微机电系统第三章MEMS制造技术-3

第三章MEMS制造技术3.1集成电路基本制造技术3.2体微加工技术3.3表面微加工技术3.4其他微加工技术内容提要集成电路和体微加工技术回顾3.3表面微加工主要问题表面微加工过程结构层牺牲层薄膜应力粘连应用表微加工机理：图给出了表面微加工的基本过程与体微加工相比较，表面微加工技术对于微小结构的尺寸更易控制。表面微机械加工原理简化示意图表面微加工(1)表面微加工使用的材料是一组相互匹配的结构层、牺牲层材料(2)表面微加工的特点与体微加工和键合相比较，在表面微加工中，硅片本身不被刻蚀。没有孔穿过硅片，硅片背面也无凹坑。比较两者结构尺寸可以看出表面微加工适用于微小结构件的加工，结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反应离子刻蚀（RIE）工艺。表面微加工形成的层状结构特点为微器件设计提供了较大的灵活性。在中心轴上加工转子是不可能的，而采用键合又会使工艺变得非常复杂，而表面微加工技术的另一个主要特点是可实现微小可动部件的加工。结构层牺牲层结构层和牺牲层薄膜应力影响影响薄膜应力薄膜应力薄膜应力薄膜应力粘连粘连粘连避免粘连表面微加工的应用表面微加工小结表面微加工技术的核心结构层+牺牲层应力粘连表面微加工技术一般是IC兼容的体微加工技术只有部分是IC兼容的三维MEMS结构体微加工技术表面微加工技术体微加工＋表面微加工3.4其他微加工技术键合技术封装技术LIGA体微加工技术超精密机械加工非切削加工及物种加工技术键合技术包括有阳极键合技术，硅/硅基片直接键合，其他硅一硅间接键合技术等。阳极键合又称静电键合或协助键合，具有键合温度较低，与其他工艺相容性较好，键合强度及稳定性高，键合设备简单等优点,因此,广泛应用于硅/硅基片之间的键合、非硅材料与硅材料、以及玻璃、金属、半导体、陶瓷之间的互相键合键合技术阳极静电键合的机理：在强大的静电力作用下，将二被键合的表面紧压在一起；在一定温度下，通过氧一硅化学价键合，将硅及淀积有玻璃的硅基片牢固地键合在一起.阳极键合质量控制的主要因素：在硅片上淀积玻璃的种类，硅基片的准备，键合工艺和键合设备。(1)玻璃种类对键合质量的影响(2)高质量的硅基片准备工艺(3)控制阳极键合工艺参数保证键合质量(4)键合装置对键合质量的影响1阳极键合机理阳极键合技术的应用硅/硅阳极键合的许多实例是在微电子器件中制造SOI（silicononinsulate）结构，此处介绍一种具体工艺流程，如图4.61所示。图4.61阳极键合在SOI结构中的应用（1）在第一块硅基片上用各向异性刻蚀技术刻出U型沟槽，并作氧化处理。（2）在上述氧化处理的表面上沉积100厚的多晶硅（3）将多晶硅表面磨平，抛光后再氧化。或者在此抛光的表面上溅射沉积0.5-20厚的Corning7740玻璃层。（4）选择合适的阳极键合工艺参数，将该基片与中一硅基片进行阳极键合。（5）对第一块硅片进行减薄，SOI结构基本完成，可用作专用器件的制造。硅/硅基片直接键合，又称硅的熔融键合。应用这种键合技术必须符合两个要求：抛光的两个基片表面必须紧密接触；两者界面处的硅原子能形成稳定的键。2.1硅/硅基片直接键合机理抛光清洗后的硅基片表面，一般存在一层很薄的1～6nm氧化物，以区别于热法生成的氧化物，该薄层氧化物为本征氧化物（nativeoxide）。在实际结构应用中，有的是硅/硅直接相键合，有的是硅/二氧化硅直接键合，也有的是二氧化硅/二氧化硅键合。2.2硅-硅直接键合工艺及其质量控制2硅/硅基片直接键合技术键合质量主要受键合界面处空洞存在的影响。因此要控制工艺参数对界面空洞形成及清除。（1）键合前基片表面预处理工艺（2）键合温度的控制（3）键合强度3其他硅-硅间接键合工艺硅-硅间接键合工艺还有多种，如有胶水、低温玻璃、金硅（金锡）共晶及其他金属，用合金中间层来达到键合目的。3.1金硅共晶键合金硅共晶键合的基本机理：在超大规模集成电路技术中硅芯片与基片的焊接经常使用金硅“焊锡”。金膜的厚度对键合质量有一定的影响，若金膜太薄，没有足够的共晶熔体覆盖整个键合界面，且冷却下来后，该合金是硅加金二相共晶，不太可能实现100%面积的键合。而若金膜太厚，则成本高、内应力大，对硅-硅键合的成本和质量也有影响，推荐的金膜厚度为100—1000nm。金膜共晶键合的缺点：是对空腔密封器件性能的长期稳定性，以及硅带隙结构的破环，同时当硅被金污染后，载流子的寿命急剧减小。3.2其他间接键合工艺研究较多的其他硅/硅间接键合工艺是采用具有低软化温度的玻璃作为中间层。还有一种最简单的间接键合工艺是利用各种胶水。MEMS封装MEMS封装MEMS封装MEMS封装成本占整个器件成本的70－90％密封与通道之间的矛盾体–隔离保护芯片需要隔离密封–能量和介质交换需要通道精细的结构为切割和封装带来很大的困难不同器件和不同应用需要不同的互连方式，如电、机械、流体、光学应用等封装引起的应力对MEMS器件的可靠性和性能产生大影响MEMS封装必须能够在更为恶劣的环境中生存MEMS封装MEMS封装四个工艺组成部分：LIGA掩模板制造工艺；X光深层光刻工艺；微电铸工艺；微复制工艺。LIGA掩膜板制造工艺LIGA掩模板必须能有选择地透过和阻挡X光，一般的紫外光掩模板不适合做LIGA掩模板LIGA体微加工技术表4.4LIGA掩模板的X光透光薄膜材料的性能及其优缺点LIGA技术的工艺流程需平行的X光光源。由于需要曝光的光刻胶的厚度要达到几百微米，用一般的X光光源需要很长的曝光时间。同步辐射X光光源不仅能提供平行的X光，并且强度是普通X光的几十万倍，这样可以大大缩短曝光时间。X光过渡掩模板制造工艺流程图X光深层光刻工艺（2）X光光刻胶（3）同步辐射X光曝光（4）光刻胶显影微电铸工艺目前镍的微电铸工艺比较成熟，镍较稳定，且具有一定的硬度，可用于微复制模具的制作。由于金是LIGA掩模板的阻挡层，所以，在LIGA技术中，金的微电铸技术非常重要。有些传感器和执行器需要有磁性作为驱动力，所以，具有磁性的铁镍合金的微电铸对LIGA技术也很重要。其他如银、铜等也是LIGA技术常用的金属材料。LIGA的微电铸工艺技术难点之一，是对高深宽比的深孔、深槽进行微电铸。微复制工艺由于同步辐射X光深层光刻代价较高,无法进行大批量生产，所以LIGA技术的产业化只有通过微复制技术来实现。目前微复制方法主要有两种，注塑成型和模压成型，图4.29给出了注塑成型和模压成型两种微复制方法的工作原理。其中注塑成型适用于塑料产品的批量生产，模压成型适用于金属产品的批量两种微复制方法的工作原理准LIGA技术用紫外线或激光代替同步辐射X光深层，该技术需高光敏性的光刻胶厚胶，目前利用该技术能刻出100m厚的微结构，但侧壁垂直度只有850左右，只能部分代替LIGA技术，适用于对垂直度和深度要求不高的微结构加工。图4.30给出了用紫外线光刻获得的厚60m的光刻胶及电铸出的铁镍合金微结构电镜照片。牺牲层LIGA技术在微机械制造领域，很多情况下需要制造可活动的零部件，例如微阀、微马达和微加速度计等。利用牺牲层LIGA技术可制造活动的微器件，图4.31给出了牺牲层LIGA技术工艺原理图。LIGA套刻技术LIGA技术的扩展牺牲层LIGA技术工艺原理图本章小结表面微加工技术结构层+牺牲层应力粘连三维MEMS结构的制造方法键合技术封装技术LIGA体微加工技术超精密机械加工非切削加工及物种加工技术1.MEMS制造工艺有哪两类主要技术？叙述各类技术的主要内容。2.叙述硅刻蚀的湿法技术的主要工艺流程。各向同性刻蚀的特点是什么？各向异性刻蚀的机理是什么？3.MEMS制造工艺中表面微加工的机理和特点是什么？4.为什么说键合技术是MEMS制造工艺中重要的组成部分。5.什么是阳极键合技术，其机理及阳极键合质量的影响因素。6.应用硅/硅基片直接键合技术的要求是什么？思考题