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1、微米纳米测试技术应用微加工测试微米纳米测试技术专题之讲课内容测量与制造MEMS的加工和测试技术标准工艺流程实例讨论题测量与制造测量与制造的关系制造结果与设计目标之间存在偏差测量为过程控制和质量控制提供依据制造技术的发展依靠测试手段的提高精密加工技术精密加工的定义工件尺寸在10cm以上：相对精度在万分之一以下工件尺寸在10m以下：绝对精度在1m以下精密加工的分类精密机械加工特种精密加工微细加工精密加工的条件精密测试技术精密环境控制技术精密测试技术精密测试技术设备标定在线检测信息处理发展方向大尺寸测量微纳测试微加工技术微加工的定义特征尺寸：0.1mm 0.1m绝对精度 ：0.1m微加工的分类IC技
2、术及IC兼容的微加工技术LIGA技术超精密加工技术微加工的条件微纳测试技术超精密环境控制技术微纳测试技术特点微纳尺度微纳精度非在线测量非接触测量MEMS的加工和测试技术内容MEMS Lab超净间衬底的制备与测试MEMS工艺及测试超净间的布局黄光区黄光区腐蚀清洗区腐蚀清洗区等离子区等离子区炉管区炉管区测试区测试区灰区（过渡区和辅助区）工艺设备测试设备MEMS Lab超净间MEMS Lab超净间黄光区黄光区腐蚀清洗区等离子区炉管区测试区黄光区就是所有的照明光源均为黄色之区域. 由于IC晶方内之图案均有赖光阻剂(photo resist)覆盖在芯片上, 在经过暴光和显影而定型. 而光阻剂遭遇光线照射
3、(特别是紫外线)即有暴 光之效果, 因此在显影之前, 都要远离此光源. 因为黄光的波长较长, 使光阻剂暴光的效果很 低, 因此将黄光作为显影前最理想的照明光源.MEMS Lab超净间黄光区腐蚀清洗区腐蚀清洗区等离子区炉管区测试区MEMS Lab超净间黄光区腐蚀清洗区等离子区等离子区炉管区测试区电感 耦合 高频 等离 子体 （ICP）MEMS Lab超净间黄光区腐蚀清洗区等离子区炉管区炉管区测试区1.干氧: O2+si sio22.湿氧: H2O + Si sio2 + 2H2MEMS Lab超净间黄光区腐蚀清洗区等离子区炉管区测试区测试区衬底制备与测试选购或定制硅片时要考虑哪些参数？硅片制备过
4、程中如何保证这些参数？衬底参数直径和厚度晶向导电类型及电阻率表面质量缺陷和污染衬底制备衬底材料石英砂多晶硅或非晶硅熔融硅单晶硅化学提纯高温融解结晶，拉晶掺杂，种晶磨外径衬底制备选材定向X射线衍射法掺杂类型及浓度二次离子质谱法SIMS极性仪和四探针仪微缺陷激光散射法激光超声法X射线探测法衬底制备切片参考面厚度1801101101001109011011045100110110n型110p型100n型100p型衬底制备研磨、抛光尺寸测量厚度、总厚度变化、弯曲度、平整度表面缺陷检测亮场检测、暗场检测化学清洗杂质污染MEMS工艺及测试MEMS加工工艺制膜、光刻、刻蚀、掺杂等MEMS加工测试质量检测膜厚
5、，台阶，微缺陷等电性能测试电阻率，介电常数，击穿电压，漏电流等工艺线和环境监控薄膜制备材料、工艺、作用氧化硅、氮化硅、多晶硅、金属外延、氧化、淀积、蒸发、溅射结构、掩蔽层、掩膜、牺牲层、钝化、保护、导电、 介电参数膜厚、厚度均匀性、物性参数缺陷裂纹、针孔、斑点等二氧化硅薄膜氧化工艺氧化工艺密度密度 克克/厘米厘米3折射率折射率 =5460A电阻率电阻率 欧姆欧姆.厘米厘米介电常数介电常数介电强度介电强度 106伏伏/厘米厘米干氧干氧2.242.271.4601.4663 10152 10163.4（10千周）千周）9湿氧湿氧2.182.211.4351.4583.82（1兆周）兆周）水汽水汽2
6、.002.201.4521.462101510173.2（10千周）千周）6.89热分解淀积热分解淀积2.092.151.431.45107108外延淀积外延淀积2.31.461.4778 10143.54（1兆周）兆周）56工艺和物理性质椭偏仪椭偏仪MOS电容器电容器称重称重二氧化硅薄膜化学性质最稳定的化合物与金属氧化物，非金属氧化物在一定温度下形成玻璃体与氢氟酸起化学反应二氧化硅薄膜应用器件中的介质层器件表面的保护膜和钝化膜杂质选择性扩散的掩蔽层扩散定律掩蔽条件DSiO2 DSi足够的厚度tDTdSiO2=二氧化硅薄膜薄膜质量检测厚度测量辨色法干涉法椭圆偏振法椭圆偏振法缺陷检测表面观察法化
7、学腐蚀法金属薄膜制作工艺和用途导线，电极，焊盘；掩膜蒸发，溅射薄膜质量检测厚度测量称重法电阻法台阶法椭圆偏振法椭圆偏振法缺陷检测表面观察法椭圆偏振法原理当样品对入射光存在强烈吸收或薄膜厚度远小于光波长时，用来测量折射率的几何光学方法和用来测量薄膜厚度的干涉法均不再适用椭圆偏振法是利用偏振光在薄膜界面反射或透射时出现的偏振变换来测量薄膜的折射率和厚度椭圆偏振法的应用范围很广，可用于介质薄膜、金属薄膜、非晶半导体薄膜、聚合物薄膜的测量，也可用于薄膜生长或刻蚀过程的实时监测非破坏性，测量精度高椭圆偏振法原理入射椭圆偏振光用平行和垂直于入射面的两分量E1P和E1S表示经过两个界面上的折射和反射后，形成
8、多光束干涉总的反射光用平行和垂直于入射面的两分量EP和ES表示 +=+=SSSSPPPP EEEEEEEE321321 =SSSPPP EEREER11 /椭圆偏振法原理()=iSPetgdnnfRRG1321,n( )= ff argarctan两分量总反射系数之比是变量n1、n2、n3、d、1的函数总反射系数之比是复数，可用tg和表示模和复角已知n1、n3、1，只要测量出和，就可求出n2和d 椭圆偏振法原理若入射光为等幅椭偏光若反射光成为线偏光() ()=iiSPSPetgeEEEEGSPSP1111/SPSP EEEEtg11/=() ()SPSP11=SPEEtg=/()SP11=()
9、SP11=Pi PPeEE1 11=Si SSeEE1 11=Pi PPeEE=Si SSeEE=椭圆偏振法原理入射等幅偏振光的获得()() =+Pi SPi PeEEeEE4/3 014/ 0122222/211=PSP椭圆偏振法原理反射线偏光的获得AXYEPESAEAESSPPsinsincossin=()0=SP()=SPtan/tan=SPEEASPSP EEEEtg11/=() ()SPSP11=椭圆偏振法原理调整四分之一波片满足入射等幅偏振光条件调整起偏器方位角P，使反射光成为线偏光用消光时的(P,A)确定(, )A= =PP 22/322/ ()dnAP,),(),(2查表或用计
10、算机程序计算椭偏仪掺杂目的改变材料的导电性能掺杂方法合金扩散预淀积，再分布离子注入注入，退火掺杂掺杂质量检测结深磨角法滚槽法方块电阻四探针仪表面杂质浓度表面分析法间接查表法jSxR=SjsNxR,磨角法与滚槽法四探针法IVCRS=电位探针电位探针电流探针电流探针光刻目的按照设计要求，在薄膜或衬底上刻蚀出与掩模版完全对应的几何图形，以实现选择性扩散、金属布线、形成结构工艺步骤涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀，去胶光刻光刻质量要求刻蚀的图形完整，尺寸准确，边缘整齐陡直图形内没有针孔图形外没有残留的被腐蚀物质图形之间套合准确光刻缺陷浮胶、毛刺、钻蚀、针孔、小岛观察和镜检刻蚀工艺加工材料腐蚀剂湿法腐
11、蚀硅KOH, TMAH（四甲基氢氧化氨）, EDP(乙二胺邻苯二酚和水的混合液）氮化硅H3PO4(磷酸)氧化硅HF铝H3PO4干法刻蚀 RIE DRIE (ICP)硅，多晶硅SF6氮化硅CF4氧化硅CHF3（氟化碳）铝Cl2刻蚀比较参数湿法腐蚀干法腐蚀腐蚀偏差3微米非常小腐蚀图形各向同性或各向异 性可控刻蚀速率高，可控可接受，可控选择性高，可控可接受，可控设备价格低高产率高（可批量化）可接受化学试剂使用量大量少量刻蚀台阶测量台阶仪白光干涉仪激光扫描仪扫描电镜标准工艺流程标准工艺流程北大体硅工艺1定义键合区光刻（1#掩模版 正版）刻蚀浅槽（4m ）RIE 或 KOH掺杂离子注入，形成接触区用于轻
12、掺杂衬底形成金属电极光刻（2掩模版 负版 ）腐蚀玻璃形成浅槽（1200）溅射Ti/Pt/Au剥离形成金属电极硅/玻璃阳极键合双面对准键合误差5m硅片减薄减薄（80100m）KOH腐蚀机械减薄玻璃面划片ICP刻蚀溅射Al光刻（3掩模版 正版）刻蚀AlICP刻蚀Si，释放结构北大体硅工艺2定义键合区光刻（1#掩模版 正版）刻蚀浅槽（4m ）RIE 或 KOH浓硼扩散浓硼扩散，定义结构层扩散深度1520mICP刻蚀光刻（2#掩模版 正版）ICP刻蚀，预释放结构形成金属电极光刻（3掩模版 负版 ）腐蚀玻璃形成浅槽（1200）溅射Ti/Pt/Au剥离形成金属电极键合键合划片结构释放EDP腐蚀（自停止）北
13、大表面工艺下层电极淀积氧化硅（3000）淀积氮化硅（2000）淀积多晶硅（3000）光刻（1掩模版 正版）刻蚀多晶硅牺牲层淀积PSG(2m)光刻（2#掩模版 负版）刻蚀PSG（2000）刻蚀支撑点光刻（2#掩模版负版）刻蚀PSG淀积多晶硅淀积多晶硅（2 m）应力调整刻蚀多晶硅光刻（4#掩模版 正版）刻蚀多晶硅释放结构牺牲层腐蚀防粘附处理上海微所电容器件工艺上海微系统所电容器件序序 号号工艺名称工艺名称工艺要求工艺要求备注备注1选取选取N型（型（100）双抛硅片）双抛硅片硅片厚度硅片厚度450um2标准清洗标准清洗3氧化氧化厚度厚度0.5um4光刻光刻最小线宽最小线宽10um硅片背面光刻（硅片背
14、面光刻（1版）版）5腐蚀氧化硅腐蚀氧化硅6腐蚀硅腐蚀硅腐蚀深度腐蚀深度4um7清洗硅片清洗硅片重复步骤重复步骤28腐蚀背面腐蚀背面SiO2硅片正面硅片正面SiO2用胶保护用胶保护上海微系统所电容器件序序 号号工艺名称工艺名称工艺要求工艺要求备注备注9选取选取Pyrex7740玻璃片玻璃片10清洗玻璃片清洗玻璃片重复步骤重复步骤211玻璃片蒸铝玻璃片蒸铝厚度厚度1um玻璃片正面蒸铝玻璃片正面蒸铝12光刻光刻（2版）版）13腐蚀腐蚀Al14键合键合硅片背面和玻璃正面硅片背面和玻璃正面 进行静电键合进行静电键合15光刻光刻Si片正面片正面SiO2（3版）版）16清洗键合片清洗键合片重复步骤重复步骤2上海微系统所电容器件序序 号号工艺名称工艺名称工艺要求工艺要求备注备注17硅片正面蒸铝硅片正面蒸铝厚度厚度1um18光刻光刻Al重复步骤重复步骤11（4版）版）19腐蚀腐蚀Al硅片正面光刻硅片正面光刻18DRIE至结构释放至结构释放19等离子体去胶等离子体去胶20分片分片上海微所压阻器件工艺上海微系统所压阻器件材料：N型（100）4英寸硅片，双面或单面抛光，电阻率：0.5-8cm, 厚度：400-500微米步骤一：进炉前标准清洗；步骤二：标准氧化；步骤三：标准光刻1和标
