Chapter 3 micro-fabrication中文 (2).ppt

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1、Chapter3MEMSTechnologiesThreedominantMEMSfabricationtechnologies—philosophicallydifferentintheirapproach—arecurrentlyinuse:•LIGA•Bulkmicromachining•Sacrificialsurfacemicromachining3.1Bulkmicromachining硅刻蚀方法：干法和湿法刻蚀方向选择性：各向同性和各向异性刻蚀材料选择性：选择性刻蚀或非选择性刻蚀选择方法：晶向和掩模多种刻蚀技术的应用：体硅工艺（三维

2、技术），表面硅工艺（准三维技术）湿法刻蚀湿法刻蚀——“湿”式刻蚀方法，基于溶液状态的刻蚀剂。湿法刻蚀工艺特点：设备简单，操作简便，成本低可控参数多，适于研发受外界环境影响大浓度、温度、搅拌、时间有些材料难以腐蚀湿法刻蚀——方向性各向同性刻蚀——刻蚀速率在不同方向上没有差别各向异性刻蚀——对不同的晶面的刻蚀速率有明显差别利用各向异性刻蚀特性，可以刻蚀出各种复杂的结构。各向异性刻蚀和各向同性刻蚀一、硅的各向异性刻蚀是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向刻蚀速率不同的特性，使用抗蚀材料作掩膜，用光刻、干法刻蚀和湿法刻蚀等手段制作掩膜图形后进行的较大深度的刻蚀。机

3、理：刻蚀液发射空穴给硅，形成氧化态Si+，而羟基OH-与Si+形成可溶解的硅氢氧化物的过程。硅的各向异性腐蚀技术各向异性(Anisotropy)各向异性刻蚀液通常对单晶硅(111)面的刻蚀速率与(100)面的刻蚀速率之比很大（1：400）各向异性刻蚀的特点：刻蚀速率比各向同性刻蚀慢，速率仅能达到1um/min刻蚀速率受温度影响在刻蚀过程中需要将温度升高到100℃左右，从而影响到许多光刻胶的使用各向异性刻蚀液刻蚀液：无机刻蚀液：KOH,NaOH,LiOH,NH4OH等；有机刻蚀液：EPW、TMAH(四甲基氢氧化铵)和联胺等。常用体硅刻蚀液：氢氧化钾

4、(KOH)系列溶液；EPW(E：乙二胺，P：邻苯二酚，W：水)系列溶液。乙二胺(NH2(CH2)2NH2)邻苯二酚(C6H4(OH)2)水(H2O)（1）KOHsystemKOH是目前在微机电领域中最常使用的非等向蚀刻液，为一碱金属之强碱蚀刻液，其金属杂质会破坏CMOS的氧化层电性，所以不兼容于IC制程；但因其价格低廉、溶液配制简单、对硅(100)蚀刻速率也较其它的蚀刻液为快，更重要的是操作时稳定、无毒性、又无色，可以观察蚀刻反应的情况，是目前最常使用的蚀刻液之一。溶剂：水，也有用异丙醇(IPA)溶液：20%-50%KOH温度：60–80ºC速率

5、：~1um/分钟特点：镜面，易于控制，兼容性差（1）KOHsystemEPW[NH2(CH2)2NH2乙二胺，C6H4(OH2)2(邻苯二酚)，H2O]特点：蒸气有毒，时效较差，选择性好（2）EPWsystemEPW刻蚀条件刻蚀温度：115℃左右反应容器在甘油池内加热，加热均匀；防止乙二胺挥发，冷凝回流；磁装置搅拌，保证腐蚀液均匀；在反应时通氮气加以保护。掩膜层：用SiO2，厚度4000埃以上。(3)TMAH(四甲基氢氧化铵)四甲基氢氧化铵为有机、无色之水溶液，原本为半导体制程中正胶的显影液，但目前亦应用于蚀刻制程中。TMAH的毒性低为其最大优点

6、，对于SiO2及SiN等介电材料蚀刻率低；对于Ti和Al有明显的蚀刻，在蚀刻组件前需加入适当的硅粉末，降低对铝的蚀刻率，亦可加入酸来降低蚀刻液的pH值，如酸与铝会发生化学反应生成硅铝酸盐，硅铝酸盐对蚀刻液有较好的抵抗能力，可以保护铝材的电路。TMAH的蚀刻反应过程会因操作参数不同而有极大的差异，且长时间蚀刻蚀刻液亦不稳定。此外，适用于硅微加工的高浓度TMAH(>15%)价格高昂，都是无法广泛应用的原因。刻蚀设备刻蚀设备硅和硅氧化物典型的刻蚀速率材料腐蚀剂腐蚀速率硅在<100>晶向KOH0.25-1.4m/min硅在<100>晶向EPW0.75

7、m/min二氧化硅KOH40-80nm/h二氧化硅EPW12nm/h氮化硅KOH5nm/h氮化硅EPW6nm/h影响刻蚀质量因素晶格方向刻蚀溶液的选择刻蚀溶液的浓度刻蚀时间操作温度温度搅拌方式二、各向同性刻蚀硅的各向同性刻蚀在半导体工艺中以及在微机械加工技术中有着极为广泛的应用。常用的刻蚀液为HF-HNO3加水或者乙酸系统。刻蚀机理为：首先是硝酸同硅发生化学反应生成SiO2，然后有HF将SiO2溶解。优点：无尖角，较低应力、刻蚀速度快、可用光刻胶掩膜目前主要的各向同性刻蚀液为：NHA和HNWH：氢氟酸(HF)N：硝酸(HNO3)A：乙酸(CH3C

8、OOH)W:Water三、自停止刻蚀技术(Etchstops)机理：EPW和KOH对硅的刻蚀在掺杂浓度小于11019cm-3时基本为常