傳感器工藝中科大

傳感器工藝中科大典型的微傳感器加工技術(shù)以美國(guó)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(guó)為代表的LIGA技術(shù)，它是利用X射線(xiàn)光刻技術(shù)，通過(guò)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選用合適的加工材料提高器件的可靠性；微傳感器的可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的、生產(chǎn)出來(lái)的、使用出來(lái)的。X射線(xiàn)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。以美國(guó)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；③潔凈工作服:各類(lèi)、各等級(jí)的潔凈服不得混用，并應(yīng)分別清洗、整理；典型的微傳感器加工技術(shù)潔凈室（區(qū)）與非潔凈室（區(qū)）之間必須設(shè)；ISO/TC209起草11項(xiàng)關(guān)于“潔凈室及其相關(guān)受控環(huán)境”的標(biāo)準(zhǔn)。化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition，簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)程。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3-17Schematicdiagramofmicroassemblysystem因此兩種固體之間的共晶能將兩種固體緊密的鍵合在一起。潔凈室系指應(yīng)用空氣凈化技術(shù)改善生產(chǎn)、科研及其它工作環(huán)境，對(duì)空氣質(zhì)量及塵埃粒子、溫度、濕度、壓力、噪聲、照度、風(fēng)速和浮游菌等微環(huán)境進(jìn)行有效控制的相對(duì)密閉空間，分為百級(jí)區(qū)（潔凈度高）、千級(jí)區(qū)、萬(wàn)級(jí)區(qū)和10萬(wàn)級(jí)區(qū)（潔凈度低）。實(shí)現(xiàn)SIP的方法很多，主要包括多芯片組件技術(shù)和3D封裝兩大技術(shù)。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(xiàn)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)。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(chē)

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(lèi)。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(jiǎn)稱(chēng)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(guò)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。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，但未經(jīng)改性的環(huán)氧樹(shù)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(guò)改性方法提高產(chǎn)品性能。圖3-14壓印工藝原理圖3-17Schematicdiagramofmicroassemblysystem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(guò)互擴(kuò)散后便可在其間形成具有共晶成份的液相合金。三維微幾何量測(cè)試的方法可以概括為兩類(lèi)：一類(lèi)是從傳統(tǒng)的幾何量檢測(cè)技術(shù)發(fā)展和改進(jìn)而來(lái)；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。X射線(xiàn)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。由于具有較高的分辨率，SEM目前已成為微傳感器設(shè)計(jì)、制造中最常用的觀測(cè)儀器之一。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。潔凈室（區(qū)）與非潔凈室（區(qū)）之間必須設(shè)；注：人頭發(fā)的直徑大約是70～80μm。目前在微傳感器設(shè)計(jì)、制造中比較常見(jiàn)的材料特性測(cè)量包括測(cè)量材料的斷裂模數(shù)、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變等。固體時(shí)無(wú)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)。圖3-17Schematicdiagramofmicroassemblysystem圖3-6開(kāi)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(guò)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。另一類(lèi)則是根據(jù)被測(cè)件的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，如基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的硅片厚度測(cè)量、實(shí)時(shí)蝕刻深度檢測(cè)等。實(shí)現(xiàn)SIP的方法很多，主要包括多芯片組件技術(shù)和3D封裝兩大技術(shù)。玻璃封接的溫度取決于密封玻璃的成份，一般在415℃和650℃之間。三維微幾何量測(cè)試的方法可以概括為兩類(lèi)：一類(lèi)是從傳統(tǒng)的幾何量檢測(cè)技術(shù)發(fā)展和改進(jìn)而來(lái)；微傳感器是電子和機(jī)械的有機(jī)結(jié)合，其可靠性主要包括機(jī)械、電子、材料以及機(jī)械與電子部分相互作用時(shí)的可靠性等，其失效分析手段比集成電路更為復(fù)雜。典型材料的微加工工藝前者包括半導(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，③潔凈工作服:各類(lèi)、各等級(jí)的潔凈服不得混用，并應(yīng)分別清洗、整理；但未經(jīng)改性的環(huán)氧樹(shù)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(guò)改性方法提高產(chǎn)品性能?！稘崈羰沂┕ぜ膀?yàn)收規(guī)范》JGJ71-90。另一類(lèi)則是根據(jù)被測(cè)件的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，如基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的硅片厚度測(cè)量、實(shí)時(shí)蝕刻深度檢測(cè)等。潔凈室系指應(yīng)用空氣凈化技術(shù)改善生產(chǎn)、科研及其它工作環(huán)境，對(duì)空氣質(zhì)量及塵埃粒子、溫度、濕度、壓力、噪聲、照度、風(fēng)速和浮游菌等微環(huán)境進(jìn)行有效控制的相對(duì)密閉空間，分為百級(jí)區(qū)（潔凈度高）、千級(jí)區(qū)、萬(wàn)級(jí)區(qū)和10萬(wàn)級(jí)區(qū)（潔凈度低）。潔凈服更衣室的空氣潔凈度等級(jí)宜按低于相鄰潔凈室（區(qū)）1～2級(jí)。質(zhì)地光滑、不產(chǎn)生靜電、不脫落纖維和顆粒；潔凈室系指應(yīng)用空氣凈化技術(shù)改善生產(chǎn)、科研及其它工作環(huán)境，對(duì)空氣質(zhì)量及塵埃粒子、溫度、濕度、壓力、噪聲、照度、風(fēng)速和浮游菌等微環(huán)境進(jìn)行有效控制的相對(duì)密閉空間，分為百級(jí)區(qū)（潔凈度高）、千級(jí)區(qū)、萬(wàn)級(jí)區(qū)和10萬(wàn)級(jí)區(qū)（潔凈度低）。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(cè)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(xiàn)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(xiàn)光刻⑴Ｘ射線(xiàn)源圖3-13三種點(diǎn)Ｘ射線(xiàn)源⑵Ｘ射線(xiàn)光刻的曝光方式①接近式曝光X射線(xiàn)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(lái)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(guò)程3.3輔助工藝軟封接、硬封接和裝配工藝。

粘接目前，大多應(yīng)用有溶劑的雙組分環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂粘接劑被稱(chēng)為“萬(wàn)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但未經(jīng)改性的環(huán)氧樹(shù)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(guò)改性方法提高產(chǎn)品性能。共晶鍵合固體時(shí)無(wú)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(shuō)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(guò)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(zhǎng)，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將兩種固體緊密的鍵合在一起。因此兩種固體之間的共晶能將兩種固體緊密的鍵合在一起。以德國(guó)為代表的LIGA技術(shù)，它是利用X射線(xiàn)光刻技術(shù)，通過(guò)電鑄成型和塑鑄形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。注：人頭發(fā)的直徑大約是70～80μm。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(guò)互擴(kuò)散后便可在其間形成具有共晶成份的液相合金。典型的微傳感器加工技術(shù)潔凈服洗滌室的空氣潔凈度等級(jí)不宜低于ISO8級(jí)（10萬(wàn)級(jí)）。圖3-19倒裝焊芯片生產(chǎn)工藝流程示意圖所謂系統(tǒng)級(jí)封裝，是指將多個(gè)具有不同功能的有源組件與無(wú)源組件，以及諸如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、光學(xué)（Optics）元件等其它元件組合在同一封裝中，成為可提供多種功能的單顆標(biāo)準(zhǔn)封裝組件，形成一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。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。微傳感器的可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的、生產(chǎn)出來(lái)的、使用出來(lái)的。微傳感器的可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的、生產(chǎn)出來(lái)的、使用出來(lái)的。無(wú)菌潔凈服必須包蓋全部頭發(fā)、胡須及腳部，并能滯留人體脫落物。于是兩個(gè)圓片便自然的連接在一起。ISO/TC209起草11項(xiàng)關(guān)于“潔凈室及其相關(guān)受控環(huán)境”的標(biāo)準(zhǔn)。圖3-4犧牲層技術(shù)玻璃密封玻璃密封廣泛的應(yīng)用于電子真空管中。玻璃封接的溫度取決于密封玻璃的成份，一般在415℃和650℃之間。陽(yáng)極鍵合圖3-16靜電鍵合設(shè)備冷焊冷焊是指兩種金屬層在高壓、低溫下不熔融而相互連接起來(lái)。所需壓力隨層厚降低和溫度升高而降低。連接的質(zhì)量和持久性強(qiáng)烈依賴(lài)于表面的清潔度和加工質(zhì)量。釬焊與共晶鍵合相反，用軟焊料釬焊連接芯片時(shí)，硅不發(fā)生熔化。釬焊時(shí)，參與金屬化連接的兩金屬被焊劑浸潤(rùn)再連接起來(lái)。釬焊時(shí)，原始的硅表面不能被焊劑所浸潤(rùn)，因此必須對(duì)硅表面進(jìn)行金屬化處理。硅-硅直接鍵合硅-硅直接鍵合是硅片在高溫下的平面接合過(guò)程。鍵合時(shí)，將兩塊經(jīng)去離子水充分清洗干凈的硅拋光圓片再用處理，在無(wú)塵條件下接觸迭合在一起，放入1050℃的管式爐中加熱1小時(shí)后取出。于是兩個(gè)圓片便自然的連接在一起。微裝配圖3-17Schematicdiagramofmicroassemblysystem3.4封裝技術(shù)對(duì)于微電子來(lái)說(shuō)，封裝的功能是對(duì)芯片和引線(xiàn)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供支持和保護(hù)，使之不受外部環(huán)境的干擾和腐蝕破壞；而對(duì)于微傳感器封裝來(lái)說(shuō)，除了要具備以上功能以外，更重要的是微傳感器要和外部環(huán)境之間形成一個(gè)接觸界面而獲取非電信號(hào)。一般說(shuō)來(lái)，微傳感器封裝比集成電路封裝昂貴得多，僅封裝成本就占總成本的70%以上。

封裝層次結(jié)構(gòu)圖3-18給出了機(jī)器或系統(tǒng)的封裝層次結(jié)構(gòu)

據(jù)《中國(guó)電子報(bào)》2009年7月9日?qǐng)?bào)道，經(jīng)國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)，以國(guó)內(nèi)集成電路封測(cè)領(lǐng)軍企業(yè)江蘇長(zhǎng)電科技股份公司為依托，聯(lián)合中科院微電子研究所、清華大學(xué)微電子所，深圳微電子所、深南電路有限公司等5家機(jī)構(gòu)，共同組建的我國(guó)首家“高密度集成電路封裝技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室”，日前在位于無(wú)錫江陰的長(zhǎng)電科技掛牌，這標(biāo)志著國(guó)家重點(diǎn)扶持的集成電路封裝技術(shù)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正式啟動(dòng)。芯片級(jí)封裝引線(xiàn)鍵合是半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用最多、最廣泛的一種互連工藝。引線(xiàn)鍵合是將半導(dǎo)體芯片焊區(qū)與電子封裝外殼的輸入/輸出引線(xiàn)或基板上技術(shù)布線(xiàn)用金屬細(xì)絲連接起來(lái)的工藝技術(shù)。焊接方式主要有熱壓焊、超聲鍵合焊和金絲球焊。倒裝焊芯片生產(chǎn)工藝流程圖3-19倒裝焊芯片生產(chǎn)工藝流程示意圖3.4.2圓片級(jí)封裝圓片級(jí)封裝（WaferLevelPackage，簡(jiǎn)稱(chēng)WLP）是一種全新的封裝思想，和傳統(tǒng)的工藝將封裝的各個(gè)步驟分開(kāi)來(lái)加工不同，WLP用傳統(tǒng)的IC工藝一次性完成后道幾乎所有的步驟，包括裝片、電連接、封裝、測(cè)試、老化，所有過(guò)程均在圓片加工過(guò)程中完成，之后再劃片，劃完的單個(gè)芯片即是已經(jīng)封裝好的成品；然后利用該芯片成品上的焊球陣列，倒裝焊到PCB板上實(shí)現(xiàn)組裝。系統(tǒng)級(jí)封裝所謂系統(tǒng)級(jí)封裝，是指將多個(gè)具有不同功能的有源組件與無(wú)源組件，以及諸如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、光學(xué)（Optics）元件等其它元件組合在同一封裝中，成為可提供多種功能的單顆標(biāo)準(zhǔn)封裝組件，形成一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)SIP的方法很多，主要包括多芯片組件技術(shù)和3D封裝兩大技術(shù)。3.4質(zhì)量控制微傳感器的失效分析技術(shù)主要包括：光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、掃描激光顯微鏡、原子力顯微鏡、聚焦離子束、紅外顯微鏡等。微傳感器是電子和機(jī)械的有機(jī)結(jié)合，其可靠性主要包括機(jī)械、電子、材料以及機(jī)械與電子部分相互作用時(shí)的可靠性等，其失效分析手段比集成電路更為復(fù)雜。3.4.1微測(cè)試技術(shù)二維微幾何量檢測(cè)可以采用普通光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）。由于具有較高的分辨率，SEM目前已成為微傳感器設(shè)計(jì)、制造中最常用的觀測(cè)儀器之一。三維微幾何量測(cè)試的方法可以概括為兩類(lèi)：一類(lèi)是從傳統(tǒng)的幾何量檢測(cè)技術(shù)發(fā)展和改進(jìn)而來(lái)；另一類(lèi)則是根據(jù)被測(cè)件的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，如基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的硅片厚度測(cè)量、實(shí)時(shí)蝕刻深度檢測(cè)等。目前在微傳感器設(shè)計(jì)、制造中比較常見(jiàn)的材料特性測(cè)量包括測(cè)量材料的斷裂模數(shù)、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變等。3.4.2可靠性技術(shù)微傳感器的可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的、生產(chǎn)出來(lái)