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1、研究生系列课程,半导体微纳加工技术,MEMS器件及相关加工技术,主讲人：宁 瑾 赵永梅电话：82304492Email：,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,主要内容,MEMS概述MEMS相关工艺介绍MEMS器件工艺设计总结,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,- Micro-electro-mechanical-system微电子机械系统- 把信息传感、处理，机械执行机构以及其他一些微器件，按照集成电路的制造原则，以高密度，低成本的方式集成在一个微系统中。,什么是MEMS?,MEMS的主要特点,MEMS器件的优点是体积小、重量轻、性能稳定，通过IC等工艺可批量生产，成本低，性能一致性好，功耗
2、低，谐振频率高，响应时间短，综合集成度高，附加值高，具有多种能量转化、传输等功能，包括力、热、声、磁及化学、生物能等。 微机电学作为一门新兴的交叉学科，涉及到许多科学技术领域，包括机械学、电工学、电子学、化学、计算机科学、材料学、通讯、控制等方面。研究人员需要对这些学科领域有广泛的、深入的了解，微机电系统才有可能逐步走向应用。,MEMS工艺的可重复性MEMS产品性能的稳定性和可靠性MEMS产品的成品率MEMS产品的封装和测试MEMS器件与电路集成形成微系统,MEMS发展面临的机遇和挑战,惯性MEMS器件 RF MEMS器件 NEMS器件和新型材料MEMS器件,MEMS器件的发展,从科幻到现实,
3、科幻奇异的旅行内窥镜手术安全气囊微管道机器人,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,Wireless Sensor Networks,What Is MEMS? Application Areas,惯性MEMS器件在汽车业中的应用（包括微陀螺、加速度计、压力传感器）,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,MEMS 分类,What Is MEMS? Renowned Examples,Micromirror arrays for compact projectorsAccelerometers for automotive ai
4、rbagsMicromirrors for optical switchingMany others,microstructures,Texas InstrumentsDigital Micromirror Device,Analog DevicesAccelerometer,Lucent Technologys2D micromirror for optical switch,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,微型传感器,加速度传感器,Accelerometer,Sense fingers,Anchor,Proof mass,Springs,Self-t
5、est,actuators,Curl matching frame,proof mass,y,x,z,Tri-axis microstage,Thin-film z-axis accelerometer,DRIE z-axis accelerometer,微陀螺仪,J. Micromech. Microeng. 18 (2008) 115014 N-C Tsai and C-Y Sue,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,微型执行器,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,微型电磁马达,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究
6、生系列课程-半导体微纳加工技术,Electrostatic Motors,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,Hydraulic actuators,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,vaporizer,microfabricated nozzle plate with 1200 5m nozzles, using deep reactive ion etching,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,用于生物、医疗领域,微镊子,微型光学元件,微型光学元件,MEMS Variable
7、Attenuator,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,Variable Optical Attenuator,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,Latching 2x2 Fiber Optics Switch(Contract OCLI/JDS Uniphase),Fourier Transform Spectrometer,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,Fourier Transform Spectrometer,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微
8、纳加工技术,The Mars AFM-Chip,Support beam,Bonding pads,Reference resistor,1,2,Piezo-resistive levers with Si-tips (1) and diamond tips (2),support beams and reference resistor of the Mars AFM,Electrostatic Micromirror,1mm x 1mm mirror Radius of curvature: 50 mmCurled combs designed to obtain bi-direction
9、al rotationComb pairs placed to achieve differential torque and cancel z displacementZ-actuators included to adjust z-motion,anchor,anchor,Z-actuator,+,-,V,F,+,-,V,F,Critical to miniaturize discrete analog components,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,RF MEMS Resonators,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导
10、体微纳加工技术,RF MEMS Resonators,Clark NguyenU. of Michigan,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,RF MEMS Switches,Charles GoldsmithRaytheon TI Systems,MEMS Tunable Capacitors,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,RF MEMS应用领域,Sensor Chip,微型挖土机,微型苍蝇,微型飞机,微型飞机,What is MEMS?Why?How?,小 结,休息10分钟,MEMS basic technol
11、ogy,Bulk micromachining,Surface micromachining,Wet etch,Substrate,MEMS基本工艺,MEMS工艺选择,体硅加工工艺 - 直接，制备流程固定 -工艺成本低，单材料损耗高 -适于简单图形，如压力传感器、加速度计和一些执行器 -容积率小，表面尺寸大于底部尺寸表面MEMS加工工艺 -要在衬底上沉积多层结构 -工艺复杂，成本高 - 牺牲层工艺，存在应力不匹配和粘连问题 - 优点：不受Si片厚度限制，薄膜材料选择范围大，适于图形复杂的器件，如梳齿结构等。,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,MEMS工艺概
12、述,MEMS工艺与IC工艺对比,IC工艺：MOS（N、P、C、硅栅、铝栅）、双极、BiMOS。平面薄膜工艺、种类少（晶体管）、电学处理功能（处理、存储、互连等）MEMS工艺： 种类多Sensor and Actuator(力、热、光、磁、马达、泵、阀等） 工艺繁多，各有特点 强调纵向加工 有活动部件,MEMS工艺的特殊考虑,双面光刻键合及对准键合：Si/Si、Si/玻璃DRIE 体硅腐蚀工艺Au等金属工艺：连线、键合对衬底的新要求：粗糙度等厚膜淀积与刻蚀（IC：500nm, MEMS: 2微米）结构释放技术,MEMS的特殊工艺,-体硅腐蚀工艺-晶面键合工艺- 双面光刻,体硅腐蚀工艺,研究生系列
13、课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,各向异性腐蚀,对于一些特定的腐蚀液，硅单晶不同晶面腐蚀速率不同，表现出各向异性腐蚀特性。各向异性腐蚀液：KOH水溶液 邻苯二酚-乙二胺-水（EPW） 四甲基氢氧化胺水溶液（TMAHW)特点：（111）晶面腐蚀速率低,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,腐蚀液：强碱溶液如KOH。TMAH溶液。 掩蔽层：LPCVD氮化硅热氧化二氧化硅。 晶向选择 腐蚀窗口尺寸设计,Anisotropic Etch,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,各向异性圆孔形成工艺介绍,键合工
14、艺,高温硅直接键合工艺 -硅-硅、硅-二氧化硅通过高温处理直接键合。特点：高温、样品表面要求高。形成SOI样片。静电键合工艺 -金属、合金或半导体与玻璃直接键合。特点：温度、静电，样片表面要求高。为了避免结构吸附，设计时不同电极穿过划片线连接在一起，处于等电位，划片时断开。金硅共熔键合工艺 -400度左右，样片表面要求一般，额外增加工艺，键合强度一般。用途 器件支撑、封装,原理： 硼硅玻璃、磷硅玻璃在一定温度下软化，行为类似电解质，外加电压下，正离子（Na）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区，外加电压落于空间电荷区，漂移停止 如硅接阳极，玻璃接阴极，硅玻璃接触，在界面形成的负空间电荷区与硅发生化
15、学反应，形成化学键Si-O-Si，完成键合可通过检测电流监测键合是否完成,静电键合工艺,Temperature: 200C-500CEnvironment: vacuum, air and inert gasVoltage: 500-1500V,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,压力传感器制作,MEMS工艺设计考虑,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,MEMS常用材料,衬底：Si、镓砷、锗、石英、碳化硅、聚酰亚胺等。结构材料：单晶Si、多晶Si、氮化硅、氧化硅、碳化硅等。金属材料：Cr、Au、W、Ti、Al、Ni、Pt等
16、。如何选择材料： 性能参数：杨氏模量、应力、电阻率、热膨胀系数、热导率等。 淀积温度：遵循从高到低的原则。 功能材料考虑：压阻效应、压电效应、热阻效应等。,清洗工艺,C处理：大部分半导体材料 硫酸、氨水、盐酸、双氧水 有机清洗：样品表面有金属或功能材料 三氯乙烯、丙酮、无水乙醇每步工艺前都应经过严格的清洗！,光 刻（一）,对版标记设计宗旨：了解光刻原理，方便光刻人员对版。 -标记大小：非透光对版标记要略小于原对版标记，阴版对版标记要开窗口。 - 标记上方或下方写上版号。 - 第一步光刻工艺留下所有的对版标记，一般通过腐蚀得到。 - 如果第一版留下的对版标记上覆盖了较厚的薄膜，在开窗口的工艺中尽
17、量开出来。 - 对光刻工艺要求较高的细小图形，要做出相应的检验图形。,光刻（二）,背面光刻 -做版时注明为背面光刻版，镜面反相180度，左右对版标记间距要在光刻机的镜头范围之内。 台面光刻 - 样片表面高度差较大时，用到厚胶光刻工艺，设计容差增加。KOH腐蚀相关 -补偿角、划片槽（贯穿深腐蚀用虚线），对准标记要远小于正式图形。,光刻工艺考虑,光刻胶选择： -正胶、负胶、反刻胶 - 厚胶、薄胶 -金属胶、高温胶胶厚设计： -腐蚀工艺，干法刻蚀由刻蚀选择比决定， 湿法腐蚀一般1-2微米左右。 -剥离，倒台阶，金属厚度3倍金属图形化：腐蚀or剥离容差设计：光刻胶覆盖部分图形尺寸略小,腐蚀工艺,干法刻
18、蚀：图形传递精确，不受材料限制，用于释放工艺时没有粘连。但工艺成本较高，对样品表面有等离子体损伤。湿法腐蚀：普通材料有相应的腐蚀液。受材料限制，各向同性腐蚀有钻蚀，各向异性腐蚀受晶面限制，图形很难精确传递。但工艺成本较低，腐蚀选择性好。释放工艺容易出现粘连。掩模材料选择：光刻胶、氮化硅、氧化硅和金属等。腐蚀工艺选择：图形质量高，对器件其他结构影响最小。,薄膜淀积工艺,薄膜淀积 - LPCVD：高温，600度以上，薄膜致密。适于制作掩膜或结构材料。 - PECVD：低温200度-400度，薄膜疏松。 适于制作牺牲层材料或不适于高温工艺的样品。原则：工艺温度从高到低原则。材料应力低。,金属淀积工艺
19、,金属材料选择：与样品的粘附性好。 -掩膜材料，工艺淀积和腐蚀易完成。 -电极，要考虑欧姆接触还是肖特基接触。工艺手段选择： -电子束蒸发，厚，易剥离，厚度精确度稍低。 -磁控溅射，厚度控制精确，nm量级，致密，但不易剥离，受靶材限制。,工艺设计中的基本考虑,一般先从底层作起，逐步向上 工艺设计要“瞻前顾后、兼顾左右”，把器件的平面图和剖面图都画出来。选择材料要考虑后工艺是否可行，与IC工艺的兼容光刻要特别考虑台阶问题 高温工艺下的应力问题在可能的情况下尽可能使用成熟工艺,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,研究生系列课程-半导体微纳加工技术,IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems (JMEMS) Journal of Micromechanics and Microengineering Sensors and Actuators A (Physical),Relative Journals,谢 谢！,
