MEMS工艺技术教学课件.pdf

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1、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= MEMS= MMicro icro E Electro lectro MMechanical echanical S Systemystem（美国）（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

2、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： CMP BPSG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（Bulk micromaching） 表面微机械加工工艺（Surface micromachining） Non-Si 工艺 LIGA（LIthograpie,Gavaniformung,Abformung） 其他 体硅微机械加工

3、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：IR FPAs 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 CMOS MEMS 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 Interleaved CMOS and MEMS 封装集成(System-in-Package) 2D 3D （堆叠集成） 各具优势 MEMS-first Burried Poly

4、silicon MEMs with CMP planarization And CMOS post-fabrication(after Nasby,et al, 1996) 优势：制作MEMS的时候不用考虑热预算(thermal budget) 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IC foundries 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） an integrated crystal oscillator (Nguyen,Howe,1993) Interleaved CMO

5、S and MEMS Analog Devices BiMEMS Bosch epipoly 需要拥有自己的工厂需要拥有自己的工厂 封装集成 2D 3D MEMS 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 T r e n d MEMS技术发展趋势 高性能 低成本 Analog Devices integrated Gyproscope Caliper Microfluidic Chip Optical cross- connect switch TI Digital Micromi

6、rror Device 小型化 智能化 MEMSNEMS 2D3D 集成 内容 1.1.MEMSMEMS 光刻工艺光刻工艺 1.1 1X1.1 1X 1.2 1.2 双面光刻双面光刻 2.2.MEMSMEMS 腐蚀工艺腐蚀工艺 2.1 2.1 干法刻蚀干法刻蚀 2.1.1 2.1.1 深硅刻蚀（深硅刻蚀（DRIEDRIE） 2.1.2 XeF2.1.2 XeF2 2 气相腐蚀气相腐蚀 2.2 2.2 湿法腐蚀湿法腐蚀 2.2.1 2.2.1 各向异性各向异性SiSi腐蚀腐蚀 2.2.2 2.2.2 各向同性各向同性SiSi腐蚀腐蚀 3. MEMS3. MEMS 键合工艺键合工艺 3.1 3.1

7、 晶圆键合工艺晶圆键合工艺 3.2 3.2 倒扣焊接工艺倒扣焊接工艺 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

8、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: +/-1um to +/- 2um for 1X光

9、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： h B Af 2 1 当 Af=0 100% 各向同性腐蚀 当 0(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 晶面之间的夹角 X Z y （111） 111 X y Z (110) 110 X y Z (100) 100 矢量abc 和 xyz之间的夹角计算： ),(),( cos, zyxcb

10、a zyxcbaczbyax ),(),( cos 1 ),(),( zyxcba czbyax zyxcba 100,110=45 100,111=54.74 110,111=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 ME

11、MS 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+ doping Si低的腐蚀速率 成本低 KOH： 典型配比： 250g KOH+200g Propanol+ 800g Water 温度：80 (Hotplate and stirrer) 腐蚀速率: ERSi1um/min 100, ERSiN1.4nm/hour, ERSiO22nm/min Si各向异性湿法腐蚀流程 淀积氮化硅 100nm 厚 22min，LPCVD 800 光刻 RIE 刻

12、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)SI1.4um/min Si3N40 nm/min SiO21-10nm/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 or surfactant additives to suppress bubble formation 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

13、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 Mesa Array（Smith，1995） ？ 其他Si各向异性腐蚀液 TMAH：Tetranmethyl ammonium hydroxide, 典型工艺菜单: 250ml TMAH(25wt%)+375ml H2O+22g Si dust 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,K etc) 腐蚀选择比：(10

14、0)/(111)10-35 腐蚀阻挡层: SiO2, Si3N40.05-0.25nm/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: Ethylene Diamine Pyrocatechol 典型工艺菜单: 1L ethylene diamine+160g pyrocatechol+6g pyrazine+133mL H2O 温度: 115 Carcimgenic, corrosive 腐蚀速率：(100)0.25um/min, 不稳定 可能腐蚀Al R(100)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

15、 (P+) B1020cm-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) 1-20um Si membrane, 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-

16、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

17、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 , 1-4 Torr - 设置2个循环: etch cycle腐蚀硅。 purge cycle来控制放热反应和调节反应生成物 腐蚀速率: 1-3um/min, 非等离子，各向同性 腐蚀掩蔽层: 光刻机, SiO2, Si3N4, Al, 其他金属, 刻蚀选择比: Si/Metal， Si/SiO21000, Si/Si3N4100-500 问题: 被腐蚀表面颗粒物，粗糙度10um，絮状物等。 危害: XeF2 与空气中的H2O 反应生成 Xe

18、 和 HF 降低对SiO2的选择比 降低对Si的腐蚀速率 解决办法: 腐蚀前烘烤 5min 120 保持超净间湿度小于 60% Si各向异性干法刻蚀(DRIE) Deep Reactive-Ion Etch: bosch 工艺: Inductively-Coupled Plasma 工艺中分两个主要的cycles : Etch cycle: 5-15s, SF6(SFx+) 腐蚀 Si(各向同性) Deposition cycle: 5-15s, C4F8 淀积聚合物(CF2-)n 腐蚀速率: 1.5-4um/min 腐蚀掩蔽层选择比: SiO2: 120:1 to 200:1 PR : 50

19、:1 to 100:1 侧壁垂直度: 90 2 最大深度: 1mm 问题: 粗糙度(um) Footing: 在Si/SiO2 界面发生横向钻蚀。 图形效应：腐蚀窄槽时腐蚀速率下降 应用: 主要用于 bulk micromachining. 刻蚀速率变化 解决方法 ? 腐蚀速率变化（图形效应）: 调整版图来减小大的不一致性 调节工艺参数(降低腐蚀速率） Footing 介质腐蚀终止介质腐蚀终止(buried SiO(buried SiO2 2) , ) , 高选择比高选择比 精确控制腐蚀深度精确控制腐蚀深度 问题：问题：Si/SiOSi/SiO2 2 界面侧向钻蚀界面侧向钻蚀 “footing

20、”“footing” 解决办法解决办法 ? ? “footing”“footing” 1.1.使用较高的工艺压力减少离子电荷使用较高的工艺压力减少离子电荷 NozawaNozawa ( (- -) ions ) ions 浓度增加并能中和浓度增加并能中和(+) (+) 表面表面 当腐蚀到当腐蚀到Si/Si/介质介质 界面时需要更换界面时需要更换RecipeRecipe 2.2.调节调节reciperecipe来减小过腐蚀来减小过腐蚀 SchmidtSchmidt改变改变C4F8 C4F8 流量，压力等流量，压力等., ., 来增加钝化效果和减小过腐蚀来增加钝化效果和减小过腐蚀 难难 以同时解决

21、大、小以同时解决大、小TrenchTrench的的FootingFooting问题。问题。 Footing Solutions: ? “footing” 3. 采用金属层来防止“footing” 预埋金属层来中和产生的 (+) 电荷来防止电荷在Si/介质界面聚集 预埋的金属层可以用来作为牺牲层 晶圆键合 目的： 用于微结构制作（晶圆级) 用于晶圆级封装 技术: Glass Frit bonding Fusion bonding Anodic bonding Metal-Metal bonding Others 键合材料类型: Si-Si Si-Glass Metal-Metal 选择基础: 温

22、度 漏率要求 对准精度要求 热熔融键合 用于 Si-Si 和 Si-SiO2(Glass)SDB（Si直接键合） 对键合表面的要求(问题): ultra-smooth(90时发生疏水现象 粘连问题的解决方案 设计上: 通过设计来减小液滴面积 Standoff bumps 弯月面形状图形 工艺上： 避免液相弯月面的形成 采用净化的溶剂 采用气相牺牲层释放工艺 改变表面特性来从凹的接触角到凸的接触角 涂覆teflon类的材料 采用疏水性自组装单层材料（self-assembled monolayers(SAMS) ） 粘连问题的解决方案 超临界 CO2 干燥 采用把释放的微结构放入超临界的CO2

23、中进行干燥 基本思想: 通过避免液气弯月形状来减小由于表面张力带来的粘连 处理过程: 用HF溶液腐蚀掉氧化层 用DI水清洗，但不干燥 把晶圆从水里取出放入甲醇中 把甲醇换成液态CO2 加热加压使CO2 达到临界点 降低压力从而使超临界CO2变成气态 没有毛细作用引起的粘连 干法释放： HFVHF(气相 HF) : 气体更容易进入微小的缝隙中o tiny gaps 加入乙醇可以带走湿气从而获得完全的干法释放。 应力与应变：概念 什么是应力? 应力=F/A N/m2Pa=单位面积 上受到的力 法向应力：F垂直于表面 应力成对出现：在另一面一定有一个 大小相等方向相等的应力 无净力矩 对于固体材料,

24、 MPa to GPa 应力与应变：概念 什么是应变? 应变 =长度上的分数变化=(L- L)/L=L/L unitless 微应变 1u = L/L 10-6 在弹性区域, 应变正比于应力 =E =/E unitless 其中 E 是杨氏模量 假设加入法向应力: 单轴应力 存在压缩 压缩产生(-)应变 y=(W-W)/W=W/W=-x =泊松比 unitless 范围: 0-0.5 无机固体材料： 0.2-0.3 橡皮： 0.5 应力与应变-例子 平面应力：重要的概念 平面应力区域： 应力分量 冷却到室温后会产生应力 0 1 yxx E 0 1 xyy E xy平面应力对称分布 yx 平面应

25、变分量: yx 1 1 EEE x 其中： E=双轴模量=E/(1-v) 应力与应变-例子 线性热膨胀: 热膨胀现象：当温度升高时，所有的固体都会膨 胀（体积增加） 线性热膨胀系数=T=dx/dT Kevin-1 or strain/K 备注: T 范围: 10-610-7 在3D, 得到体积热膨胀系数 实际上, T=f(T) T V V T 3 应力与应变-例子 薄膜热应力: 假设: 在温度TD淀积时无应力 冷却到温度Tr 热失配应变 衬底中的热应变(平面应变） T Tss 其中： T=TD-Tr 没有放到衬底上的薄膜中额应变 T Tffreef , 实际薄膜中的应变（薄膜附着在衬底上 ）

26、T Tsattachedf , 热失配应变（注意是双轴应变） T TsTfmismatchf , mismatchfmismatchf E , 1 (+): tension (-): compression 残余应力 在释放以后，设计不好的微结构常常 会因为残余薄膜应力造成翘曲 残余应力的来源, 薄膜生长工艺 非平衡淀积 晶粒形态发生变化 气体截留 掺杂 热应力 材料的热膨胀系数不匹配从而 在淀积完成后的冷却过程中引入 应力 退火 应力梯度 残余应力在薄膜生长方向存在变化 能导致释放的结构在薄膜生长方向 的翘曲 残余应力 张应力（张的时候产生的应力）与 压应力（压的时候产生的应力） 在张应力作

27、用下，薄膜会相对衬底 进行收缩 可能由薄膜与衬底的热膨胀系数 差异引起 悬浮的薄膜如果是通过两个锚点 与衬底相连，薄膜会被衬底拉伸而 保持平整 在压应力作用下，薄膜相对于衬底 膨胀 悬浮的薄膜如果通过两个锚点与 衬底相连，薄膜会弯曲 多晶硅的残余应力 应力与晶体结构有关（与淀积温度有关） 当温度 =600 时 淀积时是柱状晶体生长 当晶体在平面内垂直生长时会往外推相邻的原子压应力 具有正的应力梯度 退火消除多晶硅的应力 通过高温退火来控制多晶硅应力 典型的退火温度: 900-1150 晶粒边界发生移动，释放应力 可以对两边包裹氧化硅的多晶硅在退火过程中进行掺杂，如用10- 15wt.% PSG

28、来进行掺杂 快速热退火(RTA)也能控制多晶硅应力 剥离工艺 剥离工艺用于图形化难以腐蚀的材料 首先旋涂一层厚的光刻胶并进行光刻（光刻 胶厚度要大于要制作的金属厚度） 光刻胶图形呈倒梯形是最好的 金属在光刻 胶边沿是断开的 通过固化光刻胶表面来制作倒梯形光刻 胶图形 用合适的等离子体进行轰击光刻胶表 面 离子注入 采用多层光刻胶 用不影响上层光刻 胶的显影液过显影 淀积薄层金属 晶圆放入能溶解光刻胶的溶剂中，进行超声 剥离 缺点： 由于剥离的金属重新掉落到晶圆表面而严 重影响良率 电镀 电镀：电镀：采用电流在导电目标物体上涂覆一层金属 当要用到很厚的金属层时电镀工艺有用 (1um) 因为蒸发和

29、溅射工艺制作较厚的金属层时由于应力比较 大往往会发生金属剥落现象 1. 打开外部直流电源 2. 阳极的金属被氧化形成带 正电的阳离子 3. 阳离子被负电荷吸引到阴极 4. 阳离子在阴极被电子中和，金属 淀积到晶圆上 MEMS Foundry 工艺 MUMPSMUMPSMMulti-U User MMEMS P Process s MUMPS 是 the Microelectronics Center of North Carolina(MCNC)开发的，现在属于法国的MEMSCAP 是用于原型开发和批量生产的三层多晶硅表面微机械加工 工艺 是一套为多用户提供服务的较标准的工艺 8 层光刻版 $

30、4900 for 1cm2 dies MUMPS 工艺(Micromotor) Poly0: 在n(100) 硅片上淀积 PSG 退火来进行重掺杂 去除PSG LPCVD 600nm 低应力氮化硅 LPCVD 500 nm多晶硅 用POLY0光刻版光刻和RIE刻 蚀形成poly0 1st 牺牲层淀积: LPCVD 2um PSG DIMPLE: 用DIMPLE光刻版光刻 (对准 poly0) RIE 750nm 深形成dimple孔 ANCHOR 1: 用 ANCHOR1版光刻(对准 poly0) RIE 锚点孔到氮化硅表面 Poly 1: LPCVD 2um 多晶硅（不掺杂） LPCVD 2

31、00nm PSG 退火1hr 1050C 既掺杂多晶硅又减小多晶硅的残余 应力 用 POLY1 版光刻(对准anchor1) RIE 刻蚀PSG 硬掩膜 RIE 刻蚀多晶硅 2nd 牺牲层: LPCVD 750nm PSG 用 P1_P2_VIA版光刻 (对准 poly1) MUMPS 工艺(Micromotor) Anchor 2: 用ANCHOR2版光刻(对准 poly1) RIE 刻蚀锚点孔到Poly0表面 Poly 2: LPCVD 1.5um 多晶硅 LPCVD 200nm PSG 退火1hr 1050C 用Poly2版光刻形成释放窗口 ( 对准 poly1) RIE 刻蚀多晶硅 MUMPS 工艺(Micromotor) 金属化: 用Metal 光刻(对准poly2) 淀积 0.5um 金属 剥离 释放微结构: VHF 去除1st and 2nd 氧化硅 MUMPS 工艺(Micromotor)