第十章MEMS工艺技术

MEMS工艺技术欧文2013-秋季内容1.什么是MEMS?2.CMOS&MEMS的差异3.MEMS工艺分类4.MEMS技术的发展趋势什么是MEMS？MEMS=MicroElectroMechanicalSystem（美国）用MEMS技术制作的器件或系统.通过机械或机电方式工作的器件或系统.信号中至少有一个量是机械量，如位移、温度、流量、速度、加速度等。MEMS的共有的特征特征尺寸在微米量级或以下（NEMS）具有机械结构(悬浮结构）没有标准工艺.来源于IC工艺.平面工艺用于MEMS制造可以利用现有的IC工艺设备MEMS有它独特的一些工艺技术CMOS工艺技术图形转移：光刻/刻蚀离子掺杂：离子注入热扩散薄膜淀积：热氧化CVD/外延溅射/蒸发平坦化：CMPBPSG回流清洗：湿法干法结构特点：平面/无悬浮结构/纯电学信号典型的MEMS工艺Si工艺•体硅微机械加工工艺（Bulkmicromaching）•表面微机械加工工艺（Surfacemicromachining）Non-Si工艺•LIGA（LIthograpie,Gavaniformung,Abformung）•其他体硅微机械加工工艺用晶圆自身材料来制作MEMS结构优势：可用于制作大的深宽比、很厚的结构例子：压阻式压力传感器结构•双面光刻•背面腐蚀•深硅刻蚀•晶圆键合表面微机械加工工艺与IC工艺兼容例子：IRFPAs•牺牲层制作•阻挡层制作•牺牲层释放工艺LIGA优势：大深宽比结构CMOSMEMS集成多个MEMS器件和IC电路集成优势：更高的性能，更低的成本单片集成•MEMS-first•MEMS-last•InterleavedCMOSandMEMS封装集成(System-in-Package)•2D•3D（堆叠集成）各具优势MEMS-firstBurriedPolysiliconMEMswithCMPplanarizationAndCMOSpost-fabrication(afterNasby,etal,1996)优势：制作MEMS的时候不用考虑热预算(thermalbudget)缺点：•与CMOS兼容限制了材料的选择•面积较大:不易与IC堆叠集成（2D集成）MEMS-last优势：•可以利用现有ICfoundries•面积较小（更易于堆叠集成）缺点：•必须考虑热预算（热处理工艺限制）anintegratedcrystaloscillator(Nguyen,Howe,1993)InterleavedCMOSandMEMS•AnalogDevicesBiMEMS•Boschepipoly需要拥有自己的工厂封装集成2D3DMEMS封装技术器件级真空（气密）封装•体积较大•成本较高晶圆级真空（气密）封装•体积减小•成本降低芯片级真空（气密）封装•超小体积•最低的成本•更高的性能TrendMEMS技术发展趋势•高性能•低成本AnalogDevicesintegratedGyproscopeCaliperMicrofluidicChipOpticalcross-connectswitchTIDigitalMicromirrorDevice•小型化•智能化MEMSNEMS2D3D集成内容1.MEMS光刻工艺1.11X1.2双面光刻2.MEMS腐蚀工艺2.1干法刻蚀2.1.1深硅刻蚀（DRIE）2.1.2XeF2气相腐蚀2.2湿法腐蚀2.2.1各向异性Si腐蚀2.2.2各向同性Si腐蚀3.MEMS键合工艺3.1晶圆键合工艺3.2倒扣焊接工艺体微机械加工工艺基本点：结构尺寸较大，通过刻蚀Si来形成微结构光刻：•1X接触式或接近式•双面光刻腐蚀：•各向同性&各向异性•湿法&干法晶圆键合工艺•热熔融键合•阳极键合•金属-金属键合选择的基础:•特征尺寸/器件尺寸•器件结构/需要的形状•刻蚀深度和均匀性要求•表面粗糙度要求（刻蚀后的侧壁粗糙度）•与已制作的材料的兼容性考量•成本/可获得性光刻光源掩膜光刻胶曝光系统需要图形化的材料显影腐蚀光刻接触光刻•1X•Mask与晶圆直接接触•Mask每次曝光后会有所损坏•n次曝光后需要更换新的Mask接近式光刻•1X•Mask离晶圆很近•Mask不会损坏投影式光刻（步进式）•IC工厂中的主流.•Mask中的最小特征尺寸能比实际尺寸大5X或10X•Mask成本较低•Mask受热变化的影响小•Mask中颗粒的影响小，Yield较好•视场限制:20mmX20mm•可以采用曝光技巧来获得一些变化能曝光大图形对MEMS来说非常重要存在的问题:•玻璃Mask:便宜,但热膨胀系数较大.•石英:贵,但热膨胀系数小•Yield较低（颗粒的影响）光刻只有MEMS使用接触式或接近式光刻.存在的问题:•对准精度:+/-1umto+/-2umfor1X光刻•对准精度:?For混合光刻双面光刻机腐蚀：几个概念腐蚀:去除所选择材料的过程2个重要的参数:1)各向异性度:2)选择比:2种类型的腐蚀1)湿法腐蚀2)干法腐蚀各向异性度定义：hBAf21当Af=0100%各向同性腐蚀当0Af≤1各向异性腐蚀其中：B=df-d选择比定义：（AtoB）baabRERES....其中:E.R.a=材料A的腐蚀速率E.R.b=材料B的腐蚀速率钻蚀单晶硅的机械特性硬脆在达到屈服强度之前发生弹性形变•屈服强度:～7GPa•杨氏模量接近不锈钢•{100}=130GPa,{110}=169GPa,{111}=188GPa•机械特性均匀,无本征应力达到500℃仍能保持机械稳定性好的热导体热膨胀系数低高压阻系数可以用MEMS技术进行加工Si晶体结构金刚石立方型晶体结构原子密度:(111)(110)(100)Miller指数晶面:•晶面与坐标轴交点的倒数•(单个晶面){晶面族}晶向：•从原点到矢量的端点•[单个]族晶面之间的夹角XZy（111）[111]XyZ(110)[110]XyZ(100)[100]矢量[abc]和[xyz]之间的夹角计算：),,(),,,(cos,,,,zyxcbazyxcbaczbyax),,(),,(cos1),,(),,,(zyxcbaczbyaxzyxcba•θ{100},{110}=45°•θ{100},{111}=54.74°•θ{110},{111}=35.26°,90°,144.74°Si的各向异性湿法腐蚀腐蚀机理：Si+2OH-Si(OH)22++4e-4H2O+4e-4(OH)-+2H2腐蚀速率:•{110}:{100}:{111}=600:400:1•{110}和{100}晶面在表面下有2个键并且有2个悬挂键参与反应。•{111}晶面在表面下有3个键但只有1个悬挂键参与反应腐蚀速率很慢.其他：•{111}面能形成保护性氧化物•{111}面比其他面光滑很适合做光学MEMS•在腐蚀液中增加IPA能提高{111}/{100}的选择比•可以腐蚀Al,Photoresist（光刻胶）•对SiO2有一定的腐蚀性•Si3N4是较好的腐蚀阻挡层•与IC制造工艺不兼容•对P++dopingSi低的腐蚀速率•成本低KOH：典型配比：•250gKOH+200gPropanol+800gWater温度：80℃(Hotplateandstirrer)腐蚀速率:•ERSi～1um/min{100},•ERSiN~1.4nm/hour,•ERSiO2~2nm/minSi各向异性湿法腐蚀流程淀积氮化硅•100nm厚•22min，LPCVD@800℃光刻RIE刻蚀氮化硅硬掩膜去除光刻胶Si腐蚀•KOH:H2O=1:2•搅拌槽温度：@80℃•腐蚀速率:(100)SI~1.4um/minSi3N4~0nm/minSiO2~1-10nm/minPhotoresist,Al~Fast存在的问题:H2气泡导致腐蚀表面粗糙（H2气泡形成微掩膜）搅拌均匀腐蚀(111)时可以添加氧化剂orsurfactantadditivestosuppressbubbleformation钻蚀（Undercutting）{111}面形成的凹角没有受到钻蚀但{111}形成的凸角受到侧向腐蚀2个{111}面交叉露出2个悬挂键不在只是一个悬挂键参与反应腐蚀速率加快在凸角处会形成钻蚀可用于制作悬臂梁问题：得不到原设计形状凸角补偿问题目的：获得合适的角部形状解决办法:•在版图上对角部进行补偿•重硼掺杂形成腐蚀停止层MesaArray（Smith，1995）？其他Si各向异性腐蚀液TMAH：Tetranmethylammoniumhydroxide,典型工艺菜单:•250mlTMAH(25wt%)+375mlH2O+22gSidust•温度：90℃腐蚀速率：(100)~1um/min,长时间腐蚀不稳定不腐蚀Al,与IC工艺兼容(无碱金属离子Li,Na,Ketc)腐蚀选择比：(100)/(111)~10-35腐蚀阻挡层:SiO2,Si3N4~0.05-0.25nm/min重掺杂Boron腐蚀停止层,降低40X腐蚀速率高成本其他Si各向异性腐蚀液EDP:EthyleneDiaminePyrocatechol典型工艺菜单:•1Lethylenediamine+160gpyrocatechol+6gpyrazine+133mLH2O•温度:~115℃Carcimgenic,corrosive腐蚀速率：(100)~0.25um/min,不稳定可能腐蚀AlR(100)R(110)R(111)选择比：(100)/(111)~35腐蚀阻挡层:SiO2~0.2nm/min,Si3N4~0.1nm/min,Au,Cr,Ag,Cu和Ta重掺杂Boron腐蚀阻挡层,可降低腐蚀速率50X可降低B掺杂浓度与IC工艺兼容,但不容许靠近主流IC生产线。腐蚀停止目的：为了精确控制腐蚀深度.P++腐蚀停止技术（形成重掺杂B层):•Si的湿法腐蚀速率在B掺杂浓度1X1019cm-3是稳定的值•但当B掺杂浓度5X1019cm-3时腐蚀基本停止•因此可用形成重掺杂B层来精确控制腐蚀深度(P++)•[B]1020cm-3时KOH腐蚀速率可减小20-100X•可以使用气态或固体B扩散源来制作•腐蚀机理:•Si+2OH-Si(OH)22++4e-•4H2O+4e-4(OH)-+2H2•在重掺杂情况下,电子与空穴复合，从而第二个反应难以进行，减小腐蚀速率•与IC工艺不兼容•大的残余应力可能会引起硅片翘曲•应用场合:梁,悬浮膜(凸角补偿)1-20umSimembrane,脆腐蚀停止电化学腐蚀停止技术•电化学钝化：在硅片上加以足够大的阳极电势时，会在硅片表面发生氧化从而阻止腐蚀的进行。•钝化电势:在钝化电势作用下会形成薄层SiO2,钝化电势大小与p-Si和n-Si相关•基本要求：硅片一定要在阳极要产生钝化效果，一定要有电流•反向偏置的PN结满足这一要求•应用场合:•在悬浮膜中制作CMOS器件其他腐蚀停止技术:定时腐蚀介质腐蚀停止(Si3N4)Si各向同性腐蚀腐蚀机理：Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2+H2OHNO3：形成氧化层(SiO2)HF:腐蚀掉SiO2腐蚀速率与混合比例相关(0.7-7um/min)典型工艺菜单:HNA=HF+HNO3+CH3COOH腐蚀保护MEMS工艺中，当作背面腐蚀时，需要保护好正面。•使用夹具•正面淀积保护材料，腐蚀完后去除。Si各向同性干法刻蚀气相氟化氙腐蚀(XeF2)•2XeF2(g)+Si(s)2Xe(g)+SiF4(g)•工艺设置:-Xe在室温下升华.-气压,1-4Torr-设置2个循环:→etchcycle腐蚀硅。→purgecycle来控制放热反应和调节反应生成物•腐蚀速率:1-3um/min