智能微系统的制造技术课件.ppt

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1、第二章 MEMS的制造技术 半导体微加工技术是MEMS制造技术的重要组成部分。普通的半导体微加工技术主要是一种二维加工技术，加工深度仅为数个微米。MEMS的组成部分微传感器、微处理器和微驱动器都是必需具有一定厚度的三维结构，是三维加工技术。,近年来，在半导体微加工技术基础上发展起来的表面MEMS加工技术，以及其它具有高深宽比的MEMS加工技术得到了迅速发展。如：硅材料体MEMS加工技术；LIGA技术；激光加工技术；超精密加工技术等。,#各种加工技术都各有其本身的优点和适应的加工范围；#对于一个具体的MEMS的制造、加工方法不是唯一的。应根据微器件特点和现有的技术条件，选用合适的一种或者几种加工

2、方法进行组合，以得到需要的微器件。,第1节 MEMS的材料 MEMS使用的材料有许多种。*具有一定的物理和力学性能完成MEMS某种功能（如作为传感器、驱动器使用）的功能材料；*保证运动器件在加工完成时可以运动的牺牲层材料；*MEMS运动器件使用的结构材料；*作为微器件衬底的基板材料等。,用于基板的材料主要有：（1）硅；（2）砷化镓；（3）金刚石薄膜；（4）石英以及高分子材料。对材料的要求除了应具有较高的机械强度、轫性、价格低廉外，还希望它与半导体材料及加工有优良的相容性。常用材料基本性能如表B1所示，机械性能如表B2所示。,一、硅材料 硅是MEMS中最常用的材料，因为：1、硅可制成超高纯度，易

3、得到接近于无位错的完整晶体、化学性能稳定和价格低廉。是近几十年来集成电路制造的主要半导体材料。已积累了丰富的硅材料微加工经验，并用它制成了大规模集成电路和单片处理机等。,2、硅材料在不同结晶方向具有不同的结合能，因此可采用各向异性刻蚀加工方法进行硅材料的体微机械加工。用这种方法已制得多种微机械结构，如微泵阀系统、微陀螺和微马达等。,3、硅具有优良的机械性能，较好的刚度（弹性模量与钢相近）以及足够的支撑强度。4、硅作为微系统基板的另一个优点是可方便地将测量、控制以及计算机的接口等电路全部集成在一块基板上，缩短微机械器件和控制电路之间的连线、减少寄生电容，降低干扰，提高测量精度。,5、材料的破坏性

4、能取决于材料内部缺陷的多少。拉制的硅单晶棒材可以达到无位错的水平。因此，硅具有优良的性能。硅作为结构材料使用时，为了不增加材料内部的缺陷，所以在对硅单晶加工时必须注意采用不产生缺陷的化学刻蚀加工技术。由于硅的优良半导体性能，还可制成压力、磁敏、加速度等传感器件，从而可采用全硅材料组成完整的MEMS。,6、运用化学气相沉积（CVD）技术可在硅基板表面制备多晶硅材料。多晶硅材料具有单晶硅类似的机械性能，多晶硅是表面微机械加工中广泛应用的结构和牺牲层材料。,二、GaAs化合物半导体材料 GaAs的电子迁移率远大于硅，因此可以制成高速器件，而且与硅相比，还可在更高的温度下运行（573K）（高温器件）。

5、GaAs还具有优良的抗辐射性能。但它的弹性模量较小，晶格缺陷比硅单晶多，故破坏强度比硅低，价格昂贵。其发光性能和绝缘性能优于硅材料，故GaAs仍是重要的材料，如果能在硅基板上形成GaAs，则其用途将更广泛。,三、SiC材料。SiC具有高熔点、高硬度，优良的化学、热稳定性能，是制作在高压、高温下运行的电子器件的好材料。SiC还具有优良的抗辐射性能。以前这种材料用于制造腐蚀性较强的反应器或像Si3N4薄膜一样，作为刻蚀的保护膜。SiC材料也可作为金刚石薄膜的基板材料或者其它结构材料。用CVD方法制备SiC薄膜时，常常较难控制Si与C的比例。,四、金刚石材料。近年来随着薄膜技术的发展，用多种CVD方

6、法成功地制备出金刚石薄膜。金刚石薄膜可作为微系统中的结构材料。金刚石是硬度最高的材料，具有较高的弹性模量，而且有优良的化学稳定性。金刚石能带中的禁带宽度较大，因此它有希望用作为高温电子器件。,金刚石材料的热导率极高，即散热效果较好，可作为功率器件使用。金刚石材料有可能制造紫外波段蓝光发光器件。金刚石材料的另一个特性是其摩擦系数极小，与聚四氟乙烯具有相同数量级，可以制造MEMS的运动部件。金刚石对X光的吸收率极低，且具有较高的机械强度，因此可利用它制备LIGA技术使用的X光掩膜版。,五、石英材料。石英是具有压电性能的材料，而且具有优良的弹性和机械稳定性，因此广泛用于制作压电探头。石英在MEMS和

7、集成电路中可作为基板材料。在湿法刻蚀加工中石英也具有明显的各向异性。目前已用该材料制作微加速度计、微反射镜等。,第二节 半导体微加工技术 半导体微加工技术是MEMS加工技术中不可缺少的组成部分。因为这种方法可以精确控制微小图形的尺寸、重复性好、可靠性高、成品率高并且可以进行批量生产，所以产品的成本较低。,半导体微加工技术（1）图形技术：形成集成电路的微细图形。,（2）刻蚀技术：应用刻蚀方法去除薄膜多余部分。,（3）薄膜技术：应用晶体在基板上生长形成薄膜、表面改性。由于大规模和超大规模集成电路的发展，当前微加工的线条宽度已达到纳米级，但MEMS应用的微加工技术仍在微米量级。,一、图形技术：,图形

8、技术是在基板表面生成一定形状的二维图形的方法，在微加工中图形技术一般由光刻（Lithography）过程来实现的。,图形技术是从石版印刷技术演变而成的。微加工技术的首要任务是设法减小图形的尺寸和提高精度。该技术包括：曝光和显影，图形转移的方式等方面。,1、曝光和显影：,一般来说，图形是由抗蚀剂的曝光和显影即光刻过程形成的，曝光光源可以是：,（1）可见和不可见光，采用光子作为能量的载体。,（2）X射线，采用X射线作为能量的载体。,（3）电子束和离子束，采用电子和离子作为能量的载体。,按曝光方式可以将光刻分为：光学光刻、X射线光刻、电子束光刻和离子束光刻。,曝光和显影的机理：在光子、X射线、电子和

9、离子等能束作用下，被曝光的抗蚀剂发生化学变性和去除。所以抗蚀剂的敏感性能应与曝光光源的波长相匹配。,2、光刻中图形转移的方式：,图形转移有掩膜版式、直接刻写式进行曝光以获得所要求的图形。,（一）掩膜版式：（1）接触式（掩膜板与涂有抗蚀剂的基板接触），如下图所示。,该方式的图形的分辨率和精度高，但由于掩膜版与抗蚀剂接触，掩膜版易损伤。,（3）投影式。,（2）接近式（为了避免接触式光刻对掩膜版的损伤，掩膜版与涂有抗蚀剂的基板有550mm的距离，但这牺牲了图形的分辨率）。,直接刻写（无掩膜光刻）通常采用电子束、离子束或激光束进行刻写，它用记录有图形信息的计算机直接控制上述能束在涂有抗蚀剂的基板上进行

10、扫描，使特定位置的抗蚀剂曝光。,（二）直接刻写式：,采用掩膜版式、可方便地获得多个相同图形的转印，但必须制作掩膜版。直接刻写式可省去该工序。,目前尚难以对X射线进行聚焦和偏转，所以X射线不能适应直接刻写方法。,一般来说，通过掩膜进行图形转印会带来附加的误差，所以理想的方法是采用计算机进行直接刻写。这是微加工技术发展的方向。下面继续介绍抗蚀剂。,直接刻写是发展方向：,（2）正性抗蚀剂（正胶）：感光的部分在显影时被适当的溶剂溶解，在基板上形成的图形与掩模板上的图形相同。,3、正负抗蚀剂：,微细加工中采用了两种抗蚀剂：负性抗蚀剂（负胶），正性抗蚀剂（正胶）,（1）负性抗蚀剂（负胶）：曝光后，由于掩膜

11、版的遮档基板上未感光的部分在显影时被适当的溶剂溶解，在基板上形成的图形与掩模板上的图形相反。,图B1是采用正性抗蚀剂光学光刻过程的示意图，由图可见光刻过程可分为抗蚀剂的涂布、曝光和显影三个工序，从而得到需要的图形。,图B-1 光学光刻过程示意图（正性抗蚀剂）,评估各种光刻技术性能参数主要有：（1）分辨率；（2）线宽；（3）准确度；（4）失真度；（5）套刻精度；（6）成品率、产出率。以下分别加以讨论。,4、光刻技术性能参数：,图形技术中线条的最小宽度即线宽常被用来作为光刻技术的分辨率。,（1）分辨率：,在工业生产中成品率和产出率是不可忽视的。分辨率在不同领域有不同含义：,物理上对分辨率的定义是能

12、清楚地区分图形中两点之间的距离。,工程上分辨率通常用单位长度上可分辨的高反差线对的数量来表示。,（2）准确度：准确度表示实际尺寸对标准值的偏差。,（3）失真度：失真度表示图形各部分尺寸的相对变化。,（5）成品率、产出率：成品率表示合格产品相对投入总数的百分比。产出率表示单位时间内生产的数量。,（4）套刻精度：套刻精度表示相同过程产生的图形之间相吻合的程度。,涂胶：采用旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均匀性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。,光学光刻是当前用得最广泛的光刻技术，采用紫外光作为曝光光源时，可得到1m 左右的分辨率，0.5m的套刻精度和每小时曝光100片的产出率。,

13、5、光学光刻：,进一步提高光学光刻分辨率受到光的衍射的限制。,光的波长（）越短分辨率越高。,光学系统分辨率X取决于曝光采用光源的波长：X=K/NA（B1）,K是与抗蚀剂材料和曝光工艺有关的常数，一般为0.6-0.8之间。,NA为光学系统的数值孔径，通常在0.4-0.5之间。,6、光刻方法：为了提高光刻图形的分辨率需要采用更短波长光源进行曝光，包括远紫外光、X射线、电子束或离子束等。曝光用的X射线的波长范围在0.4 5nm，可以避免常规光刻中遇到的衍射问题。下图为不同光刻技术的比较。,图B2 不同光刻技术的比较,7、半影畸变和几何畸变：光源的直径和光线的发散将造成半影畸变和几何畸变。半影畸变是由

14、于光源具有一定直径所引起的。几何畸变是由射线束的发散产生的。,X射线接近式曝光装置图,由X射线束的发散产生的几何畸变为：s为掩膜和样品间距；D为光源到掩膜的距离；W为样品的半径。,几何畸变,X射线接近式曝光装置图,由于光源具有一定直径d引起的半影畸变为：s为掩膜和样品的间距；D为光源到掩膜的距离。,半影畸变,为保护掩膜以及避免掩膜和基板的接触造成缺陷，希望间隔s足够大，通常间隔取10m左右。对于高分辨率系统，半影畸变须控制在10m以下，因此要求D/d 100。在高分辨率系统中，要求几何畸变小于0.1m以下，由于目前集成电路用的硅片尺寸在6英寸以上，这就对s的变化提出了很高的要求。可以采用分布重

15、复的方法进行曝光，保证样品尺寸W在很小的范围。,8、电子束：电子束与X射线相比，不仅波长更短，而且能用电场和磁场使其偏转以及对电子速度进行调制，所以电子能量可以在相当大的范围内进行调节。电子束可以在计算机控制下直接进行图形的刻蚀，也可以通过特殊掩膜进行图形转印。,电子束斑可以聚集到 10 nm。当束流足够大时，可以在107秒时间内使抗蚀剂曝光。,图B4 电子束曝光装置原理图,电子束曝光装置如图B-4所示，电子束图形发生装置的电子光学系统与扫描电子显微镜非常相似。从阴极电子枪发射出来的电子束由静电场加速、磁场聚集、最后由电场和磁场控制使电子束以一定的轨迹偏转，从而得到需要的图形。,9、离子束：离

16、子束具有比电子束更短的波长，因此用离子束可以得到更高的分辨率，但离子束加工的设备更加复杂，这种加工方法近期尚未在微系统中有应用的可能，为此本节不进行讨论。,二、薄膜技术：薄膜材料是制造微结构器件的基础，因此薄膜生长在微加工中占有重要地位。不同的器件对膜厚的要求差别很大，可以从零点几纳米的单分子直到数微米或更大厚度。薄膜的表面和界面状况、晶体结构和晶体的取向排列、化学成分和膜层结构以及各种物理性能等都对器件的功能有直接影响。,按制备薄膜的方法有真空蒸镀、溅射淀积、电离团束淀积、电镀和涂覆五种。,1、薄膜分类：,按薄膜形成的过程，主要有三类：淀积膜 外延膜 表面改性。,（1）淀积膜：淀积膜与基板之

17、间有明显的界面。例如在半导体基板上沉积金属膜或介质膜，膜层与基板的材料组成不同，可以是晶体也可以是非晶体。,（2）外延膜：外延膜与基板之间有相同或非常接近的晶体结构，膜层的晶格通常是基板晶格的延伸，或与基板晶体共格。膜层与基板的材料的组成可以相同，例如硅片上外延硅；也可以不相同，如在 GaAs基板上生长GaAlAs的异质结构。外延技术有如下几种：,金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)等。,外延技术有：气相外延(VPE)，也称化学气相淀积(CVD)；,液相外延(LPE)；,分子束外延(MBE)；,（3）表面改性：表面改性是通过基板的表面化学反应，如硅片氧化生成SiO2，或其它过程，如扩散，离

18、子注入和离子交换等在基板表面形成化学组成、材料结构和性能参数与基板体内部有明显差别的膜层。其特点是整体性好，但不易获得突变的界面，往往存在一定厚度的过渡区。,下表是微加工技术中薄膜生长方法及其特点的比较。详细介绍如下：,硅材料的氧化后，可得氧化硅薄膜。硅氧化有多种方法，其中以热氧化应用最为普遍。热氧化硅比其它沉积得到的氧化硅薄膜具有更好的特性。氧化硅薄膜可用于硅表面的保护（如在各向异性腐蚀中）、扩散和离子注入时的掩膜、电解质薄膜以及基底和其它材料的界面等。,2、几种膜生长方法：（1）氧化,通常是将硅片置于9001200的氧化环境（干氧、水汽或湿氧）中，使硅与氧气或水蒸汽发生反应，从而制得氧化硅

19、薄膜。反应式为：,Si+O2 SiO2(干氧氧化)Si+2H2O(水蒸汽)SiO2+2H2(水汽氧化),干氧氧化得到的氧化硅，结构致密、干燥、均匀性和重复性好、掩膜能力强，与抗蚀剂的粘附性好，光刻时不易浮胶，钝化效果好。但氧化的速率慢。,水汽氧化速率快，但得到的氧化硅的结构疏松，对磷扩散的掩膜能力差，稳定性也不理想，在器件生产中很少单独采用水汽氧化。,氧化的过程可以理解为：首先是氧化剂(氧气或水汽)与硅片表面的硅原子起化学反应形成表面的氧化硅，而后氧不断向内层扩散进入氧化硅和硅的界面，发生化学反应形成新的氧化硅，使氧化硅薄膜增厚。因此氧化的速率受到以下两种因素的限制：,(i)硅和氧化剂在界面的

20、反应速率；,(ii)氧在已经形成的氧化膜中的扩散速率。,一般在氧化膜较厚时，后者占主导地位，因此氧化膜的厚度的增加取决于氧在膜内的扩散速度，与时间的关系是非线性的。在特定的温度下，氧化膜的厚度与时间成抛物线关系。同时氧化的速率还与硅片的晶向、掺杂的杂质种类和浓度以及氧化气体的分压有关。,电子束加热法可以蒸发熔点较高的金属(如W、Mo、Ta等)，沉积的速率高，没有发热材料的沾污。,（2）真空蒸发：蒸发是通过加热方法将需要制备薄膜的材料在真空（104-105Pa）中气化，随后沉积在基板表面获得薄膜的方法。加热一般采用电阻加热或电子束加热方法。,电阻加热法简单、经济，但蒸发的薄膜可能受发热材料的沾污

21、。,在蒸发过程中，常常将基板置于行星式装片装置上，使基板在薄膜沉积过程中，不但围绕行星旋转轴旋转，还围绕基板的中心轴旋转。这可以改善薄膜的均匀性和由于阴影效应，出现薄膜内部不均匀等问题。,溅射是用带正电荷的气体离子轰击靶材表面，使靶材原子从其表面逸出，沉积在基板上的过程。溅射腔室的本底真空一般为104-105 Pa，溅射时使用的溅射气体通常为惰性气体氩气。如右图所示。,（3）溅射：,图B5 溅射装置结构示意图,磁控溅射和离子束溅射等。,这种沉积方法适合于金属、合金以及电解质材料。,应用溅射获得的薄膜致密、成分易于控制，因此得到迅速发展。,目前已经开发了多种溅射方法：,直流溅射,射频溅射,（一）

22、直流溅射：在直流溅射时靶材(阴极)和基板(阳极)之间附加高的直流电压，使溅射气体发生辉光放电形成离子，由于正离子对阴极靶材的轰击，使靶材表面的原子溅出，沉积到基板的表面。,（二）射频溅射：射频溅射是在靶材和基板之间附加频率为13.56 MHz的射频电压。,它可以溅射电解质材料，因为在射频电压的作用下，电压的前半周绝缘材料表面聚集的正电荷可以在后半周被中和，使得溅射能继续进行。,（三）磁控溅射：磁控溅射是在靶材的底部加上永久磁铁，使靶的表面产生与电场方向垂直的磁场，电子在磁场的作用下被限制在靶表面上一个较窄小的区域里沿近似摆线的轨迹运动，从而增加了电子与气体分子的碰撞次数，增加了等离子体的密度，

23、因此可降低工作气压，提高溅射速率。,由于这种溅射可在较低的工作气压下进行，得到的薄膜杂质少。另外靶材轰击出来的二次电子受磁场的约束不再直接轰击基板，使得沉积过程中基板保持在较低温度，可得到性能优良的器件。,（四）其它溅射：上述溅射中，选择了一定的靶材后，在制备工艺上需控制溅射的气压、气体的流量、电压(功率)、基板的温度和偏压等参数，从而实现对薄膜特性的控制。如果在溅射气体中加入一定量的反应气体(如N2，O2等)，就会在基板上获得靶材和反应气体的化合物薄膜，这就是所谓的反应溅射。,离子束溅射的溅射离子不是由辉光放电产生，而是来自独立的离子源。离子在电场作用下进入真空室，轰击靶材上的原子。这种方法

24、使离子束的能量和束流不取决于靶材，可以单独进行控制，而且可以调节入射角，以获得较高的溅射效率。溅射腔中的真空度较高(高于1.33103Pa)，薄膜中的杂质较少。此方法也可以用于电介质材料的沉积，其电荷的积累通过灯丝发射的电子加以消除。,化学气相沉积(CVD)是指一种或几种气态化合物在基板的表面反应形成固态薄膜的过程。,（4）化学气相沉积(CVD)：,化学反应的能量由加热、光化学或等离子放电等提供。,化学气相沉积具有生产量大，薄膜的厚度、成分、结构易于控制，与基板具有很好的粘接性和良好的电学特性等优点。,（五）金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）。,化学气相沉积的种类很多，目前最常用的有：,

25、（一）常压化学气相沉积(APCVD)；,（二）低压化学气相沉积(LPCVD)；,（三）离子增强化学气相沉积(PECVD)；,（四）紫外光或微波增强的化学气相沉 积（光辅助CVD，MPECVD）；,化学气相沉积设备一般由反应腔、基板架、可控的气体导入系统、温度可控的基板加热系统等组成，如下图所示。,图B6 LPCVD 反应器及系统,常压CVD载气用量大，产量较低。在低压CVD中，需要有真空系统，工作气压在10-1000 Pa。由于工作气压较低，有利于气体向基板的扩散，改善了薄膜的均匀性。,三温区加热炉薄膜制备过程中，可以通过控制温度、温度梯度、总压力、反应气体的气压、抽气速率和基板间隙来实现对沉

26、积材料性质的控制。当然物理增强沉积薄膜的性质还与采用的增强手段等因素有关。,沉积薄膜的控制：,离子增强CVD、光辅助CVD、微波增强CVD等分别需要增加射频发生系统、紫外光或微波系统。由于这些物理因数，促使反应气体离解因而降低了反应器的温度，有利于器件的制备。金属有机化合物CVD是利用金属有机化合物分解的温度较低，从而可在较低反应温度沉积薄膜，得到外延生长的化合物半导体薄膜。金属有机化合物CVD得到的薄膜纯度和质量较高。金属有机化合物CVD装置的结构示意图如下图所示。,图B7 MOCVD装置的结构示意图（a）立式反应管（b）卧式反应管,由于化学气相沉积所用的气体大多具有毒性和爆炸性等危险，化学

27、气相沉积设备都需放置在带有通风的净化台内，废气应加淋洗处理，有时在排放之前还需加以稀释等措施。,（5）扩散与离子注入：掺杂是半导体技术中的主要工艺之一，它是将所需的杂质按要求的浓度与分布掺入半导体材料的特定区域中，以改变材料的特定区域的电学性质。,扩散和离子注入是最常用的掺杂方法。,（一）扩散：扩散通常分两步完成，预扩散和再分布。1）预扩散：杂质原子从扩散源输送到基板表面，并向基板内部扩散。由于预扩散的温度较低，所以扩散的较浅。此步的目的是为了控制杂质的数量。,2）再分布：将预扩散到基板表面的杂质作为扩散源，在高温下进行扩散。扩散的同时往往进行氧化。再分布的目的为了得到所需的扩散深度和浓度。扩

28、散后在基板表面会有一层薄的高掺杂的氧化层。,离子注入是将需注入的杂质原子进行电离，在高压作用下获得很高的能量(3500keV)后，轰击基板表面，使其进入基板内部，而后再进行退火使杂质激活，同时退火还可以消除因注入引起的晶体损伤。注入的离子在基板中的浓度分布与注入的离子质量、能量、剂量、靶温、晶体取向以及退火的工艺等因素有关。,（二）离子注入：,离子注入掺杂具有均匀性和重复性好、沾污少、可掺杂材料多、掩膜选择灵活、易实现突变的杂质分布、热缺陷少、横向效应小以及对化合物半导体的组分影响小等方面的优点。,（三）扩散与离子注入比较：,三、刻蚀技术：图形技术仅仅是在基板表面形成的抗蚀剂图形，尚需要把抗蚀

29、剂的图形精确地转移到基板或基板表面薄膜上。通常把这一过程称为刻蚀。1、按成形进程分，刻蚀有两种工艺：,（1）减法(subtractive)工艺；（2）加法(additive)工艺。两工艺比较如下图所示。,（1）减法(subtractive)工艺：减法的工艺过程为先淀积层薄膜，然后在上面涂覆抗蚀剂经光刻形成图形，最后通过刻蚀去除没有被抗蚀剂保护的那部分薄膜，如右图所示。,（2）加法(additive)工艺：先在基板上涂覆抗蚀剂经光刻形成图形，然后再淀积薄膜，这时一部分薄膜淀积在基板表面，另一部分淀积在抗蚀剂表面，最后在去除抗蚀剂时这部薄膜将随之一起被清除，这种过程也称为剥离(liftoff)。必

30、须指出，如果采用同一种抗蚀剂（例如正胶），为了获得相同的最终图形，则二种方法所采用的掩膜版是相反的。,图2-8 两种图形转移方法,2、根据刻蚀是液相过程还是气相过程又把刻蚀分为湿法和干法。,（1）湿法刻蚀主要是化学作用。,（2）干法刻蚀方法较多，有主要是化学作用的等离子体刻蚀；主要是物理作用的离子束刻蚀(IBE)和溅射刻蚀（SE）；以及化学作用和物理作用相互增强的反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)。,刻蚀工艺的基本要求是真实地转移图形，但实际总存在一定的偏差B，它由抗蚀剂图形尺寸df和掩膜图形尺寸dm确定：B=df dm 刻蚀的这种偏差是由于刻蚀的方向性造成的，如下图所示。,如

31、果刻蚀只沿垂直于膜面的方向进行，而不在水平方向进行的称为各向异性刻蚀，如图 210(a)所示，这时抗蚀剂图形的侧面与掩模图形一致，刻蚀偏差为零，如下图所示。,3、各向异性刻蚀和各向同性刻蚀,如果刻蚀在薄膜的垂直和水平方向同时以相同的速度进行刻蚀，这时在抗蚀剂下薄膜的侧面经刻蚀后会形成四分之一圆弧状，刻蚀偏差与膜厚相同，这种刻蚀称为各向同性刻蚀，如下图所示。,刻蚀各向异性的程度取决于横向和纵向的刻蚀速率的比值，可以用各向异性因子Af来表示：Af=1 Vfl/Vfv(B4)式中 Vfl和 Vfv分别表示薄膜的横向和纵向的刻蚀速率。在各向同性刻蚀时，Vfl=Vfv，所以 Af=0,当横向刻蚀速率Vf

32、l=0时，则Af=1，表示完全各向异性刻蚀，当0Af1时，也称为各向异性刻蚀，但这时掩模下的薄膜在横向也有被刻蚀的现象，这种刻蚀又称为钻蚀。,（1）湿法刻蚀 将被抗蚀剂覆盖的基板浸泡在腐蚀液中、或将腐蚀液喷洒到基板上，使未被抗蚀剂保护的材料与腐蚀液起化学反应，逐渐被腐蚀掉。选择适当的腐蚀液配方可以获得良好的刻蚀选择性。在微机械加工中为了去除牺牲层而保留运动部件和基板，通常也采用湿法刻蚀方法进行。,湿法腐蚀的工艺和设备简单、刻蚀速率快、生产效率高，是主要的刻蚀手段。但由于湿法刻蚀完全是化学作用，易于发生钻蚀，所以刻蚀的分辨率不高，线条不陡直，但薄膜较薄时影响不太大。将双层材料放在某种刻蚀剂中，如

33、下层材料易被腐蚀，这也称为钻蚀，在表面微机械加工中牺牲层就是利用这种钻蚀方法进行加工的。,湿法刻蚀腐蚀液大多具有强腐蚀性或含有有毒的物质，使用时应注意安全生产和环境保护。在半导体微机械加工中常用的腐蚀剂如下表所示。,（2）干法刻蚀 干法刻蚀也是微电子工艺中制作图形的常用方法。它是通过气体分子与样品表面的原子进行物理作用、化学作用或物理化学作用从而实现刻蚀的功能。与湿法腐蚀的工艺相比，此工艺可以加工更细的微结构。因为在湿法工艺中，腐蚀一般是各向同性的，在结构的每一边，钻蚀的程度与薄膜的厚度相当。另一方面，为了保证要刻蚀的薄膜彻底腐蚀，常常需要过腐蚀，这就进一步加大了钻蚀的宽度，钻蚀的宽度有可能达

34、到厚度的两倍。,湿法腐蚀是无法制作2m以下数量级的微结构。现代在制作互补型金属氧化物集成电路（CMOS）工艺中，需要1m以下的微结构，必须采用干法刻蚀。在微系统中，干法工艺进一步被发展，通过对侧壁的保护，可以制造高深宽比的微结构，刻蚀的深度达数百微米。与此同时，干法刻蚀也可用通过侧向的钻蚀，制作独立的微结构。干法刻蚀已成为微系统中的关键加工技术。,干法刻蚀包括等离子体刻蚀、溅射刻蚀、反应离子刻蚀、离子束刻蚀和反应离子束刻蚀。它们与湿法刻蚀不同，不是在液相条件下而是在气相状态下进行的。,等离子体刻蚀是利用等离子体与基板产生化学反应来进行刻蚀，如下图所示。,图211 圆桶形和平板形等离子体刻蚀装置

35、,通入腔体的稀薄反应气体在高电压作用下产生辉光放电，刻蚀气体分子在电子的撞击下，积聚能量成为活性的游离基或被电离成离子。这种粒子具有较强的化学活性，易于发生化学反应。如CF4气体，并不能直接与硅产生反应，但CF4被激发后，其中的氟原子就易与硅进行化学反应。,由于在等离子刻蚀的反应室内存在各种高能粒子，它们轰击抗蚀剂使刻蚀图形损伤；形成各向同性的化学反应、无方向性的腐蚀。为了避免电子、离子和光对抗蚀剂的影响，采用如下图所示的微波等离子体刻蚀装置，将放电区和反应区分开，放电区产生的活性游离基由气流输送到样品表面而引起刻蚀。,图212 微波等离子体刻蚀装置,典型IC工艺方法,近年来由于IC工艺技术的

36、发展，使平面微加工技术得到了长足的进步，达到了完臻的地步。为了迅速满足微系统的要求，将平面微加工技术使用到微系统中，建立了硅材料的微机械加工技术。该项技术主要包括以下三种：,第3节 硅材料微机械加工技术,MEMS加工技术是加工具有一定厚度的三维加工技术。,IC工艺是二维加工即平面加工技术。,硅材料的微机械加工技术包括：1、表面微机械加工；,2、体腐蚀加工技术；,3、键合技术。,一、表面微机械加工技术 表面微机械加工是发展了的平面微细加工技术，其特点是采用牺牲层，即先在基板上沉积一层牺牲层，然后在牺牲层上再制作结构层（包括运动件），在微结构加工成特定的形状后，再将牺牲层腐蚀掉，就得到了自由的微结

37、构层。,图214 表面微机械加工工艺过程,表面微机械加工工艺制造一层自由结构的原理过程。这里的牺牲层为氧化硅，结构层为多晶硅。,2、表面微机械加工工艺与CMOS工艺的兼容性好，可以将微机械系统和控制的集成电路集成在一起，因此这种加工工艺更适合于制造智能微系统。,表面微机械加工技术的特点,1、用表面微机械加工实现的结构的尺寸可以在2mm左右，甚至亚微米的结构，其极限尺寸主要受刻蚀（比如，反应离子刻蚀RIE）工艺的限制。,3、表面微机械加工技术使设计有了更大的灵活性。,表面微机械加工技术可加工可动的微部件，如静电型微马达。可加工有悬臂梁的微探测器、谐振器、可动微反射镜、光快门、加速度传感器和微陀螺

38、等。,图215表面微机械加工技术制备静电型微马达的工艺流程,表面微机械加工技术实现的关键是选择合适的结构层和牺牲层的材料。它们必须满足以下5方面的要求：,（一）对牺牲层材料的要求,（1）牺牲层必须具备良好的机械性能（如粘附性好，低残余应力等），以防止在加工过程中器件失效（如剥离、断裂等）的发生。,（2）在特定的刻蚀工艺中，结构层和牺牲层之间的腐蚀速率差别大，即腐蚀的选择性高。牺牲层在刻蚀中必须是各向同性的，而且腐蚀的速率要快，不留残物。或者要有对上下层材料几乎不侵蚀的刻蚀介质。,（3）在牺牲层薄膜形成的温度范围内不与上下层材料产生反应。（4）如果形成温度较高，则要求牺牲层与上下二层材料的热膨胀

39、系数应相近。（5）如果需要与集成电路集成在一块芯片上，其加工工艺应与CMOS工艺相容。,（二）对运动部件材料的要求 随着器件尺寸的减少，器件的固有振动频率提高，因此微器件可以进行高速运动。而随着尺寸的减少，运动器件的摩擦阻力也随之迅速增大。因此对于运动部件材料选择应考虑如下4个方面的问题：,电和热的绝缘和传导；热膨胀系数；与牺牲层材料刻蚀特性的差异；机械和热的强度等。以下具体讨论典型器件的要求。,（三）典型微系统的设计考虑的问题 1、对于静电型运动器件，如微马达的转子、直线型驱动器、多模振子等微结构：,要求其结构利于静电驱动，同时电极之间应绝缘。转动器件必须具有较高的机械强度和低的摩擦系数，而

40、且要能承受在刻蚀牺牲层时腐蚀液的腐蚀。,要解决摩擦问题：（1）从材料选择上考虑。实验证明多晶硅和氮化硅的摩擦系数比硅和硅之间的摩擦系数小；（2）从接触部位的材料上考虑。在转子的接触表面溅射润滑材料（如二硫化钼），以增加润滑；（3）从结构上考虑。可以设计一种结构，利用转子在转动时的空气压力使运动部分上浮以减少接触面积和摩擦力。,2、对于压力、加速度和触觉等传感器以及微型泵等，都需要有高强度隔膜以隔离腔内外空间。这一类隔膜要求具有较高的机械强度和优良的弹性性能。可采用氧化硅、氮化硅或者掺硼硅等薄膜制备，但这些制备的薄膜一般都具有较大的且取向不同的内应力。使制备的薄膜不平整。,采用不同的材料而采用同

41、样的工艺制备，则得到的薄膜其弯曲变形的情况是不同的。有时为了得到弯曲变形较小的隔膜可以采用内应力方向不同的多层薄膜组成，如，采用SiO2/Si3N4/SiO2的多层结构，由于内应力的抵消，可减少其弯曲变形。微型阀件的阀门材料，希望既具有优良的弹性同时应有适当的柔软性，一般可采用耐400C机械性能优良的聚酰亚胺有机绝缘化合物或者厚度为5 10m硅薄膜。,（三）表面微机械加工中的一些问题 表面微机械加工制备的结构的线度常常是在数百微米，而间隙却是微米量级，因此，表面微机械加工必须避免微结构的变形和粘附问题。微结构特别是运动结构必须非常平直，没有弯曲，以免结构在运动时与基板相碰而增加摩擦阻力。如上所

42、述，要求制备的结构内部应无应力。,图B17 基板和微结构形成粘附的过程,粘附是表面微机械加工中的一个突出问题，在湿法腐蚀时尤为严重。一般在牺牲层被腐蚀后，将基板置于去离子水或乙醇中清洗并被干燥。显然无微结构的区域先被干燥，此时就会有一些残余的液滴留在微结构和基板之间，进一步干燥可使液滴减小，最终消失。而此时由于液体表面的张力使薄而长的微结构产生弯曲，并将微结构吸附到基板的表面。当液体完全挥发后，微结构仍然被粘附在基板的表面。粘附的形成过程如左图所示。,图218 三相图,粘附问题是由于液滴的汽化引起的。左图是物质气、液、固三态存在的三相图。根据三相图，物质从液体变为气态有多种途径。直接从液态变为

43、气态会产生粘附。而从液体转变为气体还存在另外二种途径：即绕过三相点法和绕过临界点法的二个途径。,在超临界状态下，流体的物理性质处于气体和液体之间，既具有与气体相当的扩散系数和较低的粘度，又具有与液体相近的密度和对物质良好的溶解能力。因此，超临界流体是存在于气、液这两种流体状态以外的第三流体。超临界流体的特性。例如，超临界流体分子的扩散系数比一般液体高10100倍，有利于传质和热交换。其次是可压缩性，温度或压力较小的变化可引起超临界流体的密度发生较大的变化。大量的研究表明，超临界流体的密度是决定其溶解能力的关键因素，改变超临界流体的密度可以改变超临界流体的溶解能力。,二、体微机械加工技术 使用传

44、统的微细加工或精密的机械加工方法对硅进行深层加工都存在着一定的困难。通常采用掩膜深刻蚀技术解决这个问题。硅的体腐蚀分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。下图是硅在液体介质（湿法）和气体介质（干法）中的各向同性和各向异性刻蚀的几种情况的例子。,图220 硅的各种刻蚀方法,1各向同性刻蚀 硅的湿法各向同性刻蚀广泛用于：(a)受损硅表面的去除；(b)在单晶硅上制作微结构；(c)在单晶硅或多晶硅上生成图形。最常用的硅的各向同性腐蚀介质是氢氟酸（HF）、硝酸（HNO3）和水或冰醋酸（CH3COOH）的混合物，通常称之为HNA混合液。在HNA系统中，其刻蚀的反应过程可以简述如下：,硅表面原子产生阳极反应形成两个

45、空穴，与水中OH结合形成Si(OH)2，而后又分解成SiO2和H2，氢氟酸再与SiO2作用形成络合物（H2SiF6），离开硅表面。,(1)硅表面原子产生阳极反应形成两个空穴 Si+2h+Si2+(2)腐蚀液的水解离H20=(OH)+H+(3)生成氢氧化硅Si2+2(OH)Si(OH)2 分解反应生成氧化硅Si(OH)2 SiO2+H2(4)生成可溶性络合物 Si(OH)2+6HF H2SiF6+3H20 SiO2+6HF H2SiF6+2H2O(5)总的反应式可写成 Si+HNO3+6HF H2SiF6+HNO2+H2O+H2,图221 腐蚀液组成和腐蚀温度对硅各向同性腐蚀速率的影响,左图为腐

46、蚀液的组成和温度对硅的各向同性腐蚀速率的影响。腐蚀液中HF的含量在560%左右时，随着氢氟酸含量的增加，刻蚀速率迅速增加。随腐蚀温度的提高，腐蚀速率也迅速增加。各向同性刻蚀会导致掩膜下材料的不均匀腐蚀，在使用时应予注意。,2各向异性刻蚀 硅在碱性溶液中，不同晶面具有不同的刻蚀速率，即具有各向异性刻蚀性能，这是微系统经常采用的微加工方法。湿法各向异性刻蚀的刻蚀剂主要有以下4种：,KOHH2O系；EDP（乙二胺焦性邻笨二酚水溶液）；(N2H2)H2O（联胺水溶液）；TMAH（四甲基氢氧化铵）。各种溶液对硅的腐蚀速率如下表所示。,下面以氢氧化钾水溶液对硅的各向异性刻蚀为例，说明硅的各向异性刻蚀原理。

47、硅在氢氧化钾水溶液中的反应非常简单，反应按下式进行：Si+H2O+2KOH=K2SiO3+2H2 反应生成物是可溶性硅酸钾K2SiO3，因此浸没在氢氧化钾水溶液中硅片表面原子将不断向水溶液溶解，从而产生了硅的刻蚀。,如图222所示硅晶体具有金刚石结构，硅晶体在不同的表面显露时，其表面原子悬挂键数量是不同的，即显露在外表面不同晶面上的原子和内层原子的结合力是不同的，因此不同晶面原子在溶液中的刻蚀速率也不同。,图222 硅的晶体原子键结构图,三、键合技术 作为微系统三维加工技术除上述除去式（硅各向异性刻蚀、精密机械加工、激光加工等）加工方法以外，还有结合式的加工方法，即将用各种微加工方法加工出来的

48、微结构相互结合在一起形成一个具有优良性能的微结构器件。基板和器件以及基板之间的结合称为键合。,键合的方法较多，有胶结（如环氧等有机材料）、低温玻璃键合、共晶键合、直接键合、静电（阳极）键合等，其中直接键合和静电键合方法不会造成变形，利于保证微器件的尺寸精度，所以这两种键合方法是微机械加工中最重要的键合方法，典型的方法如下图所示。,图231 基板键合方法示意图,共晶键合,1直接键合 直接键合又称熔合键合，它是硅与硅或有氧化膜硅片之间的键合，中间无需添加任何粘结剂，也无需外加电场。基本的工艺过程为：(1)首先对硅片表面进行活化处理，形成亲水表面，提高表面氢氧基的密度。(2)硅片经等离子水冲洗后烘干

49、，在室温下将两硅片面对面贴在一起。(3)将贴好的硅片放在高温炉中加热至10001273K，在O2或N2的气氛中进行高温处理数小时（绝对温度等于摄氏温度加273）。,键合原理 由于界面处的硅原子在范德瓦尔斯力和氢氧基团的氢键的作用，使两硅片粘附在一起。当硅片表面的氧化膜完全被去除时，可以在比较低的温度（450K左右）进行键合，这时键合的硅片就具有了足够的结合强度。这种键合非常稳定，并且不随时间改变。,特点：（1）实现了无中间层的键合，因此不会产生任何应力。（2）对硅片表面的平整度、沾污和尘埃特别敏感。（3）有机物的沾污会在热处理时释放气体，形成空洞。（4）键合面在尘埃周围存在一个圆形未键合的区域

50、，所以在清洗、干燥以及整个操作过程中必须十分注意避免尘埃对硅片表面的沾污。,2静电键合 静电键合又称为阳极键合，这种方法适合于硅片和富钠玻璃基板之间键合。采用与硅膨胀系数（3.2106/）相近的Pyrex玻璃与硅重叠，加热至573-773K，在玻璃一侧附加500-1000V的负高压，并附加一定的压力，在保持一定时间后，即完成玻璃和硅之间的键合。,3低温玻璃键合 由于静电键合时硅片和玻璃的界面上存在很强的电场，这可能对电子电路产生损伤。为了避免电场对器件的损伤，在键合时应避免施加电压。低温玻璃键合是将低温玻璃涂敷在键合的面上，再与要键合的基板叠在一起，附加一定的压力和温度使它们键合在一起。低温玻