MEMS工藝-表面微機械加工技術

1、匯報人：胡文艷時 間：2017.6.10第11章 表面微機械加工01相關基本概念介紹相關基本概念介紹-02表面微機械加工基本工藝介紹表面微機械加工基本工藝介紹-03結構層材料和犧牲層材料的選擇結構層材料和犧牲層材料的選擇-04加速犧牲層刻蝕的方法加速犧牲層刻蝕的方法鉆蝕釋放速度的技術鉆蝕釋放速度的技術-05粘附機制和抗粘附的粘附機制和抗粘附的方法方法與烘干工藝相關的失效以及改進方法與烘干工藝相關的失效以及改進方法-Contents目錄微機械加工微機械加工微機械加工技術是加工微機械加工技術是加工微米量級微米量級機械的技術，即是為微傳感機械的技術，即是為微傳感 器、微執(zhí)器、微執(zhí)行器和微電子機械系統(tǒng)

2、制作微機械部件和結構的加工技術。行器和微電子機械系統(tǒng)制作微機械部件和結構的加工技術。按加工類型分類按加工類型分類 體微機械加工體微機械加工表面微機械加工表面微機械加工復合微機械加工復合微機械加工按加工材料分類按加工材料分類 硅基微機械加工硅基微機械加工非硅基微機械加工非硅基微機械加工分類方法分類方法一一基本概念基本概念在工藝中經(jīng)常在工藝中經(jīng)常同時使用同時使用微機械加工工藝微機械加工工藝體微機械加工體微機械加工表面微機械加工表面微機械加工復合微機械加工復合微機械加工定義：能夠制造附著于襯底表面附近的微結構的工藝。定義：能夠制造附著于襯底表面附近的微結構的工藝。與體微機械加工不同，表面微機械加工沒

3、有移除或刻蝕與體微機械加工不同，表面微機械加工沒有移除或刻蝕體襯底材料。體襯底材料。表面微機械加工的定義表面微機械加工的定義表面微機械加工和體微機械加工工藝特點：表面微機械加工和體微機械加工工藝特點：表面微機械加工表面微機械加工體微機械加工體微機械加工優(yōu)點優(yōu)點充分利用了現(xiàn)有的充分利用了現(xiàn)有的ICIC生產(chǎn)工藝，對生產(chǎn)工藝，對機械零部件尺度的控制與機械零部件尺度的控制與ICIC一樣好一樣好, ,因此這種技術因此這種技術和和ICIC完全兼容。完全兼容?？梢韵鄬θ菀椎乜梢韵鄬θ菀椎?制造制造 出出大質量大質量的零部的零部 件。件。缺點缺點1. 1.機械加工層越機械加工層越 多微多微 型元件的型元件的布

4、局布局 問題問題、平面化問題平面化問題 和和減小殘余應力減小殘余應力 問題也更難解決。問題也更難解決。1. 1.很難制造很難制造精細靈敏精細靈敏的懸掛系統(tǒng)。的懸掛系統(tǒng)。2. 2.它制造的機械結構基本上都是二它制造的機械結構基本上都是二 維，因為機械維，因為機械 結構的結構的厚度完全受限厚度完全受限于沉積薄膜的厚度于沉積薄膜的厚度。2. 2.由于體微機械加工由于體微機械加工工藝無法做到零部件工藝無法做到零部件的平面化布局，因此的平面化布局，因此它它不能夠和微電子線不能夠和微電子線 路直接兼容。路直接兼容。二、基本工藝流程二、基本工藝流程在硅片上淀在硅片上淀積一層犧牲積一層犧牲層層光刻定義圖光刻定

5、義圖形層形層淀積結構層淀積結構層薄膜薄膜圖形化結構圖形化結構層薄膜層薄膜去除犧牲層，去除犧牲層，釋放結構層釋放結構層形成最終結形成最終結構構舉例：方案一舉例：方案一 微型馬達基本制造工藝流程微型馬達基本制造工藝流程a) a) 在硅片上淀積一層犧牲層。在硅片上淀積一層犧牲層。b)b) 淀積淀積多晶硅多晶硅作為結構層材料，制造作為結構層材料，制造轉子轉子。c) c) 光刻膠作掩膜，反應離子刻蝕使圖形轉移到多晶硅結構層上。光刻膠作掩膜，反應離子刻蝕使圖形轉移到多晶硅結構層上。d) d) 硅片表面沉積另一層氧化物犧牲層（材料可能與前一層不同，常選擇硅片表面沉積另一層氧化物犧牲層（材料可能與前一層不同，

6、常選擇LPCVD LPCVD 二氧化硅二氧化硅）e) e) 加工出與襯底相連的錨區(qū)窗口（為了制造定子，加工出與襯底相連的錨區(qū)窗口（為了制造定子，限制轉子的側向平移限制轉子的側向平移）f) f) 沉積第二層結構層，該結構層通過錨區(qū)窗口與襯底相連（制造沉積第二層結構層，該結構層通過錨區(qū)窗口與襯底相連（制造定子定子）g) g) 再次涂敷光刻膠用于光刻第二層結構形狀。再次涂敷光刻膠用于光刻第二層結構形狀。h)h) 浸入浸入氫氟酸刻蝕液氫氟酸刻蝕液以除去兩層犧牲層。以除去兩層犧牲層。方案一帶來的問題：方案一帶來的問題：定子定子轉子轉子襯底襯底1. 1. 轉子在重力作用下很容易落在襯底上，產(chǎn)生轉子在重力作

7、用下很容易落在襯底上，產(chǎn)生大面積接觸大面積接觸。2. 2. 轉子在高速轉動過程中會與轉子在高速轉動過程中會與定子產(chǎn)生接觸定子產(chǎn)生接觸，產(chǎn)生額外的摩，產(chǎn)生額外的摩擦和磨損。擦和磨損。方案二方案二 微型馬達制造工藝流程改進微型馬達制造工藝流程改進和方案一最主要的不同之處是第二層結構層和方案一最主要的不同之處是第二層結構層( (定子定子) )的材料用的材料用氮化硅氮化硅取代了多晶硅取代了多晶硅。產(chǎn)生的問題：轉子和襯底產(chǎn)生的問題：轉子和襯底仍有可能粘連仍有可能粘連，但接觸的可能性，但接觸的可能性減小減小到微小的凸到微小的凸點上。點上。淀積第二淀積第二層結構層結構方案三方案三 微型馬達制造工藝流程改進微

8、型馬達制造工藝流程改進為了解決上述由于轉子和定子的接觸而產(chǎn)生額外摩擦問題，這里采用為了解決上述由于轉子和定子的接觸而產(chǎn)生額外摩擦問題，這里采用氮化硅氮化硅作為接觸面以降低轉子和定子間的摩擦系數(shù)。作為接觸面以降低轉子和定子間的摩擦系數(shù)。定子的側壁具有定子的側壁具有摩擦控制層，底槽區(qū)域內(nèi)沉積的氮化硅摩擦控制層，底槽區(qū)域內(nèi)沉積的氮化硅可以防止定子落到襯可以防止定子落到襯底表面。底表面。工藝材料選擇標準：工藝材料選擇標準：理想工藝規(guī)則：理想工藝規(guī)則：1. 1. 將將結構層結構層淀積在淀積在犧牲層犧牲層上時，不能導致上時，不能導致犧牲層犧牲層熔化、溶解、開裂、熔化、溶解、開裂、分解、變得不穩(wěn)定或其他形式

9、毀壞。分解、變得不穩(wěn)定或其他形式毀壞。2. 2. 用于用于結構層結構層圖形化的工藝不能破壞圖形化的工藝不能破壞犧牲層犧牲層和和襯底上已有的其他薄層襯底上已有的其他薄層。3. 3. 用于除去用于除去犧牲層犧牲層的工藝不能侵蝕、溶解、損壞的工藝不能侵蝕、溶解、損壞結構層和襯底結構層和襯底。多重結構層和犧牲層規(guī)則（如前述微型馬達工藝流程）：多重結構層和犧牲層規(guī)則（如前述微型馬達工藝流程）：1. 1. 淀積的淀積的材料層材料層不能破壞其不能破壞其底層材料底層材料。2. 2. 犧牲層犧牲層刻蝕工藝中不能破壞硅片上的刻蝕工藝中不能破壞硅片上的其他任何材料其他任何材料。3. 3. 將將犧牲層或者結構層犧牲層

10、或者結構層圖形化的任何工藝過程，不能刻蝕損壞現(xiàn)存硅圖形化的任何工藝過程，不能刻蝕損壞現(xiàn)存硅片上的片上的其它層材料其它層材料。三、結構層材料和犧牲層材料三、結構層材料和犧牲層材料上述原則適用于上述原則適用于LPCVDLPCVD材料，而在使用其他材料時，還要考慮一些材料，而在使用其他材料時，還要考慮一些其他因素：其他因素：1. 1. 刻蝕速率和刻蝕選擇性?？涛g速率和刻蝕選擇性。2. 2. 可達到的薄膜厚度。可達到的薄膜厚度。3. 3. 材料的沉積溫度。材料的沉積溫度。4. 4. 結構層本征內(nèi)應力。結構層本征內(nèi)應力。5. 5. 表面光滑度。表面光滑度。6. 6. 材料和工藝的成本。材料和工藝的成本。

11、Q&AQ&A：這個比值應該盡可能的大還是?。浚哼@個比值應該盡可能的大還是小？在進行犧牲層刻蝕時，有一個重要的參數(shù)：即在進行犧牲層刻蝕時，有一個重要的參數(shù)：即刻蝕選擇性刻蝕選擇性= =ststsasar rr r刻蝕劑對刻蝕劑對犧牲層犧牲層的刻蝕速率的刻蝕速率刻蝕劑對刻蝕劑對結構層結構層的刻蝕速率的刻蝕速率理想情況下，較高的犧牲層刻蝕速率理想情況下，較高的犧牲層刻蝕速率r rsa sa意味著完成犧牲層刻蝕過程的意味著完成犧牲層刻蝕過程的時間減少。時間減少。如果兩種備選方案具有相同的刻蝕選擇性，那么如果兩種備選方案具有相同的刻蝕選擇性，那么具有較高犧牲層刻蝕具有較高犧牲層刻蝕速率速

12、率r rsa sa的方案更受青睞的方案更受青睞。如果其中的一種方案對犧牲層的刻蝕速率較慢但是比另一種方案的刻如果其中的一種方案對犧牲層的刻蝕速率較慢但是比另一種方案的刻蝕選擇性高，那么在選擇方案時應考慮其他因素。蝕選擇性高，那么在選擇方案時應考慮其他因素。綜上，可以看出，綜上，可以看出，刻蝕選擇性應當盡可能地大?？涛g選擇性應當盡可能地大?？涛g選擇性刻蝕選擇性= =ststsasar rr r實際中廣泛應用到的結構層和犧牲層材料的淀積方法是化學氣相沉積（實際中廣泛應用到的結構層和犧牲層材料的淀積方法是化學氣相沉積（CVDCVD），），根據(jù)提供能量不同有如下分類：根據(jù)提供能量不同有如下分類：能量僅

13、由能量僅由熱能熱能提供且提供且反應在反應在低壓低壓中進行中進行低壓化學氣相沉積低壓化學氣相沉積（LPCVDLPCVD）能量由等離子能源提供能量由等離子能源提供等離子體增強化學等離子體增強化學氣相沉積（氣相沉積（PECVDPECVD）LPCVDLPCVD沉積腔（多沉積腔（多個溫度區(qū)用于提高材個溫度區(qū)用于提高材料生長的均勻性）料生長的均勻性）結構層和犧牲層材料的制備方法結構層和犧牲層材料的制備方法在在MEMSMEMS中應用的中應用的LPCVDLPCVD材料主要有三種：多晶硅、氮化硅和二氧化硅：材料主要有三種：多晶硅、氮化硅和二氧化硅：除除LPCVDLPCVD外的外的其他方法其他方法：PECVDPE

14、CVD硅、氧化硅、氮化硅硅、氧化硅、氮化硅濺射濺射多晶硅多晶硅LPCVDLPCVD材料材料反應反應溫度溫度化學反應化學反應方程式方程式其他性質及其他其他性質及其他多晶硅多晶硅580580 620620SiH4=Si+2H2SiH4=Si+2H2保形性保形性保形覆蓋的目的是覆蓋三維結構的圖形保形覆蓋的目的是覆蓋三維結構的圖形應力應力對于螺母結構：會引起扣住的現(xiàn)象對于螺母結構：會引起扣住的現(xiàn)象對于懸臂梁結構：厚度方向的梯度應力會引起形對于懸臂梁結構：厚度方向的梯度應力會引起形變變刻蝕速率刻蝕速率在氫氟酸刻蝕犧牲層時的低刻蝕速率在氫氟酸刻蝕犧牲層時的低刻蝕速率氮化硅氮化硅8008003SiH4+4N

15、H33SiH4+4NH3=Si3N4+24H=Si3N4+24H絕緣的電解質，具有本征張應力。絕緣的電解質，具有本征張應力。二氧化硅二氧化硅 500500SiH4+O2SiH4+O2=SiO2+2H2=SiO2+2H2附加的磷化氫氣體摻入附加的磷化氫氣體摻入LTOLTO（低溫氧化硅，即沒有被摻雜的二氧化（低溫氧化硅，即沒有被摻雜的二氧化硅），可生成磷硅玻璃（硅），可生成磷硅玻璃（PSGPSG），摻入磷原子可加速二氧化硅在氫），摻入磷原子可加速二氧化硅在氫氟酸中的刻蝕速率。氟酸中的刻蝕速率。其他表面微機械加工材料與工藝：其他表面微機械加工材料與工藝：其他材料及其優(yōu)點：其他材料及其優(yōu)點：鍺硅及多晶

16、鍺：鍺硅及多晶鍺：1. 1.較低的加工溫度（多晶硅較低的加工溫度（多晶硅580580，鍺硅工藝溫度只有，鍺硅工藝溫度只有450450）2. 2.與多晶硅相比，鍺硅的生長速率更高。與多晶硅相比，鍺硅的生長速率更高。聚合物及金屬薄膜：聚合物及金屬薄膜：1. 1.在更低的溫度下加工。在更低的溫度下加工。2. 2.采用更簡單的設備進行沉積。采用更簡單的設備進行沉積。其他工藝其他工藝對于聚合物材料：對于聚合物材料：旋涂、汽相涂覆、噴涂和電鍍。旋涂、汽相涂覆、噴涂和電鍍。對于金屬元素：對于金屬元素：蒸發(fā)及濺射：沉積薄金屬膜（小于蒸發(fā)及濺射：沉積薄金屬膜（小于1m1m）電鍍：制造厚金屬膜（大于電鍍：制造厚金

17、屬膜（大于2m2m）四、四、加速犧牲層刻蝕的方法加速犧牲層刻蝕的方法 鉆蝕釋放速度的技術鉆蝕釋放速度的技術方法方法一：一：以上以上圖磁執(zhí)行器為例，每個板由兩個懸臂梁支撐，板上的四個刻蝕孔使得犧牲層鉆蝕不但可以在板圖磁執(zhí)行器為例，每個板由兩個懸臂梁支撐，板上的四個刻蝕孔使得犧牲層鉆蝕不但可以在板的的邊緣邊緣發(fā)生，而且可以在其發(fā)生，而且可以在其內(nèi)部內(nèi)部進行。這種方法可以大大減少刻蝕所需時間。進行。這種方法可以大大減少刻蝕所需時間。右圖為刻蝕孔的顯微照片。大多數(shù)情況下，刻蝕孔應當比較小，以免在器件工作時產(chǎn)生不良影響。右圖為刻蝕孔的顯微照片。大多數(shù)情況下，刻蝕孔應當比較小，以免在器件工作時產(chǎn)生不良影響

18、。方法二：改變刻蝕方法和刻蝕材料方法二：改變刻蝕方法和刻蝕材料在某些應用中，刻蝕孔對器件性能有一定的影響。例如，在某些應用中，刻蝕孔對器件性能有一定的影響。例如，光反射器上的刻蝕孔光反射器上的刻蝕孔不但會降低反射系數(shù)不但會降低反射系數(shù)，而且會導致，而且會導致衍射衍射的發(fā)生。所以除此方法外，據(jù)研究表明，以下材料具有非常的發(fā)生。所以除此方法外，據(jù)研究表明，以下材料具有非常快的刻蝕速率和很高的刻蝕選擇性：快的刻蝕速率和很高的刻蝕選擇性：1. 1. 樹狀聚合物，例如超分支聚合物。樹狀聚合物，例如超分支聚合物。2. 2. 氧化鋅薄層。氧化鋅薄層。若犧牲層是金屬，可通過加偏壓使其在電解液中溶解的方法來若犧

19、牲層是金屬，可通過加偏壓使其在電解液中溶解的方法來加速鉆蝕。加速鉆蝕。使用自組裝的單分子層來釋放大面積的微器件而不需要采用化使用自組裝的單分子層來釋放大面積的微器件而不需要采用化學濕法刻蝕。學濕法刻蝕。這些孔可以使其下的犧牲層被快速移除而不需要借助大尺寸的刻這些孔可以使其下的犧牲層被快速移除而不需要借助大尺寸的刻蝕孔。因為孔尺寸達到納米量級，所以它們對器件的工作影響很蝕孔。因為孔尺寸達到納米量級，所以它們對器件的工作影響很小。小。五、粘附機制和抗粘附的方法五、粘附機制和抗粘附的方法 與烘干工藝相關的失效以及改進方法與烘干工藝相關的失效以及改進方法犧牲層去除常常采用化學溶劑來完成，因為其刻蝕速率

20、高，設備簡單刻蝕選擇性好。犧牲層去除常常采用化學溶劑來完成，因為其刻蝕速率高，設備簡單刻蝕選擇性好。它常需要采用自然蒸發(fā)或強制蒸發(fā)的后處理方法對圓片和芯片進行干燥。具體情況如它常需要采用自然蒸發(fā)或強制蒸發(fā)的后處理方法對圓片和芯片進行干燥。具體情況如下圖。下圖?；瘜W容器化學容器懸臂梁懸臂梁液態(tài)刻蝕溶液液態(tài)刻蝕溶液被困液體被困液體表面張力表面張力隨著液體通過蒸發(fā)的方式被去除，微結構頂部表面隨著液體通過蒸發(fā)的方式被去除，微結構頂部表面最先被暴露在空氣中。最先被暴露在空氣中。困在懸臂梁微結構下的液體困在懸臂梁微結構下的液體需要更多的時間去除。需要更多的時間去除。表面張力作用在液體和空氣的界面上，對于大

21、尺寸表面張力作用在液體和空氣的界面上，對于大尺寸器件而言，表面張力作用可以忽略并且不會造成顯器件而言，表面張力作用可以忽略并且不會造成顯著的變形。著的變形。但是，由于但是，由于微尺寸器件微尺寸器件常常采用柔性材料常常采用柔性材料并包含微小的間隙，并包含微小的間隙，表面張力能夠使表面微結構產(chǎn)生表面張力能夠使表面微結構產(chǎn)生顯著的變形，常常會造成微結構與襯底相接觸。顯著的變形，常常會造成微結構與襯底相接觸。懸浮結構與襯底的接觸會導致懸浮結構與襯底的接觸會導致不可逆不可逆的損壞。一旦接觸，強大的的損壞。一旦接觸，強大的分子力（分子力（例如范例如范德華力）會加強懸浮結構和襯底間的吸引。另外，由于存在新的

22、反應副產(chǎn)品，很德華力）會加強懸浮結構和襯底間的吸引。另外，由于存在新的反應副產(chǎn)品，很可能會產(chǎn)生可能會產(chǎn)生固體橋接固體橋接。微結構的這種失效模式稱為微結構的這種失效模式稱為粘附粘附( (stictionstiction) )。粘附粘附( (stictionstiction)=)=粘連粘連(sticking)(sticking)摩擦摩擦(friction)(friction)解決粘附問題的方法均源于以下四種途徑之一：解決粘附問題的方法均源于以下四種途徑之一：1. 1. 改變固體與液體界面的化學性質以減小毛細吸引力。改變固體與液體界面的化學性質以減小毛細吸引力。2. 2. 防止產(chǎn)生過大的結合力，如提

23、高溶液溫度或減少表面接觸面積。防止產(chǎn)生過大的結合力，如提高溶液溫度或減少表面接觸面積。3. 3. 采用各種形式的能量輸入釋放粘附在襯底上的結構，這些方法采用各種形式的能量輸入釋放粘附在襯底上的結構，這些方法可以局部進行也可以整體進行。可以局部進行也可以整體進行。4. 4. 為機械結構提供反向力以防止其相互接觸，如利用本征應力引為機械結構提供反向力以防止其相互接觸，如利用本征應力引起的彎曲現(xiàn)象。起的彎曲現(xiàn)象。下面詳細介紹利用上述途徑的兩種典型方法。下面詳細介紹利用上述途徑的兩種典型方法。方法一：超臨界流體烘干方法一：超臨界流體烘干可以防止液體與空氣界面處出現(xiàn)反向表面張力，超臨界相出現(xiàn)在可以防止液

24、體與空氣界面處出現(xiàn)反向表面張力，超臨界相出現(xiàn)在高溫高壓高溫高壓的環(huán)境下。下圖為的環(huán)境下。下圖為超臨界相技術的典型烘干工藝。超臨界相技術的典型烘干工藝。1231 1、將帶有釋放微結構的芯片浸、將帶有釋放微結構的芯片浸入液體中并置于合適的壓強和室入液體中并置于合適的壓強和室溫下。溫下。初始狀態(tài)初始狀態(tài)在相圖中用在相圖中用點點1 1表示。表示。2 2、增加液體的溫度并保持壓強、增加液體的溫度并保持壓強不變，溶劑從液相轉變?yōu)椴蛔?，溶劑從液相轉變?yōu)槌R超臨界相（點界相（點2 2）3 3、降低超臨界相流體的壓力，、降低超臨界相流體的壓力，使得超臨界流體轉變?yōu)槭沟贸R界流體轉變?yōu)槠嗥啵c（點3 3）優(yōu)點：優(yōu)點：從從液相轉變?yōu)槌R界相以及從超臨界相轉變?yōu)槠嗟倪^程中液相轉變?yōu)槌R界相以及從超