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1、CH3 微系統科技的技巧3.1 微技術n微小化及機體化的技術、主要結合微電子學與 傳統感覺器和致動器之技術經修正來滿足MST 的特殊需求:1.層技術(構成毫微米和微米及薄層) 2.微機械學(構成3D立體構造) 3.積體光學(製造平面微小光學元件) 4.光纖(在耦合、導引及解偶合) 5.流體技術(力量、移動、輸送)3.1.1 層技術n指生產微奈米級薄層的方法,應用各種材料沉積 在基材上以形成導體,電阻及絕緣層.有些作成 靈敏層結構層或犧牲層. 1.薄膜技術:厚度介於nm-um間,可當晶片之基本結 構或當功能層.長層技術有-熱沉積,物理沉積,化學沉積. 2.液相沉積:包含流電法,旋轉成形,電解法及
2、其它原理 . 3.厚膜技術:是印刷電路板導體及絕緣體的標準技術. 解析度約50um對MST用處較少.3.1.1.1 薄膜沉積(Thin Film Deposition)熱氧化(Oxidation):矽很容易氧化,氧化矽可當蝕刻製程的覆罩以 得所需結構或當電絕緣體.1200C的高溫氧化可加速其製程. 物理沉積法PVD (Physical Vapor Deposition)：含濺射 (Sputtering)及蒸氣(Evaporation)沉積法,用為導體的金屬材料 多用此法沉積.濺射法是在真空室中由電漿(plasma)所造成的正 離子來轟擊欲為沉積的金屬材料(如鋁,鎢,鈦等)所行成之陰極靶, 使靶
3、的原子沉積於基材上.電漿是遭部份離子化的氣體(如氮,氬,臭 氧等).亦可加入反應性氣體(如氧)以增加化學作用稱反應性濺射. 化學沉積法CVD (Chemical Vapor Deposition):是最主要的製 程如低壓CVD(LPCVD)電漿加強CVD(PECVD)等.此製程常用於 氮化矽,氧化矽,多晶矽及單晶矽之製作.此法之優點為厚度及物理 性質可精確獲得材料純度極高.雷射加工可用於加工及修補.Thin Film TechniquesnThermal Deposition of Silicon OxidenWet OxidationnDry OxidationnPhysical Layer
4、 Deposition (PLD)nEvaporationnSputtering: DC-diode sputtering, Magnetron sputteringnChemical Vapor Deposition (CVD)nLPCVD, APCVDnPlasma Enhanced CVD (PECVD)nLiquid DepositionnGalvanic, Spin coating, CatalyticThin Film Techniques - Thermal Deposition nThermal Deposition of Silicon OxidenNative Oxide
5、(oxidation in room temperature) 20n高溫擴散能力快，氧化速度亦增加n每產生厚度X0的氧化層需消耗厚度XS的矽晶片nXs = 0.44X0Thermal OxidationnWet Oxidation: Si(s)+2H2O(g)SiO2(s)+2H2(g)n時間快nDry Oxidation: Si(s)+O2(g)SiO2(s)n熱爐管通入氧氣及適量氮氣或惰性氣體，慢慢加熱至 9001100C（標準製程溫度）n速度較慢但電性較佳，故在半導體產業中較常用SiO2製作Thin Film Techniques - PLDnPhysical Layer Deposi
6、tion（物理層沈積）n高硬度、耐腐蝕、美觀nVapor Deposition(蒸鍍)nHigh temperature （接近熔點）in a vacuum chambernPoor layer adhesionnSputtering(濺度)nMagnetron sputteringnReactive sputteringnBetter layer adhesionPhysical Vapor Deposition (PVD)nPVD依不同加熱源蒸鍍法可分為n真空蒸鍍法、電子束蒸鍍法（常用）、雷射束蒸鍍法n真空蒸鍍法nVacuum chambern電流通過坩堝加熱蒸鍍源至接近熔點n蒸鍍源侷限於
7、如鋁之低熔點金屬n缺點：坩堝因被加熱，故可能造成沈積材料污染Physical Vapor Deposition (PVD)n電子束蒸鍍法 (Electron Beam Evaporation)n因適用於高熔點材料，故較常用於半導體產業n對燈絲加熱電壓使其產生電子束，經靜電聚焦板，加熱蒸鍍源。n缺點：會產生X-Ray或其他離子 而破壞基材n雷射束蒸鍍法n以雷射束取代電子束n不會破壞基材，但昂貴3Physical Vapor Deposition (PVD)n限制與缺點n沈積率低n不同材料熔點與蒸發速率不同，因此對合 金或化合物得沈積成分控制不易n薄膜對階梯的覆蓋能力差n加熱源易對薄膜品質造成污染
8、n一般精密的半導體製程與VLSI多以濺鍍 法取代蒸鍍法濺鍍 (Sputtering)n基本原理（直流濺鍍）n氣體輝光放電產生電漿n帶電正離子經電場加速撞擊靶材n靶材被轟擊出原子與離子，原子藉由動能及擴散原理在晶 片表面進行沈積濺鍍種類n直流濺鍍 (DC-diode Sputtering)n靶材接陰電極，基材接陽極n沈積率不高n磁控濺鍍(Magnetron Sputtering)n靶材背面加上磁場n電磁作用會產生二次電子 增加電漿濃度，因而增加沈積 率n減少氣體離子對基材與容器壁 漫無方向的碰撞n因電離率增加，可減少氣體消 耗n非平衡磁控濺鍍（UBM）3濺鍍種類n高週波濺鍍(Radio-Freq
9、uency Sputtering)n若靶材為非導體時，氣體離子撞擊靶材後得不到電子中和 ，使正電荷累積，與後來的氣體離子排斥n以高週波取代直流電n正離子撞擊靶材（陰極）後，將陰陽極調換，陰陽變換， 此時電子撞擊變成陽極的靶材，以中和其上的正電荷n反應性氣體濺鍍(Reactive Gas Sputtering)n將少許反應性氣體如N2, O2，烷類等，隨同惰性氣體輸入 真空腔，使反應氣體與靶材原子一起沈積於基底，以改變 薄膜成分n封閉式非平衡磁控濺鍍法蒸鍍法與濺鍍法的比較Whats PlasmasnThe Fourth State of MatternFreely moving charged
10、gas particles, i.e., electrons and ions.（離子化的氣體）nFormed at high temperatures.nCan be accelerated and steered by electric and magnetic fields. Copyright1994 General AtomicsThin Film Techniques - CVDnChemical Layer DepositionnPredominantly used in thin film technologynExactly dosed, good thickness con
11、trol and physical propertynExtremely high puritynApplicable materials: Silicon Oxide (SiO2), Silicon Nitride(Si3N4), Polycrystalline Silicon, EpitaxynDisadvantages: High process temperature (1250C) and toxic gasesVarious type of CVDnAtmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition (APCVD)n通常用來沈積磊晶矽及複合
12、半導體材料n在300450C低溫下通過反應氣體，可高速沈積二氧化矽n冷壁式以減少壁面沈積n階梯覆蓋性較差Various type of CVDnLow Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) n壓力在100Pa(1 torr)以下n通常用來沈積多晶矽n階梯覆蓋性較佳，但沈積速率較慢n熱管壁設計，故需定期清理管壁Various type of CVDnPlasma Enhanced CVD (PECVD)n150350 CnHigh energy electrons break the chemical bonds and ionize the mo
13、lecules of the layer material.nBetter deposition rate and uniformitynMetal Organic CVD (MOCVD)n將氫化物（如砷化三氫）或有機金屬聚合物（三 聚乙基鎵）的反應氣體，於流場通過試片置放處 進行薄膜沈積CVD薄膜材料與沈積方式nCVD常用材料n二氧化矽(SiO2)：蝕刻阻擋層、隔離層、防護層、犧牲層n磷矽玻璃(PSG)：防護層(如防水氣)、犧牲層n多晶矽(Polycrystalline Silicon)：作為結構層n氮化矽(Si3N4): 蝕刻保護層n碳化矽(Silicon Carbide):作為結構層n鎢
14、(W)：導體PolysiliconnLPCVD: source gas SiH4(矽甲烷，silane), 570-650C, 100400 mtorr, 100 /min (630 C)nMicrostructure depends on deposition conditionn100% SiH4 source gas, 100 mtorr, temp 570C, produces polycrystalline filmn600 C, grains are fine and equiaxedn625 C, grains are large and have a columnar stru
15、cturenCrystalline orientation of the polysilicon grain is predominantly (110) for substrate temp, 600650C. and is predominantly (100) for substrate temp, 650700C.Silicon DioxidenMasking（阻擋層）nDiffusion Masking（擴散阻擋層）nIon Implantation Masking（離子植入阻擋層）nEtching Masking（蝕刻阻擋層）nPassivation（防護層）：保護晶片表面以減少離
16、子植 入時的破壞nGate Oxide（閘氧化層）：MOS閘氧化層及電容的介 電層nIsolation（隔離層）：元件與元件隔離之場氧化層nSacrificial Layer（犧牲層）：搭配多晶矽作為懸浮結 構的犧牲層Etching Masking（蝕刻阻擋層）n基本的微小樑結構的MEMS製程如下所示： 將矽晶圓表面沉積阻擋層Si3N4與SiO2各一層，作為阻擋蝕刻之用。Etching Masking（蝕刻阻擋層）將光阻旋塗於晶圓表面，光阻所需之厚度與光阻之種類和製程有關聯，在製作時必須考量此點，且重複的測試，並以所設計之第一道光罩加以曝光及顯影，做出濕蝕刻所需之窗口。曝光的時間，需考量到光阻種類及厚度，以及曝光機的光源強度。最後的顯影液需要做適當的調配，其所需之顯影時間，可用顯微鏡觀察光阻有無去除乾淨，來決定曝光的時間長短。Etching Masking（蝕刻阻擋層）使用反應離子蝕刻機(RIE)，將阻擋層Si3N4 及SiO2去除，以便進行濕蝕刻的步驟。RIE 是利用電
