MEMS工艺(5表面硅加工技术).ppt

MEMS工艺——面硅加工技术典型微加工工艺二、表面微加工技术硅表面微机械加工是微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种加工技术。一般来讲微机械结构常用薄膜材料层来制作常用的薄膜层材料有：多晶硅、氮化硅、氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼硅酸玻璃(BSG)和金属。表面微加工基本概念MEMS器件的加工体硅与表面微机械技术的比较牺牲层技术影响牺牲层腐蚀的因素典型牺牲层腐蚀工艺表面微加工中的力学问题界面应力2.残余应力在微机械加工中是固有的3.存在于薄膜结构中本身的应力由微加工过程中原子结构局部变化产生的例如过量掺杂会导致结构在表面微加工后产生很大的残余应力粘连解决方法表面微机械加工的特点利用牺牲层制造硅梁的过程B、局部氧化生成SiO2C、淀积多晶硅并刻微梁D、横向腐蚀形成空腔多层表面工艺1）、多晶硅材料的主要特点多晶硅材料的主要特点多晶硅材料的主要特点多晶硅材料的主要特点2）、多晶硅的淀积多晶硅的淀积典型的加工条件：温度：580C～650C压力：100～400mtorr(1Pa=7.50062×10－3torr)气体：100％硅烷（SiH4）气体流速取决于管道直径和其他条件630C多晶硅淀积速率为10nm/min温度降低淀积速率也降低。多晶硅的微结构与淀积条件有关在100％的硅烷气体压力为200torr的LPCVD淀积条件下低于580C淀积时薄膜为无定形;超过580C薄膜为多晶。当薄膜为多晶时随着温度的升高晶粒结构发生变化。600C时晶粒非常细小625C时晶粒长大形成垂直于膜面的柱状结构；随着膜厚的增加晶粒尺寸增大。晶粒的方向取决于淀积温度600～650C之间薄膜的主要方向<110>650～700C之间薄膜的主要方向<100>。3）、淀积态的薄膜应力薄膜内存在的应力梯度形成一个挠矩使细长条的微结构发生挠曲。晶体薄膜的平均应力和应力梯度受结晶方向的影响较大[110]方向应力值最大；无规取向应力值最低。4）、未掺杂薄膜的退火5）、原位掺杂原位掺杂原位掺杂原位掺杂2、二氧化硅如果掺入硼那就叫做硼硅玻璃或BSG；如果在玻璃中掺入磷和硼的混合物则常称为BPSG或低温氧化物（LTO）它具有良好的低温回流特性可使高深宽比表面结构“光洁化”或平面化。在IC工艺中SiO2是一种多用途的基本材料它通过热氧化生长和为满足不同要求采用不同工艺淀积获得。在多晶硅表面微机械中SiO2的应用主要是作为牺牲层材料另一个用途是作为多晶硅厚膜图形的刻蚀掩模或者作为传感器自身结构的一部分。二氧化硅在较大的波长范围内具有透光性这使它在许多微机械光学器件中得到应用1）二氧化硅的制备SiO2淀积（CVD）反应示例：硅烷+氧气：SiH4+O2→SiO2+2H2四乙氧基硅烷（TEOS）分解:Si（OC2H5）4→SiO2+副产物二氯甲硅烷+氧化二氮：SiCl2H2+2N2O→SiO2+2N2+2HCl在铝镀层上只能采用低温氧化（温度低于约350℃防止铝熔化）因此在这种情况下常用PECVD或硅烷LTO工艺。注：只有PECVD才能真正对应力进行任意控制也就是说可以产生拉应力、压应力或不产生应力并能兼顾其它性质。特点：低温淀积和高的HF刻蚀速率后者加快微器件脱模。典型的淀积条件不同淀积方法生成的二氧化硅性质表3、氮化硅Si3N4在可见光区透明在近中红外波段它有一定的吸收性此时其光波能量损失较大但在许可范围之内。由于氮化硅的折射率与二氧化硅不同两种材料匹配可以用来作增透膜、介质反射器和滤波器常见PECVD氮化硅淀积反应式：硅烷和N2O在Ar等离子体中：SiH4+4N2O→Si3N4+4O2+2H2O硅烷和NH3在Ar等离子体中：3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2(700-900℃）硅烷在氮等离子体中：2SiH4+N2→2SiNH+3H2LPCVD氮化硅是良好的绝缘体电阻率为1016Ω/cm电场击穿极限值为107V/cm具有良好的抗HF性能。主要应用于多晶硅表面微机械的基体绝缘。常见CVD/LPCVD氮化硅淀积反应是：3SiH4+4NH3→Si3N4+12H23SiCl2H4+4NH3→Si3N4+6HCl+6H2LPCVD和PECVD氮化硅性质比较表氮化硅是一种不活泼的致密材料它的腐蚀较为困难而且与生长技术有关。HF虽能腐蚀但即使在高温时腐蚀速率还是很慢以至于光刻胶在腐蚀过程中受到破坏。氮化硅也常做二氧化硅的覆盖层但此时不能用HF腐蚀因为他们能迅速溶解二氧化硅从而造成严重的钻蚀。4、碳化硅由于它极高的抗腐蚀和良好的机械特性碳化硅可应用在许多微机械加工中。可以用来制造能在HF中连续工作的电化学传感器也可以用来制造输送侵蚀性化学物质的密封液体管道保护带有连接金属线的标准硅压力传感器还可以用作玻璃