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1、硅微细加工工艺 主讲 XX机械研13 4 2 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 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 压阻效应 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 4 2 硅的体微加工技术 硅微细加工 SiliconMicromachining 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
2、则指各种薄膜制备技术 5 2 1硅的体微加工技术 硅的体微加工 BulkMicromachining 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 刻蚀法分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类 6 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 7 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 8 各向同性
3、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 9 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
4、应中亚硝酸 HNO2 增加 导致了两种硅的刻蚀程度开始接近 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 10 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 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 11 刻蚀液 无机刻蚀液 KOH NaOH LiOH和NH
5、4OH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 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 12 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 13 2 1 2干法刻
6、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 14 等离子体刻蚀 PlasmaEtching PE 原理 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 15 16 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来 形成刻蚀 特点 各向异性好 选择性差 刻蚀气体 惰性气体 17 18 19
7、 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 20 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 表面微加工主要使用的薄膜沉积技术
8、 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 21 22 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 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 23 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
9、刻蚀出的窗口及牺牲层上沉积多晶硅或其他材料作为结构层 e 从侧面将牺牲层材料腐蚀掉 释放结构层 得到所需微结构 24 牺牲层技术表面微加工的工艺步骤 25 利用牺牲层制造硅梁的过程 26 表面微加工对所用材料的要求 1 结构层必须能够保证所要求的使用性能 如电学性能 力学性能 表面特性等 2 牺牲层必须具有足够的力学性能以保证在制作过程中不会引起分层或裂纹等结构破坏 而且牺牲层还应不对后续工序产生不利影响 3 腐蚀所选的化学试剂 应能优先腐蚀牺牲层材料而不是结构层材料 必须有适当的黏度和表面张力 以便充分地除去牺牲层而不产生残留 4 表面加工工艺还应注意与集成电路工艺的兼容性 以保证微机械结构的控制 信号输入和输出等
