MEMS工艺-表面微机械加工技术ppt课件

汇报人：胡文艳时 间：2017.6.10第11章 表面微机械加工汇报人：胡文艳第11章 表面微机械加工101相关基本概念介绍相关基本概念介绍-02表面微机械加工基本工艺介绍表面微机械加工基本工艺介绍-03结构层材料和牺牲层材料的选择结构层材料和牺牲层材料的选择-04加速牺牲层刻蚀的方法加速牺牲层刻蚀的方法钻蚀释放速度的技术钻蚀释放速度的技术-05粘附机制和抗粘附的方法粘附机制和抗粘附的方法与烘干工艺相关的失效以及改进方法与烘干工艺相关的失效以及改进方法-Contents目录01相关基本概念介绍-02表面微机械加工基本工艺介绍-03结2微机械加工微机械加工微机械加工技术是加工微机械加工技术是加工微米量级微米量级机械的技术，即是为微传感机械的技术，即是为微传感 器、微执器、微执行器和微电子机械系统制作微机械部件和结构的加工技术。行器和微电子机械系统制作微机械部件和结构的加工技术。按加工类型分类按加工类型分类 体微机械加工体微机械加工表面微机械加工表面微机械加工复合微机械加工复合微机械加工按加工材料分类按加工材料分类 硅基微机械加工硅基微机械加工非硅基微机械加工非硅基微机械加工分类方法分类方法1 1基本概念基本概念在工艺中经常在工艺中经常同时使用同时使用微机械加工微机械加工技术是加工微米量级机械的技术，即是为微传3微机械加工工艺微机械加工工艺体微机械加工体微机械加工表面微机械加工表面微机械加工复合微机械加工复合微机械加工定义：能够制造附着于衬底表面附近的微结构的工艺。定义：能够制造附着于衬底表面附近的微结构的工艺。与体微机械加工不同，表面微机械加工没有移除或刻蚀与体微机械加工不同，表面微机械加工没有移除或刻蚀体衬底材料。体衬底材料。表面微机械加工的定义表面微机械加工的定义微机械加工工艺体微机械加工表面微机械加工复合微机械加工定义：4表面微机械加工和体微机械加工工艺特点：表面微机械加工和体微机械加工工艺特点：表面微机械加工表面微机械加工体微机械加工体微机械加工优点优点充分利用了现有的充分利用了现有的ICIC生产工艺，对生产工艺，对机械零部件尺度的控制与机械零部件尺度的控制与ICIC一样好一样好,因此这种技术因此这种技术和和ICIC完全兼容。完全兼容。可以相对容易地可以相对容易地 制制造造 出出大质量大质量的零部的零部 件。件。缺点缺点1.1.机械加工层越机械加工层越 多微多微 型元件的型元件的布布局局 问题问题、平面化问题平面化问题 和和减小残余减小残余应力应力 问题也更难解决。问题也更难解决。1.1.很难制造很难制造精细灵敏精细灵敏的悬挂系统。的悬挂系统。2.2.它制造的机械结构基本上都是二它制造的机械结构基本上都是二 维，因为机械维，因为机械 结构的结构的厚度完全受限厚度完全受限于沉积薄膜的厚度于沉积薄膜的厚度。2.2.由于体微机械加工由于体微机械加工工艺无法做到零部件工艺无法做到零部件的平面化布局，因此的平面化布局，因此它它不能够和微电子线不能够和微电子线 路直接兼容。路直接兼容。表面微机械加工和体微机械加工工艺特点：表面微机械加工体微机械5二、基本工艺流程二、基本工艺流程在硅片上淀积一层牺牲层在硅片上淀积一层牺牲层光刻定义图形层光刻定义图形层淀积结构层薄膜淀积结构层薄膜图形化结构层薄膜图形化结构层薄膜去除牺牲层，释放结构层去除牺牲层，释放结构层形成最终结构形成最终结构二、基本工艺流程在硅片上淀积一层牺牲层光刻定义图形层淀积结构6举例：方案一举例：方案一 微型马达基本制造工艺流程微型马达基本制造工艺流程a)a)在硅片上淀积一层牺牲层。在硅片上淀积一层牺牲层。b)b)淀积淀积多晶硅多晶硅作为结构层材料，制造作为结构层材料，制造转子转子。c)c)光刻胶作掩膜，反应离子刻蚀使图形转移到多晶硅结构层上。光刻胶作掩膜，反应离子刻蚀使图形转移到多晶硅结构层上。d)d)硅片表面沉积另一层氧化物牺牲层（材料可能与前一层不同，常选择硅片表面沉积另一层氧化物牺牲层（材料可能与前一层不同，常选择LPCVD LPCVD 二氧化硅二氧化硅）e)e)加工出与衬底相连的锚区窗口（为了制造定子，加工出与衬底相连的锚区窗口（为了制造定子，限制转子的侧向平移限制转子的侧向平移）f)f)沉积第二层结构层，该结构层通过锚区窗口与衬底相连（制造沉积第二层结构层，该结构层通过锚区窗口与衬底相连（制造定子定子）g)g)再次涂敷光刻胶用于光刻第二层结构形状。再次涂敷光刻胶用于光刻第二层结构形状。h)h)浸入浸入氢氟酸刻蚀液氢氟酸刻蚀液以除去两层牺牲层。以除去两层牺牲层。举例：方案一 微型马达基本制造工艺流程在硅片上淀积一层7方案一带来的问题：方案一带来的问题：定子定子转子转子衬底衬底1.1.转子在重力作用下很容易落在衬底上，产生转子在重力作用下很容易落在衬底上，产生大面积接触大面积接触。2.2.转子在高速转动过程中会与转子在高速转动过程中会与定子产生接触定子产生接触，产生额外的摩，产生额外的摩擦和磨损。擦和磨损。方案一带来的问题：定子转子衬底转子在重力作用下很容易落在衬底8方案二方案二 微型马达制造工艺流程改进微型马达制造工艺流程改进和方案一最主要的不同之处是第二层结构层和方案一最主要的不同之处是第二层结构层(定子定子)的材料用的材料用氮化硅氮化硅取代了多晶硅取代了多晶硅。产生的问题：转子和衬底产生的问题：转子和衬底仍有可能粘连仍有可能粘连，但接触的可能性，但接触的可能性减小减小到微小的凸到微小的凸点上。点上。淀积第二淀积第二层结构层结构方案二 微型马达制造工艺流程改进和方案一最主要的不同之9方案三方案三 微型马达制造工艺流程改进微型马达制造工艺流程改进为了解决上述由于转子和定子的接触而产生额外摩擦问题，这里采用为了解决上述由于转子和定子的接触而产生额外摩擦问题，这里采用氮化硅氮化硅作为接触面以降低转子和定子间的摩擦系数。作为接触面以降低转子和定子间的摩擦系数。定子的侧壁具有定子的侧壁具有摩擦控制层，底槽区域内沉积的氮化硅摩擦控制层，底槽区域内沉积的氮化硅可以防止定子落到衬可以防止定子落到衬底表面。底表面。方案三 微型马达制造工艺流程改进为了解决上述由于转子和10工艺材料选择标准：工艺材料选择标准：理想工艺规则：理想工艺规则：1.1.将将结构层结构层淀积在淀积在牺牲层牺牲层上时，不能导致上时，不能导致牺牲层牺牲层熔化、溶解、开裂、熔化、溶解、开裂、分解、变得不稳定或其他形式毁坏。分解、变得不稳定或其他形式毁坏。2.2.用于用于结构层结构层图形化的工艺不能破坏图形化的工艺不能破坏牺牲层牺牲层和和衬底上已有的其他薄层衬底上已有的其他薄层。3.3.用于除去用于除去牺牲层牺牲层的工艺不能侵蚀、溶解、损坏的工艺不能侵蚀、溶解、损坏结构层和衬底结构层和衬底。多重结构层和牺牲层规则（如前述微型马达工艺流程）：多重结构层和牺牲层规则（如前述微型马达工艺流程）：1.1.淀积的淀积的材料层材料层不能破坏其不能破坏其底层材料底层材料。2.2.牺牲层牺牲层刻蚀工艺中不能破坏硅片上的刻蚀工艺中不能破坏硅片上的其他任何材料其他任何材料。3.3.将将牺牲层或者结构层牺牲层或者结构层图形化的任何工艺过程，不能刻蚀损坏现存硅图形化的任何工艺过程，不能刻蚀损坏现存硅片上的片上的其它层材料其它层材料。三、结构层材料和牺牲层材料三、结构层材料和牺牲层材料工艺材料选择标准：理想工艺规则：多重结构层和牺牲层规则（如前11上述原则适用于上述原则适用于LPCVDLPCVD材料，而在使用其他材料时，还要考虑一些其材料，而在使用其他材料时，还要考虑一些其他因素：他因素：1.1.刻蚀速率和刻蚀选择性。刻蚀速率和刻蚀选择性。2.2.可达到的薄膜厚度。可达到的薄膜厚度。3.3.材料的沉积温度。材料的沉积温度。4.4.结构层本征内应力。结构层本征内应力。5.5.表面光滑度。表面光滑度。6.6.材料和工艺的成本。材料和工艺的成本。Q&AQ&A：这个比值应该尽可能的大还是小？：这个比值应该尽可能的大还是小？在进行牺牲层刻蚀时，有一个重要的参数：即在进行牺牲层刻蚀时，有一个重要的参数：即刻蚀选择性刻蚀选择性=刻蚀剂对刻蚀剂对牺牲层牺牲层的刻蚀速率的刻蚀速率刻蚀剂对刻蚀剂对结构层结构层的刻蚀速率的刻蚀速率上述原则适用于LPCVD材料，而在使用其他材料时，还要考虑一12理想情况下，较高的牺牲层刻蚀速率理想情况下，较高的牺牲层刻蚀速率r rsasa意味着完成牺牲层刻蚀过程意味着完成牺牲层刻蚀过程的时间减少。的时间减少。如果两种备选方案具有相同的刻蚀选择性，那么如果两种备选方案具有相同的刻蚀选择性，那么具有较高牺牲层刻蚀具有较高牺牲层刻蚀速率速率r rsasa的方案更受青睐的方案更受青睐。如果其中的一种方案对牺牲层的刻蚀速率较慢但是比另一种方案的刻如果其中的一种方案对牺牲层的刻蚀速率较慢但是比另一种方案的刻蚀选择性高，那么在选择方案时应考虑其他因素。蚀选择性高，那么在选择方案时应考虑其他因素。综上，可以看出，综上，可以看出，刻蚀选择性应当尽可能地大。刻蚀选择性应当尽可能地大。刻蚀选择性刻蚀选择性=理想情况下，较高的牺牲层刻蚀速率rsa意味着完成牺牲层刻蚀过13实际中广泛应用到的结构层和牺牲层材料的淀积方法是化学气相沉积（实际中广泛应用到的结构层和牺牲层材料的淀积方法是化学气相沉积（CVDCVD），根），根据提供能量不同有如下分类：据提供能量不同有如下分类：能量仅由能量仅由热能热能提供且提供且反应在反应在低压低压中进行中进行低压化学气相沉积低压化学气相沉积（LPCVDLPCVD）能量由等离子能源提供能量由等离子能源提供等离子体增强化学等离子体增强化学气相沉积（气相沉积（PECVDPECVD）LPCVDLPCVD沉积腔（多个沉积腔（多个温度区用于提高材料温度区用于提高材料生长的均匀性）生长的均匀性）结构层和牺牲层材料的制备方法结构层和牺牲层材料的制备方法实际中广泛应用到的结构层和牺牲层材料的淀积方法是化学气相沉积14在在MEMSMEMS中应用的中应用的LPCVDLPCVD材料主要有三种：多晶硅、氮化硅和二氧化硅：材料主要有三种：多晶硅、氮化硅和二氧化硅：除除LPCVDLPCVD外的其外的其他方法他方法：PECVDPECVD硅、氧化硅、氮化硅硅、氧化硅、氮化硅溅射溅射多晶硅多晶硅LPCVDLPCVD材料材料反应反应温度温度化学反应化学反应方程式方程式其他性质及其他其他性质及其他多晶硅多晶硅580580 620620SiH4=Si+2H2SiH4=Si+2H2保形性保形性保形覆盖的目的是覆盖三维结构的图形保形覆盖的目的是覆盖三维结构的图形应力应力对于螺母结构：会引起扣住的现象对于螺母结构：会引起扣住的现象对于悬臂梁结构：厚度方向的梯度应力会引起形变对于悬臂梁结构：厚度方向的梯度应力会引起形变刻蚀速率刻蚀速率在氢氟酸刻蚀牺牲层时的低刻蚀速率在氢氟酸刻蚀牺牲层时的低刻蚀速率氮化硅氮化硅8008003SiH4+4NH33SiH4+4NH3=Si3N4+24H=Si3N4+24H绝缘的电解质，具有本征张应力。绝缘的电解质，具有本征张应力。二氧化硅二氧化硅500500SiH4+O2SiH4+O2=SiO2+2H2=SiO2+2H2附加的磷化氢气体掺入附加的磷化氢气体掺入LTOLTO（低温氧化硅，即没有被掺杂的二氧化（低温氧化硅，即没有被掺杂的二氧化硅），可生成磷硅玻璃（硅），可生成磷硅玻璃（PSGPSG），掺入磷原子可加速二氧化硅在氢），掺入磷原子可加速二氧化硅在氢氟酸中的刻蚀速率。氟酸中的刻蚀速率。在MEMS中应用的LPCVD材料主要有三种：多晶硅、氮化硅和15其他表面微机械加工材料与工艺：其他表面微机械加工材料与工艺：其他材料及其优点：其他材料及其优点：锗硅及多晶锗：锗硅及多晶锗：1.1.较低的加工温度（多晶硅较低的加工温度（多晶硅580580，锗硅工艺温度只有，锗硅工艺温度只有450450）2.2.与多晶硅相比，锗硅的生长速率更高。与多晶硅相比，锗硅的生长速率更高。聚合物及金属薄膜：聚合物及金属薄膜：1.1.在更低的温度下加工。在更低的温度下加工。2.2.采用更简单的设备进行沉积。采用更简单的设备进行沉积。其他工艺其他工艺对于聚合物材料：对于聚合物材料：旋涂、汽相涂覆、喷涂和电镀。旋涂、汽相涂覆、喷涂和电镀。对于金属元素：对于金属元素：蒸发及溅射：沉积薄金属膜（小于蒸发及溅射：沉积薄金属膜（小于1m1m）电镀：制造厚金属膜（大于电镀：制造厚金属膜（大于2m2m）其他表面微机械加工材料与工艺：其他材料及其优点：其他工艺16四、四、加速牺牲层刻蚀的方法加速牺牲层刻蚀的方法 钻蚀释放速度的技术钻蚀释放速度的技术方法一：方法一：以上图磁执行器为例，每个板由两个悬臂梁支撑，板上的四个刻蚀孔使得牺牲层钻蚀不但可以在板以上图磁执行器为例，每个板由两个悬臂梁支撑，板上的四个刻蚀孔使得牺牲层钻蚀不但可以在板的的边缘边缘发生，而且可以在其发生，而且可以在其内部内部进行。这种方法可以大大减少刻蚀所需时间。进行。这种方法可以大大减少刻蚀所需时间。右图为刻蚀孔的显微照片。大多数情况下，刻蚀孔应当比较小，以免在器件工作时产生不良影响。右图为刻蚀孔的显微照片。大多数情况下，刻蚀孔应当比较小，以免在器件工作时产生不良影响。四、加速牺牲层刻蚀的方法方法一：17方法二：改变刻蚀方法和刻蚀材料方法二：改变刻蚀方法和刻蚀材料在某些应用中，刻蚀孔对器件性能有一定的影响。例如，在某些应用中，刻蚀孔对器件性能有一定的影响。例如，光反射器上的刻蚀孔光反射器上的刻蚀孔不但会降低反射系数不但会降低反射系数，而且会导致，而且会导致衍射衍射的发生。所以除此方法外，据研究表明，以下材料具有非常的发生。所以除此方法外，据研究表明，以下材料具有非常快的刻蚀速率和很高的刻蚀选择性：快的刻蚀速率和很高的刻蚀选择性：1.1.树状聚合物，例如超分支聚合物。树状聚合物，例如超分支聚合物。2.2.氧化锌薄层。氧化锌薄层。若牺牲层是金属，可通过加偏压使其在电解液中溶解的方法来加若牺牲层是金属，可通过加偏压使其在电解液中溶解的方法来加速钻蚀。速钻蚀。使用自组装的单分子层来释放大面积的微器件而不需要采用化学使用自组装的单分子层来释放大面积的微器件而不需要采用化学湿法刻蚀。湿法刻蚀。这些孔可以使其下的牺牲层被快速移除而不需要借助大尺寸的刻这些孔可以使其下的牺牲层被快速移除而不需要借助大尺寸的刻蚀孔。因为孔尺寸达到纳米量级，所以它们对器件的工作影响很蚀孔。因为孔尺寸达到纳米量级，所以它们对器件的工作影响很小。小。方法二：改变刻蚀方法和刻蚀材料在某些应用中，刻蚀孔对器件性能18五、粘附机制和抗粘附的方法五、粘附机制和抗粘附的方法 与烘干工艺相关的失效以及改进方法与烘干工艺相关的失效以及改进方法牺牲层去除常常采用化学溶剂来完成，因为其刻蚀速率高，设备简单刻蚀选择性好。牺牲层去除常常采用化学溶剂来完成，因为其刻蚀速率高，设备简单刻蚀选择性好。它常需要采用自然蒸发或强制蒸发的后处理方法对圆片和芯片进行干燥。具体情况如它常需要采用自然蒸发或强制蒸发的后处理方法对圆片和芯片进行干燥。具体情况如下图。下图。化学容器化学容器悬臂梁悬臂梁液态刻蚀溶液液态刻蚀溶液被困液体被困液体表面张力表面张力随着液体通过蒸发的方式被去除，微结构顶部表面随着液体通过蒸发的方式被去除，微结构顶部表面最先被暴露在空气中。最先被暴露在空气中。困在悬臂梁微结构下的液体困在悬臂梁微结构下的液体需要更多的时间去除。需要更多的时间去除。表面张力作用在液体和空气的界面上，对于大尺寸表面张力作用在液体和空气的界面上，对于大尺寸器件而言，表面张力作用可以忽略并且不会造成显器件而言，表面张力作用可以忽略并且不会造成显著的变形。著的变形。但是，由于但是，由于微尺寸器件微尺寸器件常常采用柔性材料常常采用柔性材料并包含微小的间隙，并包含微小的间隙，表面张力能够使表面微结构产生表面张力能够使表面微结构产生显著的变形，常常会造成微结构与衬底相接触。显著的变形，常常会造成微结构与衬底相接触。五、粘附机制和抗粘附的方法牺牲层去除常常采用化学溶剂来完成，19悬浮结构与衬底的接触会导致悬浮结构与衬底的接触会导致不可逆不可逆的损坏。一旦接触，强大的的损坏。一旦接触，强大的分子力（分子力（例如范例如范德华力）会加强悬浮结构和衬底间的吸引。另外，由于存在新的反应副产品，很德华力）会加强悬浮结构和衬底间的吸引。另外，由于存在新的反应副产品，很可能会产生可能会产生固体桥接固体桥接。微结构的这种失效模式称为微结构的这种失效模式称为粘附粘附(stiction)(stiction)。粘附粘附(stiction)=(stiction)=粘连粘连(sticking)(sticking)摩擦摩擦(friction)(friction)解决粘附问题的方法均源于以下四种途径之一：解决粘附问题的方法均源于以下四种途径之一：1.1.改变固体与液体界面的化学性质以减小毛细吸引力。改变固体与液体界面的化学性质以减小毛细吸引力。2.2.防止产生过大的结合力，如提高溶液温度或减少表面接触面积。防止产生过大的结合力，如提高溶液温度或减少表面接触面积。3.3.采用各种形式的能量输入释放粘附在衬底上的结构，这些方法采用各种形式的能量输入释放粘附在衬底上的结构，这些方法可以局部进行也可以整体进行。可以局部进行也可以整体进行。4.4.为机械结构提供反向力以防止其相互接触，如利用本征应力引为机械结构提供反向力以防止其相互接触，如利用本征应力引起的弯曲现象。起的弯曲现象。下面详细介绍利用上述途径的两种典型方法。下面详细介绍利用上述途径的两种典型方法。悬浮结构与衬底的接触会导致不可逆的损坏。一旦接触，强大的分子20方法一：超临界流体烘干方法一：超临界流体烘干可以防止液体与空气界面处出现反向表面张力，超临界相出现在可以防止液体与空气界面处出现反向表面张力，超临界相出现在高温高压高温高压的环境下。下图为的环境下。下图为超临界相技术的典型烘干工艺。超临界相技术的典型烘干工艺。1231 1、将带有释放微结构的芯片浸、将带有释放微结构的芯片浸入液体中并置于合适的压强和室入液体中并置于合适的压强和室温下。温下。初始状态初始状态在相图中用在相图中用点点1 1表示。表示。2 2、增加液体的温度并保持压强、增加液体的温度并保持压强不变，溶剂从液相转变为不变，溶剂从液相转变为超临超临界相（点界相（点2 2）3 3、降低超临界相流体的压力，、降低超临界相流体的压力，使得超临界流体转变为使得超临界流体转变为汽相汽相（点（点3 3）优点：从液相转变为超临界相以及从超临界相转变为汽相的过程中优点：从液相转变为超临界相以及从超临界相转变为汽相的过程中不存在表面张力不存在表面张力。方法一：超临界流体烘干1231、将带有释放微结构的芯片浸入液21方法二：采用疏水涂层方法二：采用疏水涂层在微结构和衬底上采用疏水涂层可以在微结构和衬底上采用疏水涂层可以降低结合能降低结合能，从而降低粘附。，从而降低粘附。表面覆盖一层自组装的长链分子，这种长链分子叫做单层疏水自组表面覆盖一层自组装的长链分子，这种长链分子叫做单层疏水自组装。装。除了用于防粘附涂层外，疏水表面处理还可以应用于其他领域。除了用于防粘附涂层外，疏水表面处理还可以应用于其他领域。例如：例如：采用疏水的图形化区域采用疏水的图形化区域降低了表面结合能降低了表面结合能，就可以不采用牺牲，就可以不采用牺牲层湿法刻蚀便从模具中提起圆片级尺度的器件；层湿法刻蚀便从模具中提起圆片级尺度的器件；局部疏水处理可以使小部件按照局部疏水处理可以使小部件按照自组织方式自组织方式进行自动组装。进行自动组装。方法二：采用疏水涂层在微结构和衬底上采用疏水涂层可以降低结合2201相关基本概念介绍相关基本概念介绍-02表面微机械加工基本工艺介绍表面微机械加工基本工艺介绍-03结构层材料和牺牲层材料的选择结构层材料和牺牲层材料的选择-04加速牺牲层刻蚀的方法加速牺牲层刻蚀的方法钻蚀释放速度的技术钻蚀释放速度的技术-05粘附机制和抗粘附的方法粘附机制和抗粘附的方法与烘干工艺相关的失效以及改进方法与烘干工艺相关的失效以及改进方法-本章小结：本章小结：（以微型马达基本制造工艺流程为例，三种方法的改进）（以微型马达基本制造工艺流程为例，三种方法的改进）（微机械加工、表面微机械加工、分类方法、表面微机械加工和体微机械比较）（微机械加工、表面微机械加工、分类方法、表面微机械加工和体微机械比较）（工艺材料选择标准、结构层和牺牲层材料的制备方法）（工艺材料选择标准、结构层和牺牲层材料的制备方法）（刻蚀孔、改变刻蚀方法和刻蚀材料等）（刻蚀孔、改变刻蚀方法和刻蚀材料等）（超临界流体烘干、采用疏水涂层等）（超临界流体烘干、采用疏水涂层等）01相关基本概念介绍-02表面微机械加工基本工艺介绍-03结23MEMS工艺-表面微机械加工技术ppt课件24