MEMS工藝講述-共61頁課件

1、MEMS工藝當(dāng)今重要的機(jī)械和電子系統(tǒng)進(jìn)一步向微小型化和多功能化方向發(fā)展，進(jìn)而對相當(dāng)于感覺器官的傳感器和運(yùn)動器官的執(zhí)行器提出了微小型化和多功能化的要求半導(dǎo)體硅微細(xì)加工技術(shù)的日益成熟和完善為這一發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)在這種情況下誕生了微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)這一新型學(xué)科MEMS是微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)領(lǐng)域結(jié)合而產(chǎn)生的，是20世紀(jì)90年代初興起的新技術(shù)，是微電子技術(shù)應(yīng)用的又一次革命。MEMS加工工藝部件及子系統(tǒng)制造工藝半導(dǎo)體工藝、集成光學(xué)工藝、厚薄膜工藝、微機(jī)械加工工藝等封裝工藝硅加工技術(shù)、激光加工技術(shù)、粘接、共熔接合、玻璃封裝、靜電鍵合、壓焊、倒裝焊、帶式自動焊、多芯片組件工藝Bulk microm

2、achining1960FSFx+Deep reactive-ion etching2019Surface micromachining1986LIGA1978MEMS加工技術(shù)的種類大機(jī)械制造小機(jī)械，小機(jī)械制造微機(jī)械日本為代表，與集成電路技術(shù)幾乎無法兼容LIGA工藝Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄) Abformung(塑鑄)德國為代表，利用同步輻射X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和塑鑄形成高深寬比微結(jié)構(gòu)的方法。設(shè)備昂貴，需特制的X射線掩模版，加工周期長，與集成電路兼容性差硅微機(jī)械加工工藝：體硅工藝和表面犧牲層工藝美國為代表，伴隨硅固態(tài)傳感器的研究、開發(fā)而在集成電

3、路平面加工工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三維加工技術(shù)。具有批量生產(chǎn)，成本低、加工技術(shù)可從IC成熟工藝轉(zhuǎn)化且易于與電路集成MEMS加工技術(shù)的種類硅基微機(jī)械加工技術(shù)體硅微機(jī)械加工技術(shù)硅各向異性化學(xué)濕法腐蝕技術(shù)熔接硅片技術(shù)反應(yīng)離子深刻蝕技術(shù)表面微機(jī)械加工技術(shù)利用集成電路的平面加工技術(shù)加工微機(jī)械裝置整個工藝都基于集成電路制造技術(shù)與IC工藝完全兼容，制造的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本上都是二維的復(fù)合微機(jī)械加工(如鍵合技術(shù))體硅微機(jī)械加工技術(shù)和表面微機(jī)械加工技術(shù)的結(jié)合，具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時也克服了二者的不足硅園片去掉光刻膠腐蝕硅片刻蝕光刻膠淀積光刻膠體硅微機(jī)械加工技術(shù)特點(diǎn)：通過腐蝕的方法對襯底硅進(jìn)行加工，形成三維立體微結(jié)構(gòu)的方法加

4、工對象通常就是單晶硅本身加工深度通常為幾十微米、幾百微米，甚至穿透整個硅片。與集成電路工藝兼容性差硅片兩個表面上的圖形通常要求有嚴(yán)格的幾何對應(yīng)關(guān)系，形成一個完整的立體結(jié)構(gòu)分類 體硅腐蝕技術(shù)是體硅微機(jī)械加工技術(shù)的核心 可分為各向同性腐蝕和各向異性腐蝕兩大類 按腐蝕劑是液體或氣體又可分為濕法和干法腐蝕。硅的濕法腐蝕1) 硅的各向同性腐蝕腐蝕液對硅的腐蝕作用基本上不具有晶向依賴性.2)硅的各向異性腐蝕腐蝕液對硅的不同晶面有明顯的晶向依賴性，不同晶面具有不同的腐蝕速率EPW腐蝕液，晶向依賴性(100):(111)=35:1TMAH腐蝕液，(100):(111)=1035:13)硅的各向異性停蝕技術(shù)各向

5、異性腐蝕特點(diǎn)：有完整的表平面和定義明確的銳角 影響各向異性腐蝕的主要因素(1) 溶液及配比(2) 溫度(3) 摻雜濃度例如：當(dāng)硅片中摻B濃度增加到1020cm-3時，KOH溶液的腐蝕速率要降低到低摻雜濃度時的1/20,這樣實(shí)際上就可利用高B摻雜區(qū)作為腐蝕阻擋層。硅各向異性濕法腐蝕的缺點(diǎn) 圖形受晶向限制 深寬比較差, 結(jié)構(gòu)不能太小 傾斜側(cè)壁 難以獲得高精度的細(xì)線條。體硅的干法刻蝕 干法刻蝕體硅的專用設(shè)備:電感耦合等離子刻蝕機(jī)(ICP) 主要工作氣體：SF6, C4F8 刻蝕速率：23.5m/min 深寬比：10:1 刻蝕角度：90o1o 掩膜：SiO2、Al、光刻膠硅園片淀積結(jié)構(gòu)層刻蝕結(jié)構(gòu)層淀積

6、犧牲層刻蝕犧牲層釋放結(jié)構(gòu)淀積結(jié)構(gòu)層刻蝕結(jié)構(gòu)層表面微機(jī)械加工技術(shù) 微加工過程都是在硅片表面的一些薄膜上進(jìn)行的，形成的是各種表面微結(jié)構(gòu)，又稱犧牲層腐蝕技術(shù)。 特點(diǎn)：在薄膜淀積的基礎(chǔ)上，利用光刻，刻蝕等IC常用工藝制備多層膜微結(jié)構(gòu)，最終利用不同材料在同一腐蝕液中腐蝕速率的巨大差異，選擇性的腐蝕去掉結(jié)構(gòu)層之間的犧牲層材料，從而形成由結(jié)構(gòu)層材料組成的空腔或懸空及可動結(jié)構(gòu)。 優(yōu)點(diǎn)：與常規(guī)IC工藝的兼容性好; 器件可以做得很小 缺點(diǎn)：這種技術(shù)本身屬于二維平面工藝，它限制了設(shè)計(jì)的靈活性。關(guān)鍵技術(shù)薄膜應(yīng)力控制技術(shù)防粘連技術(shù)犧牲層技術(shù)犧牲層技術(shù)表面犧牲層技術(shù)是表面微機(jī)械技術(shù)的主要工藝基本思路為：在襯底上淀積犧牲層

7、材料利用光刻、刻蝕形成一定的圖形淀積作為機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料并光刻出所需要的圖形將支撐結(jié)構(gòu)層的犧牲層材料腐蝕掉形成了懸浮的可動的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。要求在腐蝕犧牲層的同時幾乎不腐蝕上面的結(jié)構(gòu)層和下面的襯底。犧牲層技術(shù)的關(guān)鍵在于選擇犧牲層的材料和腐蝕液常用的犧牲層材料、腐蝕液及結(jié)構(gòu)材料一種最簡單的懸臂梁工藝工藝過程示意圖附加凸起點(diǎn)工藝薄膜應(yīng)力控制技術(shù)薄膜的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力梯度是表面微機(jī)械中的重要參數(shù)，對機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能和形變影響很大，往往是表面微結(jié)構(gòu)制作失敗的原因防粘連技術(shù)粘連是指犧牲層腐蝕后，在硅片干燥過程中，應(yīng)該懸空的梁、膜或者可動部件等表面微結(jié)構(gòu)，受液體流動產(chǎn)生的表面張力、靜電力、范得華力等作用而與襯底發(fā)

8、生牢固得直接接觸，從而導(dǎo)致器件失效防止方法：設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)改進(jìn)釋放方法做表面處理鍵合(bonding)技術(shù)在微型機(jī)械的制作工藝中，鍵合技術(shù)十分重要。鍵合技術(shù)是指不利用任何粘合劑，只是通過化學(xué)鍵和物理作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其他材料緊密地結(jié)合起來的方法。鍵合技術(shù)雖然不是微機(jī)械結(jié)構(gòu)加工的直接手段，卻在微機(jī)械加工中有著重要的地位。它往往與其他手段結(jié)合使用，既可以對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐和保護(hù)，又可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間或機(jī)械結(jié)構(gòu)與集成電路之間的電學(xué)連接。在MEMS工藝中，最常用的是硅/硅直接鍵合和硅/玻璃靜電鍵合技術(shù)，最近又發(fā)展了多種新的鍵合技術(shù)，如硅化物鍵合、有機(jī)物鍵合等。固相鍵合是將兩塊固態(tài)材料鍵合在一

9、起，其間不用液態(tài)的粘結(jié)劑，鍵合過程中材料始終處于固態(tài)，鍵合界面有很好的氣密性和長期穩(wěn)定性。硅玻璃靜電鍵合技術(shù)靜電鍵合（陽極鍵合、場助鍵合）主要是利用玻璃在電場作用下在表面形成的電荷積累原理而實(shí)現(xiàn)的一種鍵合方式。設(shè)高阻層厚度為d，電壓為V，則高阻層內(nèi)電場強(qiáng)度：硅片與玻璃之間單位面積的靜電吸引力為當(dāng)高阻層厚度d小于1um時，硅與玻璃間的吸引力達(dá)幾百公斤/平方厘米最好在界面處形成Si-O健材料要求： 硅片和玻璃片表面要拋光成鏡面 玻璃片中要含有足夠量的Na+ 玻璃的熱膨脹系數(shù)與硅相近。Pgrex7740，95#玻璃硅硅直接鍵合技術(shù)指兩硅片通過高溫處理直接鍵合在一起的技術(shù)鍵合工藝步驟：1). 將兩拋光

10、的硅片（氧化或未氧化）先經(jīng)含OH-的溶液浸泡處理2).在室溫下將親水的兩硅片面對面貼合在一起，稱為預(yù)鍵合3).在O2或N2環(huán)境中經(jīng)數(shù)小時高溫（800oC以上）處理后，就形成了牢固的鍵合。接觸前硅片表面有OH基預(yù)鍵合形成氫鍵高溫處理脫水形成氫鍵鍵合機(jī)理：預(yù)鍵合時硅與硅表面之間產(chǎn)生的鍵合力是由于親水表面的OH-之間吸引力的作用形成了氫鍵。進(jìn)一步的高溫處理可以產(chǎn)生脫水效應(yīng)，而在硅片之間形成氧鍵，鍵合強(qiáng)度增大。壓力傳感器芯片其他電子束光刻提供了小至納米尺寸分辯力的聚合物抗蝕劑圖形轉(zhuǎn)印的一種靈活的曝光設(shè)備，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了目前光學(xué)系統(tǒng)的分辨力范圍聚焦離子束光刻利用聚焦離子束設(shè)備修復(fù)光掩模和集成電路芯片掃描探

11、針加工技術(shù)（SPL）一種無掩模的加工手段，可以作刻蝕或者淀積加工，甚至可以用來操縱單個原子和分子 激光微機(jī)械加工技術(shù) LIGA加工技術(shù) 深等離子體刻蝕技術(shù)非硅基微機(jī)械加工技術(shù) 紫外線厚膠刻蝕技術(shù)LIGA工藝LIthograpie（制版術(shù)），Gavanoformung(電鑄)，Abformung(塑鑄)LIGA工藝于20世紀(jì)80年代初創(chuàng)于德國的卡爾斯魯厄原子核研究所，是為制造微噴嘴而開發(fā)出來的LIGA技術(shù)開創(chuàng)者Wolfgang Ehrfeld領(lǐng)導(dǎo)的研究小組曾提出，可以用LIGA制作厚度超高其長寬尺寸的各種微型構(gòu)件。LIGA技術(shù)所勝任的幾何結(jié)構(gòu)不受材料特性和結(jié)晶方向的限制，較硅材料加工技術(shù)有一個很

12、大的飛躍LIGA技術(shù)可以制造具有很大縱橫比的平面圖形復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，尺寸精度達(dá)亞微米級，有很高的垂直度、平行度和重復(fù)精度，設(shè)備投資大能實(shí)現(xiàn)高深寬比的三維結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵是深層光刻技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)高深寬比，縱向尺寸達(dá)到數(shù)百微米的深度刻蝕，并且側(cè)壁光滑，垂直，要求：一方面需要高強(qiáng)度，平行性很好的光源，這樣的光源只有用同步輻射光才能滿足；另一方面要求用于技術(shù)的抗蝕劑必須有很好的分辯力，機(jī)械強(qiáng)度，低應(yīng)力，同時還要求基片粘附性好三步關(guān)鍵工藝:深層同步輻射X射線光刻利用同步輻射射線透過掩膜對固定于金屬基底上的厚度可高達(dá)幾百微米的X射線抗蝕層進(jìn)行曝光。將其顯影制成初級模板。同步輻射X射線優(yōu)點(diǎn)：波長短、分辨率高、穿透

13、力強(qiáng)幾乎是完全平行的X射線輻射高輻射強(qiáng)度寬的發(fā)射頻帶曝光時間短，生產(chǎn)率高，時間上具有準(zhǔn)均勻輻射特性2. 電鑄成形電鑄成形是根據(jù)電鍍原理，在胎膜上沉積相當(dāng)厚度金屬以形成零件的方法。胎膜為陰極、要電鑄的金屬作陽極。利用電鑄方法制作出與光刻膠圖形相反的金屬模具。在LIGA工藝技術(shù)中，把初級模板（抗蝕劑結(jié)構(gòu)）膜腔底面上利用電鍍法形成一層鎳或其他金屬層，形成金屬基底作為陰極，所要成形的微結(jié)構(gòu)金屬的供應(yīng)材料（如鎳、銅、銀）作為陽極電鑄時，直到電鑄形成的結(jié)構(gòu)剛好把抗蝕劑模板的型腔填滿將整個浸入剝離溶劑中，對抗蝕劑形成的初級模板進(jìn)行腐蝕剝離，剩下的金屬結(jié)構(gòu)即為所需求的微結(jié)構(gòu)件3.注塑利用微塑鑄制備微結(jié)構(gòu)將電鑄

14、制成的金屬微結(jié)構(gòu)作為二級模板將塑性材料注入二級模板的膜腔，形成微結(jié)構(gòu)塑性件，從金屬模中提出也可用形成的塑性件作為模板再進(jìn)行電鑄，利用LIGA技術(shù)進(jìn)行三維微結(jié)構(gòu)件的批量生產(chǎn)優(yōu)勢1. 深寬比大，準(zhǔn)確度高。所加工的圖形準(zhǔn)確度小于0.5，表面粗糙度僅10nm，側(cè)壁垂直度89.9，縱向高度可達(dá)500以上2.用材廣泛。從塑料（PMMA、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等）到金屬（Au、Ag、Ni、Cu）到陶瓷（ZnO2）等，都可以用LIGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)3.由于采用微復(fù)制技術(shù)，可降低成本，進(jìn)行批量生產(chǎn)工藝流程圖同步輻射X光(波長1nm)Au掩膜版PMMA光刻膠(厚達(dá)1000um)電鑄塑鑄深寬比可超過100亞微米

15、精度的微結(jié)構(gòu)光刻LIGA 工藝基本流程圖生產(chǎn)周期較長生產(chǎn)成本高常規(guī)紫外光(波長幾百nm)標(biāo)準(zhǔn)Cr掩膜版聚酰亞胺光刻膠(厚300um)電鑄塑鑄深寬比常為幾十微米精度微結(jié)構(gòu)光刻準(zhǔn)LIGA 工藝基本流程圖生產(chǎn)周期較短生產(chǎn)成本較低需要用產(chǎn)品：一根管子工藝流程LIGA電鑄后的剖面結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：加工材料可以是金屬、塑料和陶瓷.器件結(jié)構(gòu)深刻比高，厚度大、結(jié)構(gòu)精細(xì)、側(cè)壁陡峭、表面光滑缺點(diǎn)：需要同步輻射射線光源；掩膜板制造困難。大部分只能使用單個掩膜版制造結(jié)構(gòu)，難以制造復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。適于制造小零件，但大部分器件需要裝配,難與IC兼容。 激光微機(jī)械加工技術(shù)激光微機(jī)械加工技術(shù)依靠改變激光束的強(qiáng)度和掃描幅度對涂在基片上的

16、光刻膠進(jìn)行曝光，然后進(jìn)行顯影，最后采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，按激光束光刻膠模型加工成微機(jī)械結(jié)構(gòu)。激光光刻技術(shù)比射線光刻的工藝要簡單的多。將其與各向異性腐蝕工藝結(jié)合就可用于加工三維結(jié)構(gòu)。 深等離子體刻蝕技術(shù)最大優(yōu)越性是只采用氟基氣體作為刻蝕氣體和側(cè)壁鈍化用聚合物生成氣體，從根本上解決了系統(tǒng)腐蝕和工藝尾氣的污染問題關(guān)鍵是采用了刻蝕與聚合物淀積分別進(jìn)行而且快速切換的工藝過程。同時還采用了射頻電源相控技術(shù)使離子源電源和偏壓電源的相位同步，以確保離子密度達(dá)到最高時偏壓也達(dá)到最高，使高密度等離子刻蝕的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。紫外線厚膠刻蝕技術(shù)使用紫外光源對光刻膠曝光，工藝分為厚膠的深層紫外光刻和圖形中結(jié)構(gòu)材料的電鍍

17、對于器件厚膠圖形的曝光，設(shè)備應(yīng)滿足大焦深，大面積和嚴(yán)格的均勻性以及適應(yīng)各種特殊形狀襯底的曝光要求對于分步重復(fù)曝光設(shè)備，還必須保證滿足大面積圖形曝光的精密子場圖形拼接技術(shù)要求。三維表面光刻的抗蝕劑噴涂技術(shù)由于MEMS器件襯底的尺寸和形狀與傳統(tǒng)的硅片不同，在光刻工藝的抗蝕劑表面涂覆均勻性方面提出了一些新的要求,即是對具有高度表面形貌的硅片，當(dāng)采用一些刻蝕工藝加工一些不同的硅表面時，各種情況也變得更為突出。通過各向同性的濕法化學(xué)刻蝕和各向異性的干法等離子刻蝕工藝，產(chǎn)生了不同斜率的圖形側(cè)壁凹槽。由于器件不斷增長的集成度要求，提出了由平面結(jié)構(gòu)向三維器件轉(zhuǎn)移的上升趨勢。封裝是利用某種材料將芯片保護(hù)起來，并

18、與外界隔離的方式和加工方法。封裝封裝的作用1.具有保護(hù)和隔離作用2.為芯片提供合適的外引線結(jié)構(gòu)3.為芯片提供散熱和電磁屏蔽條件4.提高芯片的機(jī)械強(qiáng)度和抗外界沖擊的能力MEMS封裝的要求MEMS器件要和測試環(huán)境之間形成一個接觸界面而獲取非電信號，而外部環(huán)境對靈敏度極高的MEMS敏感元件來說都是非常苛刻的，它要有承受各方面環(huán)境影響的能力，比如機(jī)械的（應(yīng)力，擺動，沖擊等）、化學(xué)的（氣體，溫度，腐蝕介質(zhì)等）、物理的（溫度壓力，加速度等）等大部分器件都包含有可活動的元件由于器件體積小，因此都必須采用特殊的技術(shù)和封裝真空封裝工藝設(shè)備(多功能真空鍵合機(jī))系統(tǒng)組成1、真空系統(tǒng)2、光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)。3、加溫和冷卻系統(tǒng)。4、加壓系統(tǒng)。5、硅片輸送系統(tǒng)多功能真空鍵合機(jī)功能：1）低溫焊料鍵合（通過中間材料進(jìn)行鍵合）；2）硅玻璃陽極鍵合；3）金硅等共晶鍵合；4）真空回流焊。主要技術(shù)指標(biāo)：1）常溫20，加熱最高溫度為550，精度3，升溫速度100/m2）冷卻時降溫速度100/min；3）極限真空度