作为现代传感器重要的制造技术,MEMS工艺深刻地影响了现今传感器产业的发展。可以说,MEMS的工艺技术都是从集成电路(IC)行业借鉴而来的,特别在MEMS刚兴起时,传统IC行业的工艺设备和技术为MEMS制造提供了巨大的基础设施。比如,MEMS中使用的光刻设备,可能是为IC制造而设计的前几代设备,但设备的性能足以满足MEMS的要求,其价格却大幅降低。
MEMS芯片制造采用光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、薄膜沉积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、键合等基本工艺步骤来制造复杂三维结构的微加工技术。随着多年发展,MEMS领域也出现了一些专门的工艺,例如各向异性湿法蚀刻(anisotropic wet etching)、晶圆键合(wafer bonding)、深反应离子蚀刻(deep reactive ion etching)等,但其应用仍然仅限于 MEMS,目前来看并没反过来应用于IC行业。
一般来说,MEMS芯片制造的基本工艺包括三个关键步骤:沉积(Deposition)、图形化转移(Patterning)、蚀刻(Etching),整个过程即:①晶圆/衬底涂抹光刻胶,然后②通过对光刻胶曝光,去除非图形化部分的光刻胶,然后③用光刻胶作为掩模来蚀刻下方的材料。整个过程重复进行,直到完成微观结构。
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下文全面介绍MEMS芯片中制造的常用基本工艺,以及讨论各种工艺对MEMS芯片及传感器产品的影响,部分目录如下:
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一、沉积1、外延(Epitaxy)2、氧化(Oxidating)3、溅射(Sputtering)4、蒸发(Evaporation)5、化学气相沉积(Chemical vapor deposition)6、多晶硅(Poly silicon)的沉积7、二氧化硅(Silicon Dioxide)的沉积8、氮化硅(Silicon Nitrides)的沉积9、旋涂工艺(Spin-On)二、光刻1、掩膜版(Mask)与光刻胶(Photoresist)2、光学曝光(Exposure)3、光刻胶厚度对光刻的影响4、地形高度变化对光刻的影响5、视场(field of view)对光刻的影响6、需要双面光刻的情况三、刻蚀1、湿法刻蚀(1)湿法与干法刻蚀(2)各向同性与各向异性(3)刻蚀的三维结构(4)小结2、干法刻蚀(1)电化学蚀刻(2)等离子蚀刻与反应离子刻蚀(3)深度反应离子蚀刻(博世工艺)
来源:芯生活SEMI Businessweek
一、沉积 外延(Epitaxy)、氧化(Oxidating)、溅射(Sputtering)、蒸发(Evaporation)等属于沉积(Deposition)类别的基本工艺,也是用于沉积均匀的半导体、金属、绝缘体和聚合物层的常用技术。1、外延(Epitaxy)
外延是一种在硅晶圆上生长晶体硅(crystalline silicon)层的沉积方法,但具有不同的掺杂剂类型和浓度。外延层的厚度通常为 1 至 20 μm。它表现出与下面的晶体基板相同的晶体取向。当然,如果是在非晶材料(例如二氧化硅层)上生长时,它是多晶的。
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沉积过程中应力水平随溅射功率和腔室压力而变化,在较低功率和较高压力下出现拉伸应力(tensile stress),在较高功率和较低压力下出现压缩应力(compressive stress)。零应力沉积的理想点很难难控制。在沉积过程中加热基底有时可以用于减少薄膜应力。 许多金属,特别是金、银和铂等惰性金属,不能很好地粘附到硅、二氧化硅或氮化硅上,在沉积后或在后续处理过程中会立即剥落。一层薄薄的(5 至 20 纳米)粘合层(adhesion layer)与底层材料及其上方的金属粘合,使惰性金属能够粘附。最常见的粘附层是 Cr、Ti 和 Ti/W 合金。惰性金属必须在真空的情况下沉积在粘合层上,因为空气中的氧气会立即氧化粘合层,使其粘合效果失效。
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蒸发是一种来自相对较小体积来源的定向沉积过程。这导致大部分材料颗粒以特定角度沉积到基板上,导致台阶覆盖不良,并有角落和侧壁暴露的现象。如果需要薄膜连续性(例如,当金属是电互连时),这通常是不期望的效果。在沉积过程中旋转基板以不同角度面对源会减少这种影响。 通过蒸发沉积的薄膜往往会表现出拉伸应力,并且随着材料熔点的升高而增加。例如,蒸发的铌和铂薄膜可能具有超过 1 GPa 的拉伸应力,足以导致晶圆卷曲甚至剥离。此外,与溅射一样,许多金属必须使用粘合层。5、化学气相沉积(Chemical vapor deposition) 化学气相沉积(CVD)的工作原理是在受控气氛中引发表面化学反应,从而导致反应物质沉积在加热的基材上。与上一节的溅射相反,CVD是一种高温工艺,通常在300°C以上进行。在IC行业对用于多层电互连的高质量、薄电介质和金属薄膜的需求的推动下,CVD技术发展已大幅增长。 通过CVD沉积的常见薄膜包括多晶硅、硅氧化物和氮化物、钨、钛、钽等金属及其氮化物,以及最近的铜和低介电常数绝缘体(εr<3)。后两者正在成为IC行业中超高速电气互连的主力材料。而在MEMS领域,多晶硅、氧化硅和氮化物的CVD沉积是最常见的。
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掺杂的多晶硅薄膜的固有应力可能很大(>500MPa),应力可能是拉伸应力,也可能是压缩应力,具体取决于沉积温度。此外,薄膜厚度上通常存在应力梯度,这会导致释放后的微机械结构卷曲。所以需要在900°C或更高温度下进行退火,通过晶界的结构变化产生应力松弛,并将应力降低至微机械结构通常认为可接受的水平(<50MPa)和应力梯度。 7、二氧化硅(Silicon Dioxide)的沉积 通过在APCVD、LPCVD或PECVD反应器中使硅烷和氧气发生反应,在低于500°C的温度下沉积二氧化硅。由于与热生长氧化物的工艺(thermally grown oxide,简称热氧)相比温度较低,因此被称为低温氧化物(LTO,low-temperature oxide)。
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- 光刻胶(Photoresist)的应用,它是一种感光乳剂层;
- 光学曝光(Exposure),将掩膜版(mask)上的图像打印到光刻胶上;
- 浸入显影溶液(Developer)中,以溶解曝光后的光刻胶并使潜像可见。
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焦深(Depth of focus)是对光刻更严格的限制,特别是考虑到需要曝光较厚的光刻胶或适应晶圆上的几何高度变化。接触式和接近式系统的焦深很差,也受到菲涅尔衍射的限制。 在投影系统中,可以通过调整焦点设置来移动图像平面,但一旦固定,该平面的焦深就会限制为 ±0.5 × λ/NA^2,也就是说,焦深通常限制在几微米。投影模式的光刻系统显然是一种优越的方法,但系统的成本可能比接近模式或接触模式的系统高得多。
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KOH是迄今为止最常见的ODE。刻蚀速率通常在[100]方向给出,对应于刻蚀前沿为{110}平面。{110}面在KOH中的刻蚀速度大约是{100}面的两倍,而{111}面的刻蚀速度比{100}面慢大约100倍。后一个特征通常用于在{100}硅片上制作V形凹槽和沟槽,这些凹槽和沟槽由{111}晶面精确描绘。
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