清华大学-集成电路制造工艺-王水弟-课件第10章MEMS技术-2

第10章MEMS技术10.1MEMS简介10.2MEMS器件加工工艺10.3MEMS器件制造实例本章内容10.4MEMS器件同微电子器件的集成10.1MEMS简介早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性（硅的杨氏模量同不锈钢差不多，硅是1.9，不锈钢是2。硅单晶的抗拉强度是6.9×105N/cm2，比不锈钢至少大三倍。），制造微型机械部件，如微传感器、微执行器等。微传感器机械类化学类磁学类生物类力学力矩位置速度加速度流量角速度(陀螺)气体成分湿度PH值离子浓度微执行器马达齿轮扬声器开关微结构器件薄膜探针弹簧微梁微腔沟道微轴锥体微光学器件微镜阵列微光扫描器微斩光器光编码器微光阀微干涉仪微光开关微透镜微电感梁式结构世界上第一个微静电马达微电子所做的微马达材料：多晶硅转子直径：120m转速：14000转/分微探针（资料来源：瑞典皇家理工学院)(300nmthick,16µmx16µm)单晶硅微镜（资料来源：德国Suss公司)Pressuresensorsforairpressure,takeinpressure,combustionroompressureSurfacemicromechanicsforangularratesensorsandaccelerationsensorsPiezoelectricairbagsensorElectronicmotorcontrolHot-filmairflowsensorMEMS——MicroelectromechanicalSystem把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片上，成为一个系统。由于具有体积小、重量轻、功耗小、性能优异、功能强大、可以批量生产等优点，因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监测、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。如微型惯性测量系统、汽车自动驾驶系统、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABS）、微流量测量微分析系统，等等。微机电系统（MEMS）集成电路制造使用的衬底材料是单晶硅，MEMS除了使用硅单晶外，还使用玻璃、塑料等材料做衬底。硅集成电路工艺中主要使用多晶硅、SiO2、Si3N4和Al等少数几种金属，MEMS制造工艺中除了上述硅集成电路工艺中常用的材料外，根据不同的器件，还大量使用其它的有机材料和金属材料。MEMS同硅集成电路的区别MEMS制造技术除了常规的硅集成电路制造工艺外，还有它特有的一些工艺技术，如：晶体各向异性湿法腐蚀、硅-硅键合技术等。硅集成电路是利用硅的电特性，所以像栅氧化层的完整性、器件的隔离、杂质的玷污等都是重要的关注点。MEMS工艺中常常要关注材料的杨氏模量、膨胀系数、屈服强度和薄膜的应力等。10.2MEMS器件加工工艺硅集成电路制造工艺中常用的薄膜淀积、光刻、氧化、扩散、外延和刻蚀等都可以用于MEMS制造工艺中，包括现在已很少使用的湿法腐蚀，在制造MEMS器件时却经常使用。采用不同的腐蚀液、不同的腐蚀方法能得到不同的形状。10.2.1体硅腐蚀技术单晶硅的各向异性腐蚀SiO2〈100〉/〈111〉的腐蚀比达400：1KOH各向异性腐蚀结构的SEM照片在硅片〈110〉面上的各向异性腐蚀——HF-HNO3-H2O溶液温度22℃时，硅腐蚀速度（μm/min）HFHNO3H2O硅腐蚀速度配方110ml30ml80ml0.7～3.0配方225ml50ml25ml40配方39ml75ml30ml7.0单晶硅的各向同性腐蚀(1)——乙二胺-邻苯二酚和水的混合液优点适用于SiO2、Si3N4、Cr及Au等多种材料作掩膜的掩蔽腐蚀。单晶硅的各向异性腐蚀(2)缺点是各向异性腐蚀速度稍小。〈100〉/〈111〉的腐蚀比是35：1。优点各向异性腐蚀速度比大，〈100〉/〈111〉的腐蚀比达400：1。——KOH-H2O溶液缺点KOH水溶液中含有碱性金属离子，与IC工艺不兼容，另外它对SiO2的腐蚀速度快，达14Å/min，所以一般采用Si3N4作掩蔽腐蚀膜。单晶硅的各向异性腐蚀(3)硅中杂质浓度的多少对腐蚀速度影响很大，特别是当硅中掺硼达2.5×1019/cm3这个临界浓度后，其腐蚀速度几乎为0（同低浓度的硅相比，腐蚀速度小几十倍）。p+区的自停止腐蚀高浓度扩散、电化学刻蚀原理腐蚀前开始腐蚀10.2.2固相键合技术两块固态材料之间不用任何粘合剂，而是通过化学键合物理作用将它们紧密地结合在一起的方法。在MEMS制造工艺中，经常要对微结构进行支撑和保护，也可实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。现在常用的键合方法有阳极键合、高温键合、静电键合等。SiSi上部硅片下部MEMS芯片氧化层硼硅玻璃表面层，如SiO2、多晶硅、氮化硅、铝。MEMS器件-硅片键合器件硅片支撑硅片外延n型5μm厚硅、轻掺杂1015/cm3键合面重掺杂硼1020/cm3(p+区)湿氧1.4μm的SiO2，其中上面刻出图形。支撑硅片同器件硅片键合SiSi两片硅片经酸洗、水冲和甩干后在1000℃干氧退火键合。SiSi腐蚀器件硅片的衬底。腐蚀p+区，剩下5μm厚外延层做器件。10.2.3LIGA技术↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓LIGA技术是利用X光射线光刻，通过电铸成形和铸塑形成深层微结构方法。可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，深度刻达1000微米。在金属衬底上旋涂几百微米的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）层，用X射线曝光。显影后得到第一级结构。X射线掩膜版PMMA金属衬底电镀金属去PMMA后得到全金属的第二级结构。将聚合物注入到第二级结构中进行模塑。把金属模子抽出后得到聚合物形成的第三级结构。金属聚合物采用LIGA工艺制作微型齿轮等零件300µm25Aspectratio:Process:Material:LIGANiFeThickness:1000mCapacitiveAccelerator-SensorLIGA-Tool:aspectratio:20smalleststructure:7µmheight:150µm（资料来源：德国JENOPTIK公司)LIGA-Tool•Material:PMMA•Height:150mm•AR:5（资料来源：德国JENOPTIK公司)Si10.2.4剥离技术剥离技术（liftoff）是光刻技术的一种特殊应用，其工艺流程如下：匀胶、曝光、显影、坚膜淀积金属层去光刻胶剥离技术的关键1.光刻胶的厚度要高于金属层的厚度；2.光刻胶的剖面呈“T”型；Si硅片位置蒸发源距离50～100cm3.淀积金属层时，金属“粒子”要“垂直”（87°～90°）淀积到硅片上。10.3MEMS器件制造实例生长SiO2腐蚀SiO2淀积多晶硅光刻简单的硅悬臂梁制作P-SiSiO2光刻多晶硅Poly-SiP-Si高浓度扩散、电化学刻蚀制作硅梁长SiO2后刻图形P-Si高浓度扩磷P-Si去SiO2P-Si选择性腐蚀以Al做牺牲层，用Si3N4膜制作电容式麦克风P-Si生长SiO2腐蚀SiO2腐蚀硅杯淀积Si3N4并光刻背孔淀积Al并光刻腐蚀AlSiO2Si3N4Al硅表面高浓度掺硼，形成p＋腐蚀自停止区长～7μm外延层单触式微开关制作外延SiSip＋长3500Å厚SiO2淀积Cr-AuSi外延Sip＋光刻SiO2Cr-AuSi外延Sip＋SiO2Cr-Au两次光刻，形成叠层露出的电极孔中镀金第一次光刻胶第二次光刻胶Si外延Sip＋SiO2Cr-Au第二次蒸发Cr-AuCr-AuSi外延Sip＋SiO2Cr-AuCr-Au第三次光刻，露出窗口露出的窗口中镀2μm金第三次光刻胶镀金去第三次光刻胶去多余的第二次Cr-Au去第二、第一次光刻胶体硅腐蚀、清洗干净SiO2Cr-AuCr-AuAu外延Sip＋Si线性运动执行器衬底上淀积SiO2，光刻后形成牺牲层。淀积Si3N4做结构层（本图中没有画衬底）Si3N4淀积PZT膜淀积金属做电极用HF蚀刻SiO2牺牲层PZT膜金属电极10.4MEMS器件同微电子器件的集成如果把MEMS器件同相关的电路集成做在一个衬底上，将大大提高器件的性能和可靠性，但是在工艺加工上有一定的难度。即使同样以硅片为衬底，如果在某些工艺上不兼容，就将给两者的集成带来困难。比如：在工艺顺序上，是先做传感器等部件还是先做IC电路？或者是交叉在一起做？麦克风同电路集成在同一个衬底上麦克风电阻器结型场效应管微电子技术已十分成熟，微机械技术相对滞后。IC制造工艺和微机械制造工艺不完全相同，即：IC和微机械在同一硅片上进行制作存在工艺兼容性的问题，如硅杯腐蚀后硅片的强度减弱，影响工艺加工，薄膜结构、悬臂结构很容易损坏。因此，要大量生产功能强大、性能可靠、价格低廉的微机电系统（MEMS）尚有难度。微机电系统（MEMS）的难点山西科泰公司的加速度传感器传感器铁电体（PZT）膜制作的微麦克风和放大器封装在同一块基板上基板微麦克风放大器外罩