀,腐蚀的速度与掺杂浓度密切相关，在各向异性腐蚀中，重掺杂硼（71019cm3）时，腐蚀速度在KOH中减小5100倍，在EDP中减小250倍。腐蚀速度与低掺杂时的腐蚀速度比近似为0。所以假设腐蚀时间无限长，腐蚀会在一定位置处（重掺浓度处）停止，这就叫自停止腐蚀。,浙江大学微系统中心,44,应用：用于体微机械深挖槽工艺，制作悬臂梁、阀门等结构。 缺点： 重掺杂表面不能再加工电路 重掺会带来晶体体缺陷，产生应力，影响机械性能。,浙江大学微系统中心,45,自停止腐蚀工艺示意图,浙江大学微系统中心,46,自停止腐蚀工艺示意图,扩散或 离子注 入形成 P区,浙江大学微系统中
13、心,47,自停止腐蚀工艺示意图,背面 生长 掩膜,浙江大学微系统中心,48,自停止腐蚀工艺示意图,浙江大学微系统中心,49,自停止腐蚀工艺示意图,自停止 腐蚀,浙江大学微系统中心,50,电化学腐蚀,电化学腐蚀工艺和自停止腐蚀 工艺相反，电化学腐蚀用来 腐蚀重掺的衬底，留下轻掺杂 的外延层，这样可以加工出和 自停止腐蚀相同的结构， 而避免了自停止工艺的缺点。,浙江大学微系统中心,51,电化学腐蚀示意图,浙江大学微系统中心,52,电化学腐蚀示意图,浙江大学微系统中心,53,电化学腐蚀示意图,浙江大学微系统中心,54,电化学腐蚀示意图,浙江大学微系统中心,55,浙江大学微系统中心,56,电化学腐蚀示
14、意图,浙江大学微系统中心,57,干法刻蚀,干法刻蚀:利用等离子体刻蚀作用进行图形转移称为干法刻蚀。 其最主要的优点是其各向异性的刻蚀。与一般的湿法刻蚀相比，干法刻蚀基本没有侧向掏蚀、钻蚀现象，适用的基底材料范围更大，控制精度更高。,浙江大学微系统中心,58,干法刻蚀种类：等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、离子铣、反应离子束刻蚀等。其中以反应离子刻蚀最常用。,干法刻蚀工艺参数,浙江大学微系统中心,59,DRIE加工例图,浙江大学微系统中心,60,干法刻蚀与湿法腐蚀区别,干法刻蚀的侧向腐蚀小，故刻蚀出来的槽陡直。可以进行大纵深图形的加工。湿法腐蚀侧向腐蚀明显,可以制作出非陡直结构。,浙江大学微系统中心,
15、61,RIE各向异性刻蚀效果图,浙江大学微系统中心,62,硅湿法镜面腐蚀图,浙江大学微系统中心,63,2.4 外延及掺杂技术,在晶片上生长一层与衬底同晶向材料的过程就叫外延。 外延分为：气相外延和掖相外延两种。微机械工艺中，多使用气相外延。方法是：LPCVD 用途：生长多晶硅。用于硅表面微机械。,浙江大学微系统中心,64,多晶硅外延反应方程式：SiH4=Si+2H2 (580C 热分解) 典型生长速度：100A/min 630C多晶硅组分：由许多微小的单晶晶粒组成，晶粒大小决定了多晶硅表面的粗糙度。晶粒结果会随温度的变化而改变。影响晶粒生长的因素：应力、晶粒边界和杂质,浙江大学微系统中心,65
16、,掺杂工艺,掺杂工艺是IC生产的常用工艺。为了得到所希望的特性，如电阻率，把杂质掺如单晶中，这就是掺杂。有P、N两种杂质。 对于硅，P型杂质有：B,Al,As N型杂质有：P ,Ga ,Te等 掺杂的方法有：熔体掺杂、外延生长掺杂、扩散掺杂和离子注入等。 外延生长掺杂：即在外延生长的时，材料生长气体和包含杂质的气体同时进入反应室，通过控制气体组分来控制掺杂浓度。,浙江大学微系统中心,66,扩散掺杂工艺：在高温条件下，对杂质形成浓度梯度，使得杂质原子在晶格中迁移，最终形成稳定的杂质浓度分布的过程。 扩散分为： 按杂质分布曲线，分为表面源扩散和恒定源扩散两种。分别对应于不同的扩散方程和曲线。这二者
17、结合为两步扩散法。 按掺杂源的不同，可分为：固相源扩散、液相源扩散和气相源扩散三种。分别对应于不同的扩散系统。,浙江大学微系统中心,67,离子注入掺杂：将杂质以离子的形式加速到很高的能量，打入到晶片内，实现杂质的掺入。 离子注入的优点是加工效率高，加工时间短。 缺点也很明显：离子能量大，使晶格损伤，产生内应力，这对微机械加工来说是致命的；结深控制难度大；注入的离子不能激活，还要经过高温退火过程。应用：在微机械加工中，通常使用扩散法进行掺杂。,浙江大学微系统中心,68,2.5 键合工艺,键合工艺是微机械的特殊工艺，它是将玻璃与金属、半导体或半导体之间不用任何粘接剂直接封接在一起，键合界面有良好的
18、气密性和长期稳定性。键合工艺分为硅硅键合、硅和玻璃键合等。,浙江大学微系统中心,69,硅硅键合过程：,浙江大学微系统中心,70,硅硅键合的问题,1平整度的问题2 清洗问题3 对位问题,浙江大学微系统中心,71,硅和玻璃键合,又称静电键合、场助键合。 原理是硅片接正极，玻璃接负极，硅片和玻璃紧密贴紧，并对硅和玻璃加热。这样，玻璃中对Na离子在外电压的作用下向负极方向移动，在紧邻硅片对玻璃表面形成几个微米宽的耗尽层。耗尽层带负电，硅片带正电，所以硅和玻璃间产生静电吸引，在一定温度下，硅和玻璃间发生化学反应，形成牢固的化学键，主要是Si-O键，使硅和玻璃间形成稳固的封接。,浙江大学微系统中心,72,
19、硅与玻璃键合示意图,浙江大学微系统中心,73,目前静电键合理论认为在界面处发生了如下的电化反应： 阳极 硅面：Si2H2O=SiO2+4H+4eSi+O-Si-OH=Si-O-Si+h+e玻璃表面：Na2O=2Na+0.5O2+2eN2O+H+=2Na+OH- 阴极：玻璃表面：Na+eNa,浙江大学微系统中心,74,影响硅和玻璃键合的因素,1. 键合材料的表面平整度 2. 键合材料热膨胀特性 3. 键合温度 4. 键合工作电压 5. 电极形状,浙江大学微系统中心,75,三.硅微机械加工实例,微机械按加工方式可分为:体微机械和多晶硅表面微机械。 体微机械的特点是：用刻蚀技术对硅进行各项同性、异性
20、挖槽。 多晶硅表面微机械的特点是：用CVD法在硅表面外延多晶硅和淀积牺牲层。,浙江大学微系统中心,76,3.1悬臂梁的制作,悬臂梁的制作可分为体硅腐蚀和表面生长两种。,浙江大学微系统中心,77,体硅腐蚀制作悬臂梁工艺流程图,生长SiO2掩膜,浙江大学微系统中心,78,浙江大学微系统中心,79,悬臂梁光刻版,浙江大学微系统中心,80,腐蚀SiO2层,浙江大学微系统中心,81,各项同性腐蚀出悬臂梁,浙江大学微系统中心,82,去处SiO2掩膜,浙江大学微系统中心,83,体硅腐蚀加工悬臂梁结构,浙江大学微系统中心,84,多晶硅表面加工悬臂梁流程图,浙江大学微系统中心,85,生长绝缘层,浙江大学微系统中
21、心,86,生长牺牲层,浙江大学微系统中心,87,第一次光刻：光刻锚点,浙江大学微系统中心,88,锚点光刻版图,浙江大学微系统中心,89,湿法腐蚀出锚点位置,浙江大学微系统中心,90,第二次光刻：光刻垫子,浙江大学微系统中心,91,垫子光刻版图,浙江大学微系统中心,92,腐蚀出垫子的位置,浙江大学微系统中心,93,LPCVD生长多晶硅,浙江大学微系统中心,94,悬臂梁光刻版图,浙江大学微系统中心,95,第三次光刻：光刻悬臂梁图形,浙江大学微系统中心,96,完整的悬臂梁抛面图,浙江大学微系统中心,97,3.2 微阀制作,微阀是一种执行器。阀门开启和关闭受控于信息处理单元。加工中要用到键合工艺。,浙
22、江大学微系统中心,98,微阀制作工艺流程,硅,浙江大学微系统中心,99,硅,掩膜,浙江大学微系统中心,100,光刻版,第一次光刻：光刻腔体,浙江大学微系统中心,101,硅,掩膜,浙江大学微系统中心,102,硅,掩膜,浙江大学微系统中心,103,硅,浙江大学微系统中心,104,背面淀积金属,浙江大学微系统中心,105,光刻版,第二次光刻：光刻加热电阻图形,浙江大学微系统中心,106,浙江大学微系统中心,107,刻蚀加热电阻图形,浙江大学微系统中心,108,浙江大学微系统中心,109,第三次光刻：光刻进口,浙江大学微系统中心,110,浙江大学微系统中心,111,浙江大学微系统中心,112,微阀上半
23、部加工完成,浙江大学微系统中心,113,硅,掩膜,浙江大学微系统中心,114,硅,掩膜,光刻版,第四次光刻：光刻阀门,浙江大学微系统中心,115,硅,掩膜,浙江大学微系统中心,116,硅,掩膜,浙江大学微系统中心,117,浙江大学微系统中心,118,硅,掩膜,浙江大学微系统中心,119,硅,掩膜,光刻版,第五次光刻：光刻通道,浙江大学微系统中心,120,硅,掩膜,浙江大学微系统中心,121,浙江大学微系统中心,122,掩膜,背部淀积,浙江大学微系统中心,123,硅,掩膜,光刻版,第六次光刻：光刻出口,浙江大学微系统中心,124,硅,掩膜,浙江大学微系统中心,125,硅,掩膜,浙江大学微系统中心
24、,126,硅,浙江大学微系统中心,127,硅硅键合,IN,OUT,浙江大学微系统中心,128,3.3 微马达的制作,微马达是典型的有源微机械器件，马达的转动、转动速度都受控于外电路。 微马达工艺复杂，要用到多层牺牲层和结构层（structural layer)。,浙江大学微系统中心,129,21/2 工艺制作马达,浙江大学微系统中心,130,硅,绝缘层,浙江大学微系统中心,131,硅,绝缘层,多晶硅,浙江大学微系统中心,132,P扩散,浙江大学微系统中心,133,硅,绝缘层,多晶硅,光刻胶,第一次光刻：光刻导电盘,浙江大学微系统中心,134,硅,绝缘层,多晶硅,过程：导电盘淀积,浙江大学微系统
25、中心,135,硅,绝缘层,多晶硅,牺牲层,第一层牺牲层生长,浙江大学微系统中心,136,第二次光刻：光刻固定电极,浙江大学微系统中心,137,浙江大学微系统中心,138,第三次光刻：光刻垫子,浙江大学微系统中心,139,浙江大学微系统中心,140,第一层多晶硅生长,浙江大学微系统中心,141,多晶硅掺杂,浙江大学微系统中心,142,第四次光刻：光刻转子,浙江大学微系统中心,143,浙江大学微系统中心,144,第二层牺牲层生长,浙江大学微系统中心,145,第五次光刻：光刻转轴芯,浙江大学微系统中心,146,浙江大学微系统中心,147,第二层多晶硅生长,浙江大学微系统中心,148,多晶硅掺杂,浙江
26、大学微系统中心,149,第六次光刻：光刻转轴,浙江大学微系统中心,150,浙江大学微系统中心,151,牺牲层释放,浙江大学微系统中心,152,2+1/2微马达典型数据,绝缘层：Si3N4 1m 多晶硅：0.35m R=19欧/ 第一层牺牲层:2.3m 垫子厚:1.8m 转子和固定电极:2.5m R=4欧/ 转子与电极间隙:1.5m 第二层牺牲层:0.3m(侧壁) 0.5m(顶) 转轴:1m R=10欧/ ,浙江大学微系统中心,153,四 小结,为什么要用半导体工艺去加工微机械器件? 对半导体工艺的熟悉 和半导体IC的集成,制作系统的美好前景 同样用半导体工艺,加工微机械和加工IC有什么不同? 微机械注重结构的加工,IC注重电特性。,浙江大学微系统中心,154,五 微机械加工手段旁述,LIGA技术：LIGA是X光深层光刻、微电铸和微复制技术的完美结合。 特点：加工材料广泛，包括金属、有机物、陶瓷。,浙江大学微系统中心,155,LIGA 工艺流程,X光光刻版,X光曝光,微电铸,微复制,浙江大学微系统中心,156,衬底,浙江大学微系统中心,157,涂X光光刻胶,浙江大学微系统中心,158,X光光刻,浙江大学微系统中心,159,显影,浙江大学微系统中心,160,电铸,浙江大学微系统中心,161,微零件,谢谢观看,下次再见,
