硅微加工工藝

1、硅微細加工工藝,主講：XX 機械研13-4,2,硅微細加工工藝,1、硅 2、硅的體微加工技術 3、硅的表面微加工技術,1、硅,單晶硅是MEMS和微系統(tǒng)采用最廣泛的材料。 單晶硅的特點： a.良好的傳感性能，如光電效應、壓阻效應、霍爾效應等； b.單晶硅的楊氏模量、硬度和抗拉強度與不銹鋼非常接近，但其質(zhì)量密度與鋁相仿； c.非常脆，不能產(chǎn)生塑性變形； d.熱膨脹系數(shù)小，熔點較高； e.硅材料是各向異性的。,4,2、硅的體微加工技術,硅微細加工（Silicon Micromachining）主要是指以硅材料為基礎制作各種微機械零部件的加工技術?？傮w上分為體加工和面加工兩大類。 體加工主要指各種硅刻

2、蝕（腐蝕）技術，而面加工則指各種薄膜制備技術。,5,2.1硅的體微加工技術,硅的體微加工（Bulk Micromachining）技術是指利用刻蝕（Etching）等工藝對塊硅進行準三維結(jié)構(gòu)的微加工，即去除部分基體或襯底材料，以形成所需要的硅微結(jié)構(gòu)。 刻蝕法分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩類。,6,2.1.1濕法刻蝕,濕法刻蝕是通過化學刻蝕液和被刻物質(zhì)之間的化學反應將被刻蝕物質(zhì)剝離下來的刻蝕方法。 工藝特點 設備簡單、操作方便、成本低 可控參數(shù)多，適用于研發(fā) 受外界環(huán)境影響大（濃度、溫度、攪拌、時間） 有些材料難以腐蝕,7,濕法刻蝕方向性,各向同性刻蝕刻蝕速率在不同方向上沒有差別 各向異性刻蝕對不同晶

3、面的刻蝕速率由明顯的差別,8,各向同性濕法刻蝕,常用的各向同性刻蝕劑是HNA系統(tǒng)，它是HF（氫氟酸）、HNO3（硝酸）、CH3COOH（乙酸）和水的混合溶液。 濕法單晶硅刻蝕劑的刻蝕機理：(a)空穴注入硅后形成Si2+或Si+；(b)Si2+與OH聚合為Si(OH)22+；(c)在溶液中，硅氫氧化物（硅化物）與溶液中的絡合劑產(chǎn)生反應；(d)反應的產(chǎn)物溶解在溶液中。,9,各向同性刻蝕的停蝕技術,HNA系統(tǒng)在高稀釋情況下(如體積1HF+3HNO3+8CH3COOH)可以對摻雜濃度不同的硅進行選擇性刻蝕。 實驗表明，對于高摻雜硅和低摻雜硅，在HNA系統(tǒng)刻蝕2min后，其刻蝕深度比為160:1；隨時間

4、的推移，15min后，比值降為6.7:1。這是由于在反應中亞硝酸(HNO2)增加，導致了兩種硅的刻蝕程度開始接近。 為了保持較好的選擇性刻蝕效果，可以加入氧化劑（如雙氧水H2O2）或還原劑（如疊氮化鈉NaN3）以控制HNO2的產(chǎn)生，這樣就可以達到對低摻雜硅幾乎不刻蝕的停蝕效果。,10,各向異性濕法刻蝕,各向異性刻蝕是指在某個方向上的刻蝕速率遠大于另一個方向。 機理：刻蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化態(tài)Si+，而羥基OH-與Si+形成可溶解的硅氫氧化物的過程。 特點： 刻蝕速率比各向同性刻蝕慢，速率僅達1um/min； 刻蝕速率受溫度影響； 在刻蝕過程中需要將溫度升高到100OC左右，從而影響到很多光

5、刻膠的使用。,11,刻蝕液,無機刻蝕液：KOH、NaOH、LiOH和NH4OH等。 有機刻蝕液：EPW、TMAHW和聯(lián)氨等。 常用體硅刻蝕液： (1)KOH系列溶液； (2)EPW（E：乙二胺；P：鄰苯二酚；W：水）系列溶液。 這些刻蝕劑的共同特點：對硅的100晶面的刻蝕速度最快，110晶面次之，111晶面的刻蝕速度最慢。 硅在111和100晶面的刻蝕速度之比為1:400。,12,各向異性刻蝕的停蝕技術,主要方法有：重摻雜停蝕、(111)面停蝕、電化學停蝕和PN結(jié)停蝕等。 例：(111)面停蝕方法 常用的KOH系列刻蝕液對(111)和(100)晶面的刻蝕速率相差極大，因此如果選用(111)面作

6、為停蝕面，就可以在(100)面上刻蝕出(111)取向的硅膜。,13,2.1.2干法刻蝕,優(yōu)點：各向異性刻蝕性強；分辨率高；刻蝕3um以下線條。 類型： 等離子體刻蝕：化學性刻蝕； 濺射刻蝕：純物理刻蝕； 反應離子刻蝕（RIE）：結(jié)合、。,14,等離子體刻蝕（Plasma Etching，PE）原理,a.產(chǎn)生等離子體：刻蝕氣體經(jīng)輝光發(fā)電后，成為具有很強化學活性的離子及游離基等離子體。 b.等離子體活性基團與被刻蝕材料發(fā)生化學反應。 特點： 選擇性好； 各向異性差。 刻蝕氣體：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。,15,16,濺射刻蝕原理,a.形成能量很高的等離子體； b.等離子體轟

7、擊被刻蝕的材料，使其被撞原子飛濺出來，形成刻蝕。 特點： 各向異性好， 選擇性差。 刻蝕氣體：惰性氣體。,17,18,19,反應離子刻蝕原理,同時利用了濺射刻蝕和等離子體刻蝕機制。 特點：各向異性和選擇性兼顧。 刻蝕氣體：與等離子體刻蝕相同。 現(xiàn)代干法刻蝕工藝的理想特征是： a.離子平行入射，以產(chǎn)生各向異性； b.反應性的離子，以提高選擇性； c.高密度的離子，以提高刻蝕速率； d.低的入射能量，以減輕對硅片的損傷。,20,3、硅的表面微加工技術,硅的表面微加工是在硅基片上采用不同的薄膜沉積和刻蝕工藝，在晶片表面上形成較薄微結(jié)構(gòu)的加工技術。 微機械結(jié)構(gòu)常用薄膜材料層來制作，常用的薄膜層材料有：

8、二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃（PSG）、硅硼玻璃（BSG）、多晶硅和一些金屬薄膜（如Al、Au、Mo、W、Pt等）。 表面微加工主要使用的薄膜沉積技術：蒸鍍、濺射、化學氣相沉積等。 典型的表面微加工方法是犧牲層技術。,21,22,犧牲層技術,犧牲層技術就是在微結(jié)構(gòu)層中嵌入一層犧牲材料，在后續(xù)工序中有選擇地將這一層材料（犧牲層）腐蝕掉（也稱為釋放）而不影響結(jié)構(gòu)的本身。 目的：使結(jié)構(gòu)薄膜與襯底材料分離，得到各種所需的可變形或可動的表面微結(jié)構(gòu)。 表面微加工器件是由三種典型的部件組成：（1）犧牲層；（2）微結(jié)構(gòu)層；（3）絕緣層部分。 常用的襯底材料為單晶硅片。 結(jié)構(gòu)層材料為沉積的多晶硅、氮化硅等。 犧牲層材料多為二氧化硅。,23,犧牲層技術表面微加工的工藝步驟,（a）基礎材料，一般為單晶硅片； （b）在基板上沉積一層絕緣層作為犧牲層； （c）在犧牲層上進行光刻，刻蝕出窗口； （d）在刻蝕出的窗口及犧牲層上沉積多晶硅或其他材料作為結(jié)構(gòu)層； （e）從側(cè)面將犧牲層材料腐蝕掉，釋放結(jié)構(gòu)層，得到所需微結(jié)構(gòu)。,24,犧牲層技術表面微加工的工藝步驟,25,利用犧牲層制造硅梁的過程,26,表面微加工對所用材料的要求,（1）結(jié)構(gòu)層必須能夠保證所要求的使用性能。如電學性能、力學性能、表面特性等。 （2）犧牲層必須具有足夠的力學性能以保證在制作過程中不會引起分層或裂