1、Chapter 3 MEMS Technologies,Three dominant MEMS fabrication technologies philosophically different in their approach are currently in use: LIGA Bulk micromachining Sacrificial surface micromachining,3.1 Bulk micromachining,硅刻蚀方法：干法和湿法刻蚀方向选择性：各向同性和各向异性刻蚀材料选择性： 选择性刻蚀或非选择性刻蚀选择方法：晶向和掩模多种刻蚀技术的应用：体硅工艺（三维技
2、术），表面硅工艺（准三维技术）,湿法刻蚀,湿法刻蚀“湿”式刻蚀方法，基于溶液状态的刻蚀剂。湿法刻蚀工艺特点：设备简单，操作简便，成本低可控参数多，适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,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的晶面的刻蚀速率有明显差别利用各向异性刻蚀特性，可以刻蚀出各种复杂的结构。,各向异性刻蚀和各向同性刻蚀,一、硅的各向异性刻蚀,是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向刻蚀速率不同的特性，使用抗蚀材料作掩膜，用光刻、干法刻蚀和湿法刻蚀等手段制作掩膜图形后进行的较大深度的刻蚀。机理：刻蚀液发射空穴给硅，形成氧化态Si+，而羟基OH
3、-与Si+形成可溶解的硅氢氧化物的过程。,硅的各向异性腐蚀技术,各向异性(Anisotropy)各向异性刻蚀液通常对单晶硅(111)面的刻蚀速率与(100)面的刻蚀速率之比很大（1：400）,各向异性刻蚀的特点：刻蚀速率比各向同性刻蚀慢，速率仅能达到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100左右，从而影响到许多光刻胶的使用,各向异性刻蚀液,刻蚀液：无机刻蚀液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等；有机刻蚀液：EPW、TMAH(四甲基氢氧化铵)和联胺等。常用体硅刻蚀液：氢氧化钾(KOH)系列溶液；EPW(E：乙二胺，P：邻苯二酚，W：水)系列溶液。乙二胺(NH2
4、(CH2) 2NH2)邻苯二酚(C6H4(OH) 2)水(H2O),（1）KOH system,KOH是目前在微机电领域中最常使用的非等向蚀刻液，为一碱金属之强碱蚀刻液，其金属杂质会破坏CMOS的氧化层电性，所以不兼容于IC制程；但因其价格低廉、溶液配制简单、对硅(100)蚀刻速率也较其它的蚀刻液为快，更重要的是操作时稳定、无毒性、又无色，可以观察蚀刻反应的情况，是目前最常使用的蚀刻液之一。,溶剂：水，也有用异丙醇(IPA)溶液：20% - 50% KOH温度： 60 80C速率：1um/分钟特点：镜面，易于控制，兼容性差,（1）KOH system,EPW NH2(CH2)2NH2乙二胺，C
5、6H4(OH2)2 (邻苯二酚)，H2O特点：蒸 气有毒，时效较差， 选择性好,（2）EPW system,EPW刻蚀条件,刻蚀温度：115左右反应容器在甘油池内加热，加热均匀；防止乙二胺挥发，冷凝回流；磁装置搅拌，保证腐蚀液均匀；在反应时通氮气加以保护。掩膜层：用SiO2，厚度4000埃以上。,(3)TMAH (四甲基氢氧化铵 ),四甲基氢氧化铵 为有机、无色之水溶液，原本为半导体制程中正胶的显影液，但目前亦应用于蚀刻制程中。TMAH的毒性低为其最大优点，对于SiO2及SiN等介电材料蚀刻率低；对于Ti和Al有明显的蚀刻，在蚀刻组件前需加入适当的硅粉末，降低对铝的蚀刻率，亦可加入酸来降低蚀刻
6、液的pH值，如酸与铝会发生化学反应生成硅铝酸盐，硅铝酸盐对蚀刻液有较好的抵抗能力，可以保护铝材的电路。TMAH的蚀刻反应过程会因操作参数不同而有极大的差异，且长时间蚀刻蚀刻液亦不稳定。此外，适用于硅微加工的高浓度TMAH(15%)价格高昂，都是无法广泛应用的原因。,刻蚀设备,刻蚀设备,硅和硅氧化物典型的刻蚀速率,影响刻蚀质量因素,晶格方向刻蚀溶液的选择刻蚀溶液的浓度刻蚀时间操作温度温度搅拌方式,二、各向同性刻蚀,硅的各向同性刻蚀在半导体工艺中以及在微机械加工技术中有着极为广泛的应用。常用的刻蚀液为HF-HNO3加水或者乙酸系统。刻蚀机理为： 首先是硝酸同硅发生化学反应生成SiO 2，然后有HF
7、将SiO 2溶解。,优点：无尖角， 较低应力 、刻蚀速度快、 可用光刻胶掩膜,目前主要的各向同性刻蚀液为：NHA和HNWH：氢氟酸(HF)N：硝酸(HNO3)A：乙酸(CH3COOH) W: Water,三、自停止刻蚀技术(Etch stops),机理：EPW和KOH对硅的刻蚀在掺杂浓度小于11019cm-3时基本为常数，超过该浓度时，刻蚀速率与掺杂硼浓度的4次方成反比，达到一定的浓度时，刻蚀速率很小，甚至可以认为刻蚀“停止”。,（1） 重掺杂自停止刻蚀(KOH和EPW：51013/cm3)（2）(111)面停止（3） 时间控制（4）P-N结自停止刻蚀（5）电化学自停止刻蚀,自停止刻蚀,1、薄
8、膜自停止刻蚀,薄膜自停止刻蚀是指晶片刻蚀到最后，终止于其它不会被刻蚀所影响的薄膜，这层薄膜可以是氧化硅、氮化硅、富硅氮化硅、聚酰亚胺，甚至是金属。利用薄膜自停止腐蚀必须考虑刻蚀选择性，以及薄膜应力问题，因为应力太大将使薄膜发生破裂。,2 、重掺杂自停止刻蚀技术,KOH对硅的腐蚀在掺杂浓度超过阈值浓N0(约为51019CM-3)时，刻蚀速率很小，轻掺杂与重掺杂硅的刻蚀速率之比高达数百倍，可以认为KOH溶液对重掺杂硅基本上不腐蚀。,高掺杂硼有两个缺点：与标准的CMOS工艺不兼容导致高应力，使得材料易碎或弯曲重掺杂硼的硅刻蚀自停止效应比重掺杂磷的硅明显，所以工艺中常采用硼重掺杂硅作为硅刻蚀的自停止材
9、料。,3、（111）面自停止刻蚀,KOH溶液对（100）和（111）面硅的腐蚀速率差别很大，可高达100400倍，因此可利用（111）面作为停止刻蚀的晶面。,4、电化学自停止刻蚀,电化学自停止刻蚀技术不需要重掺杂层，由于用了外延技术，因此刻蚀自停止层可以做的很厚。,刻蚀保护技术,如果硅晶片表面已经形成一些图案，其中部分薄膜会被刻蚀液所影响，所以必须利用刻蚀保护技术来保护已完成的结构。目前常用的保护技术有两种：一是制作夹具或用胶将整个面保护住；另一种是淀积氮化硅将正面包住，待背后腐蚀完后再将氮化硅去除,湿法刻蚀的缺点：图形受晶向限制，深宽比较差，倾斜侧壁，小结构粘附。,三、干法刻蚀,狭义的干法刻
10、蚀主要是指利用等离子体放电产生的化学过程对材料表面的加工广义上的干法刻蚀则还包括除等离子体刻蚀外的其它物理和化学加工方法，例如激光加工、火花放电加工、化学蒸汽加工以及喷粉加工等。,干法刻蚀的优点：具有分辨率高、各向异性刻蚀能力强、腐蚀的选择比大、能进行自动化操作等干法刻蚀的过程：刻蚀性气体离子的产生离子向衬底的传输吸附及反应衬底表面的刻蚀钝化及去除刻蚀反应物的排除,干法腐蚀的主要形式：*纯化学过程：（等离子体刻蚀)*纯物理过程： (离子刻蚀、离子束刻蚀）*物理化学过程：反应离子刻蚀RIE ，感应耦合等离子体刻蚀ICP.,在物理刻蚀方法中，利用放电时所产生的高能惰性气体离子对材料进行轰击，刻蚀速
11、率与轰击粒子的能量、通量密度以及入射角有关；在化学刻蚀中，惰性气体（如四氟化碳）在高频或直流电场中受到激发并分解（如形成氟离子），然后与被刻蚀材料起反应形成挥发性物质；在物理化学结合的方法中，既有粒子与被刻蚀材料的碰撞，又有惰性气体与被刻蚀材料的反应。,反应离子刻蚀,反应离子刻蚀（Reactive ion etch）是在等离子中发生的。随着材料表层的“反应剥离排放”周期循环，材料被逐层刻蚀到制定深度。衡量反应离子刻蚀的指标：掩模的刻蚀比刻蚀的各向异性程度其它：刻蚀速率、刻蚀均匀性等,等离子刻蚀,利用气体辉光放电电离和分解稳定的原子所形成的离子和活性物质，与被刻蚀的固体材料作用，产生挥发性的物质
12、或气态产品。,刻蚀过程主要是化学反应刻蚀，是各向同性的，主要作为表面干法清洗工艺。,离子轰击的作用：1.将被刻蚀材料表面的原子键破坏；2.将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉,DRIE、ICP刻蚀工艺,1.现象（1）各向同性刻蚀（2）各向异性刻蚀（3）溅射刻蚀,等离子体刻蚀的主要现象和特点,（1）速率高 （2）环境清洁，工艺兼容性好。（3）掩膜选择性好 30：1（4）表面光洁度好，应力集中少（5）无晶向限制,主要特点,（1）好的截面形状，易于满足铸模要求。（2）高的腐蚀速率，适于体硅要求。（3）利用各向同性腐蚀，满足牺牲层腐蚀要求。（4）可用于活动结构制作。（5）可用于高深宽比结构制作。,适
13、应性,反应离子深刻蚀,改善刻蚀的方向性，即各向异性，一直是反应离子刻蚀技术发展过程中不懈追求的目标。完全化学刻蚀是各向同性的，完全的物理刻蚀虽然有很好的方向性，但有很差的选择性，即掩模本身经受不了长时间的刻蚀。电感耦合等离子体（ICP），Bosch工艺,反应离子深刻蚀的要求：需要较高的刻蚀速率，否则刻穿500um厚的硅片需要太长的时间；需要极好的各向异性，即刻蚀的边壁垂直。除了离子物理溅射之外，反应离子刻蚀从本质上是各向同性，为了阻止或减弱侧向刻蚀，只有设法在刻蚀的侧向边壁沉积一层抗刻蚀的膜。,离子溅射刻蚀,离子溅射刻蚀是纯粹的物理刻蚀过程，氩气是最通用的离子源气体。,反应气体刻蚀,利用二氟化
14、氙XeF2在气态可以直接与硅反应生成挥发性SiF4产物的性质，可以对硅表面进行各向同性刻蚀。,干法刻蚀与湿法腐蚀对比,3.2 表面微加工技术,表面微机械加工以硅片为基体，通过多层膜淀积和图形加工制备三维微机械结构。硅片本身不被加工，器件的结构部分由淀积的薄膜层加工而成，结构与基体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用是支撑结构层，并形成所需要形状的最基本过程，在微器件制备的最后工艺中解牺牲层。,表面微加工过程特点：添加图形去除添加：薄膜沉积技术图形：光刻去除：腐蚀技术表面微加工和IC工艺的区别：形成机械结构！,硅表面微机械加工是微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种加工技术。一般来讲，微
15、机械结构常用薄膜材料层来制作，常用的薄膜层材料有：多晶硅、氮化硅、氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼硅酸玻璃(BSG)和金属。,表面微加工,表面微加工技术主要靠在基底上逐层添加材料而构造微结构表面微加工器件是由三种典型的部件组成：牺牲层；微结构层；绝缘层部分,基本概念,在微机械加工中，通常将两层薄膜中的下面一层腐蚀掉，只保留上面的一层，这种技术称为牺牲层腐蚀，又称为分离层腐蚀。利用牺牲层腐蚀技术直接在衬底表面制作微机械元件结构的技术被称为“硅表面微机械加工技术”。,MEMS 器件的加工,体硅与表面微机械技术的比较,常用牺牲层材料,表面微加工中的力学问题,表面微加工技术存在着三个主要的力学问题：
16、层间黏附；界面应力；静态阻力,界面应力,在双层结构中有三种典型的应力 1.材料的热膨胀系数不匹配引起的热应力 双层结构达到非常高的操作温度时，剧烈的热应力会使SiO2薄层从Si基底脱离,2.残余应力在微机械加工中是固有的,3.存在于薄膜结构中本身的应力由微加工过程中原子结构局部变化产生的 例如，过量掺杂会导致结构在表面微加工后产生很大的残余应力,粘连,两个分离薄片粘附在一起的现象称为粘连；粘连是表面微加工中最严重的问题；在牺牲层从被分离的材料层中去除时发生,解决方法,1、最简单的方法式在漂洗和吹干期间，尽量防止微器件与基体的接触，从液体中抽出器件时尽量减少器件上的作用力，在最后一道工序中采用低
17、表面张力的液体。2、超临界干燥3、低于三相点,表面微机械加工的特点,1、在表面微机械加工中，硅片本身不被刻蚀，没有穿过硅片，硅片背面也无凹坑。2、表面微机械加工适用于微小构件的加工，结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反应离子刻蚀工艺。3、形成层状结构的特点为微器件设计提供较大的灵活性。4、可实现微小可动部件的加工。5、与IC工艺兼容性好。,silicon substrate base:,A,B,D,E,F,Silicon constraint base,Mask 1,for etching,Mask 2for deposition,PSG,SacrificialLayer,Silicon c
18、onstraint baseAfter etching of sacrificial layer, Deposit a sacrificial layer of PSG (Phosphosilicateglass) using LPCVD process., Cover the PSG layer with Mask 1 (made of Si3N4)for subsequent etching away the PSG for beamssupport area as shown in Step C.C, Produce a Mask 2 (Si3N4) with openingof the
19、 size of the beam length and width.Cover this Mask on top of the PSG layer., Deposit polysilicon over the masked regionusing CVD to thickness of the beam., Remove the sacrificial PSG by etching (see blow)and creates the free-standing cantilever beam.,Surface Micromachining ContdGeneral description o
20、f processIllustration of micromachining process creation of a polysilicon cantilever beam on,多层表面工艺, German acronym for (LIthograpie, Galvanoformung, Abformung), lithography, electroplating / electrodeposition , molding Developed at the Karlsruhe Research Center （卡尔斯鲁厄研究中心 ）in the early 80s Features
21、 allow 3D microstructure of several hundred m high and laterally in 0.2 m can use plastics, metals, ceramics or their combinations - hybrid microsystem high production cost,3.3 LIGA体微加工技术,四个工艺组成部分：LIGA掩模板制造工艺；X光深层光刻工艺；微电铸工艺；微复制工艺。1、LIGA掩膜板制造工艺 LIGA掩模板必须能有选择地透过和阻挡X光，一般的紫外光掩模板不适合做LIGA掩模板,3.3 LIGA体微加工技
22、术,表 LIGA掩模板的X光透光薄膜材料的性能及其优缺点,图 LIGA技术的工艺流程,需平行的X光光源。由于需要曝光的光刻胶的厚度要达到几百微米，用一般的X光光源需要很长的曝光时间。同步辐射X光光源不仅能提供平行的X光，并且强度是普通X光的几十万倍，这样可以大大缩短曝光时间。,图 X光过渡掩模板制造工艺流程图,2、 X光深层光刻工艺,3、微电铸工艺 目前镍的微电铸工艺比较成熟，镍较稳定，且具有一定的硬度，可用于微复制模具的制作。由于金是LIGA掩模板的阻挡层，所以，在LIGA技术中，金的微电铸技术非常重要。有些传感器和执行器需要有磁性作为驱动力，所以，具有磁性的铁镍合金的微电铸对LIGA技术也
23、很重要。其他如银、铜等也是LIGA技术常用的金属材料。 LIGA的微电铸工艺技术难点之一，是对高深宽比的深孔、深槽进行微电铸。,由于同步辐射X光深层光刻代价较高,无法进行大批量生产，所以LIGA技术的产业化只有通过微复制技术来实现。目前微复制方法主要有两种，注塑成型和模压成型，图给出了注塑成型和模压成型两种微复制方法的工作原理。其中注塑成型适用于塑料产品的批量生产，模压成型适用于金属产品的批量,图 两种微复制方法的工作原理,4、微复制工艺,Worlds smallest helicopter is constructed from parts made using LIGA process.
24、With a length of 24 millimeters and a weight of 0.4 grams the helicopter takes off at 40,000 rpm. With a diameter of only 1.9 millimeters the electromagnetic motors can reach an incredible revolution speed of nearly half a million rpm on the one hand, and a considerable torque of 7.5 Nm on the other hand.,键合技术包括有阳极键合技术，硅/硅基片直接键合，其他硅一硅间接键合技术等。阳极键合又称静电键合或协助键合，具有键合温度较低，与其他工艺相容性较好，键合强度及稳定性高，键合设备简单等优点,因此,广泛应用于硅/硅基片之间的键合、非硅材料与硅材料、以及玻璃、金属、半导体、陶瓷之间的互相键合,3.4 键合技术,1.MEMS制造工艺有哪两类主要技术？叙述各类技术的主要内容。2. 叙述硅刻蚀的湿法技术的主要工艺流程。各向同性刻蚀的特点是什么？各向异性刻蚀的机理是什么？3LIGA体微加工技术的组成部分是什么？及其主要工艺流程。,
