傳感器工藝(中科大)

第3章傳感器工藝圖3-1應(yīng)用不同的加工方法所能得到的加工精度典型的微傳感器加工技術(shù)以美國為代表的利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對(duì)硅材料進(jìn)行加工，形成硅基微傳感器；以日本為代表的利用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段，即利用大機(jī)器制造出小機(jī)器，再利用小機(jī)器制造出微機(jī)器的方法；以德國為代表的LIGA技術(shù)，它是利用X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和塑鑄形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。微傳感器制造工藝從工藝上講，微傳感器制造技術(shù)分為部件及子系統(tǒng)制造工藝和封裝工藝。前者包括半導(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，后者包括硅加工技術(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(dòng)焊、多芯片組件工藝等。典型材料的微加工工藝注：人頭發(fā)的直徑大約是70～80μm。頭發(fā)與MEMS蜘蛛腿與MEMS火柴與微汽車

3.1分離加工

3.1.1腐蝕工藝

主要有化學(xué)腐蝕（濕法）和離子刻蝕（干法）兩大類。⒈濕法腐蝕：包括各向異性化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、摻雜控制的選擇性腐蝕等。⒉干法腐蝕它是利用粒子轟擊對(duì)材料的某些部位進(jìn)行選擇性地剔除的一種工藝方法。它包括等離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、離子束化學(xué)刻蝕(CAIBE)、反應(yīng)離子刻蝕(RIBE)和離子研磨等。圖3-2濕法腐蝕圖3-3離子刻蝕3.1.2犧牲層技術(shù)

圖3-4犧牲層技術(shù)圖3-5硅微機(jī)械麥克風(fēng)敏感膜片結(jié)構(gòu)的一角3.2附加加工3.2.1薄膜工藝

在微型傳感器中，利用真空蒸鍍、濺射成膜、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積（CVD）、等離子化學(xué)氣相沉積等工藝，形成各種薄膜，如多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、金屬（合金）膜⒈化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition，簡稱CVD)技術(shù)是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的工藝過程。它一般包括三個(gè)步驟:①產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)；②將揮發(fā)性物質(zhì)輸運(yùn)到沉積區(qū)；③于基體上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成固態(tài)產(chǎn)物。圖3-6開管法CVD反應(yīng)器圖3-7封管法CVD反應(yīng)器⒉真空蒸鍍真空蒸鍍是在高真空環(huán)境中，將蒸發(fā)材料加熱至蒸發(fā)溫度蒸發(fā)后而冷凝在要鍍膜的基體上的過程。大型蒸鍍?cè)O(shè)備主要由鍍膜室、工作架、真空系統(tǒng)、電器控制四部分組成。⒊濺射成膜工藝濺射方式有射頻濺射、直流濺射和反應(yīng)濺射等多種，其中射頻濺射應(yīng)用廣泛。圖3-8射頻磁控濺射設(shè)備示意圖圖3-9磁控濺射原理示意圖圖3-10激光層裂法測量薄膜附著力實(shí)驗(yàn)方案示意圖1.約束層2.能量3.基體4.薄膜3.2.2光刻技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)向特征尺寸為0.1μｍ的跨越，出現(xiàn)了下一代光刻技術(shù)，如深紫外光刻(DUV)、電子束投影光刻(EBL)、X射線光刻(XRL)、離子束投影光刻(IBL)、極紫外光刻(EUV)和壓印光刻技術(shù)(NIL)。⒈深紫外光刻圖3-11深紫外光刻工藝⒉電子束光刻圖3-12電子束投影光刻系統(tǒng)⒊X射線光刻⑴Ｘ射線源圖3-13三種點(diǎn)Ｘ射線源⑵Ｘ射線光刻的曝光方式①接近式曝光X射線接近式曝光中的關(guān)鍵工藝是掩膜版的制備，由于接近式曝光采用的是1:1掩膜，即掩膜版的圖形和芯片上的圖形是一樣大的，因此要比投影縮小光刻需要的掩膜版的制備要困難的多。②投影式曝光在投影光刻中，掩膜圖形投影成像在晶片平面上，由于常采用投影縮小的曝光方式，因此可提供比接近式曝光更高的分辨率，并且掩膜版圖形大于實(shí)際電路圖形也使掩膜版制作起來較為容易。⒋壓印光刻圖3-14壓印工藝原理3.2.3LIGA技術(shù)

圖3-15典型的LIGA工藝過程3.3輔助工藝軟封接、硬封接和裝配工藝。

3.3.1粘接目前，大多應(yīng)用有溶劑的雙組分環(huán)氧樹脂粘接劑，固化后在-65℃到150℃使用，便有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂粘接劑被稱為“萬能膠”，它具有粘接強(qiáng)度高，耐化學(xué)介質(zhì)性能好，耐穩(wěn)性好，膠層收縮率小，可室溫固化，施工工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。但未經(jīng)改性的環(huán)氧樹脂粘接劑脆性大，耐沖擊性能差，耐熱性能不夠理想等缺點(diǎn)，常需通過改性方法提高產(chǎn)品性能。3.3.2共晶鍵合固體時(shí)無溶解度或只有部分溶解度的二元系相圖中往往有一個(gè)共晶點(diǎn)。共晶點(diǎn)時(shí)三相共存。共晶成份的液相具有最低熔點(diǎn)。也就是說共晶點(diǎn)的溫度比兩種固體的熔點(diǎn)都低。在共晶點(diǎn)溫度下將能形成共晶的兩種固體相互接觸，經(jīng)過互擴(kuò)散后便可在其間形成具有共晶成份的液相合金。隨時(shí)間延長，液層不斷增厚。冷卻后液層又不斷交替析出兩種固相。每種固體一般又以自己的原始固相為基礎(chǔ)而發(fā)展壯大、結(jié)晶析出。因此兩種固體之間的共晶能