微机电系统设计与制造第4章.pptx
《微机电系统设计与制造第4章.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《微机电系统设计与制造第4章.pptx(57页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第四章制造技术第四章制造技术MEMS 的的4.1.1.蚀的湿法技术蚀的湿法技术 硅刻腐硅刻腐 EMS中的体微加工的硅体刻蚀湿法技术原理介绍如下:中的体微加工的硅体刻蚀湿法技术原理介绍如下:硅表面上的点便作为随机分布的局部区域的阳极与阴硅表面上的点便作为随机分布的局部区域的阳极与阴极。由于这些局部区域化电解电池的作用,硅表面发极。由于这些局部区域化电解电池的作用,硅表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流,一般超过生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流,一般超过100A/cm2。硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液所含的杂质、腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附所含的
2、杂质、腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附过程等因素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大过程等因素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大的影响。的影响。用于这种化学腐蚀的化学试剂很多,常用的有用于这种化学腐蚀的化学试剂很多,常用的有HF-HNOHF-HNO3 3(氢氟酸氢氟酸-硝酸硝酸)腐蚀系统(各向同性腐蚀),腐蚀系统(各向同性腐蚀),第四章制造技术第四章制造技术MEMS 的的KOHKOH、EDPEDP腐蚀系统(各向异性腐蚀)。腐蚀系统(各向异性腐蚀)。对于对于HF-HNOHF-HNO3 3和和H H2 2O O(或(或CHCH3 3COOH COOH 乙酸)腐蚀系统,硅乙酸)腐蚀系统,硅腐蚀
3、的机理是,首先硅表面的阳极反应为腐蚀的机理是,首先硅表面的阳极反应为 Si+2h+Si2+(4-1)这这里里h+表表示示空空穴穴即即Si得得到到空空穴穴后后原原来来的的状状态态升升至至较较高高的氧化态。腐蚀液中的水解离发生下述反应:的氧化态。腐蚀液中的水解离发生下述反应:H2O=(OH)-+H+(4-2)Si+与(与(OH)结合为:)结合为:Si2+2(OH)-Si(OH)2 (4-3)接着接着Si(OH)2放出放出H2并形成并形成SiO2,即,即Si(OH)2 SiO2+H2 (4-4)由由于于腐腐蚀蚀液液中中存存在在HFHF,所所以以O O2 2立立即即与与HFHF反反应应,反反应应式为式
4、为SiOSiO2 2+6HF H+6HF H2 2SiFSiF6 6+2 H+2 H2 2O (4-5)O (4-5)早早期期研研究究结结果果表表明明,对对于于KOHKOH(氢氢氧氧化化钾钾)、H H2 2O O和和(CHCH3 3)2 2CHOHCHOH(异丙醇,即(异丙醇,即IPAIPA)腐蚀系统,硅的)腐蚀系统,硅的腐蚀机理的反应式如下:腐蚀机理的反应式如下:KOH+HKOH+H2 2O=KO=K+2OH+2OH-+H+H+(4-6)(4-6)Si+2OHSi+2OH-+4 H+4 H2 2O Si(OH)O Si(OH)2-2-(4-7)(4-7)即首先将硅氧化成含水的硅化合物,结合反
5、应如下式即首先将硅氧化成含水的硅化合物,结合反应如下式表示:表示:(4-8)(4-8)络合物络合物 络合物络合物 由上述反应方程可知,首先由上述反应方程可知,首先KOHKOH将硅氧化成含水将硅氧化成含水的硅化合物,然后与异丙醇反应,形成可溶解的硅,的硅化合物,然后与异丙醇反应,形成可溶解的硅,这样络合物不断离开硅的表面。水的作用是为氧化这样络合物不断离开硅的表面。水的作用是为氧化过程提供过程提供OHOH-。硅无论是在硅无论是在HF-HNOHF-HNO3 3腐蚀系统中,还是在腐蚀系统中,还是在KOHKOH腐腐蚀系统中,其腐蚀过程既可受反应速率限制,也可受蚀系统中,其腐蚀过程既可受反应速率限制,也
6、可受扩散限制扩散限制 .如果腐蚀取决于化学反应速率,这种过程称为反应速如果腐蚀取决于化学反应速率,这种过程称为反应速率限制。如果腐蚀剂通过扩散转移到硅片表面的则称率限制。如果腐蚀剂通过扩散转移到硅片表面的则称为扩散限制。与反应速率限制过程相比,扩散限制过为扩散限制。与反应速率限制过程相比,扩散限制过程活化能较低,所以它对温度变化较为敏感程活化能较低,所以它对温度变化较为敏感.如果在如果在腐蚀过程中腐蚀条件发生变化,例如温度和腐蚀液的腐蚀过程中腐蚀条件发生变化,例如温度和腐蚀液的化学成分发生变化,将会改变速率限制化学成分发生变化,将会改变速率限制 。整个过程决定单晶腐蚀的其他因素包括:晶体取向、
7、导整个过程决定单晶腐蚀的其他因素包括:晶体取向、导电类型、掺杂原子浓度、晶格损伤以及表面结构。电类型、掺杂原子浓度、晶格损伤以及表面结构。如果在单晶硅各个方向上的腐蚀速率是均匀的称为各如果在单晶硅各个方向上的腐蚀速率是均匀的称为各向同性刻蚀,而腐蚀速率取决于晶体取向的则称为各向向同性刻蚀,而腐蚀速率取决于晶体取向的则称为各向异性腐蚀。异性腐蚀。在一定的条件下腐蚀具有一定的方向跃居第在一定的条件下腐蚀具有一定的方向跃居第一,是硅单晶片腐蚀过程中的重要特征之一。一,是硅单晶片腐蚀过程中的重要特征之一。4.1.2 硅体的各向同性刻蚀 硅体的各向同性刻蚀在MEMS制造中有着极为广泛的应用.而硅的各向同
8、性腐蚀最常用的腐蚀液为HF-HNO3加水或者乙酸系统(通常称为HNA系统)HNAHNA系统中,其腐蚀机理:硝酸硅发生氧化反应生成系统中,其腐蚀机理:硝酸硅发生氧化反应生成二二氧氧化化硅硅然然后后由由HFHF将将二二氧氧化化硅硅溶溶解解,其其反反应应式式Si+HNOSi+HNO3 3+HF=H+HF=H2 2SiFSiF6 6+HNO+HNO2 2+H+H2 2O+HO+H2 2 (4-10)(4-10)在这种腐蚀系统中,水和乙酸(在这种腐蚀系统中,水和乙酸(CHCH3 3COOHCOOH)通常作)通常作为稀释剂,在为稀释剂,在HNOHNO3 3溶液中,溶液中,HNOHNO3 3几乎全部电离,因
9、几乎全部电离,因此此H H+浓度较高,而浓度较高,而CHCH3 3COOHCOOH是弱酸,电离度较小,是弱酸,电离度较小,它的电离反应为它的电离反应为 CHCH3 3COOH=CHCOOH=CH3 3COOCOO-+H+H+(4.11)(4.11)图4.2表面取向对腐蚀速率的影响与温度的关系图4.3 腐蚀速率与温度的关系(高HF区,无稀释)自下而上每族曲线对应的配比为:95%HF+5%HNO3,90%HF+10%HNO3,85%HF+15 HNO3 图4.4 腐蚀速率与温度的关系(H2O稀释)65%HF+20%HNO3+15%H2O,20%HF+60%HNH3+20%H2O图4.5腐蚀速率与成
10、分的关系图4.6 硅的等腐蚀线(HF:HNO3:稀释剂)图4.6给出了分别用H2O和CH3COOH作为稀释剂的HF+HNO3,系统腐蚀硅的等腐蚀线(常用的浓酸的重量百分比是49.2%HF和69.5%HNO3)。用H2O和CH3COOH作为稀释剂的功能基本相似,其共同特点有:(1)在低HNO3及高HF浓度区(见图4.6的顶角区),等腐蚀曲线平行于等HNO3浓度线,由于该区有过量的HF可溶解反应产物SiO2,所以腐蚀速率受HNO3的浓度所控制。(2)在低HF高HNO3区(见图4.6的右下角),等腐蚀线平行于HF浓度线。(3)当HFHNO3=11,稀释液浓度百分比小于10%时,随稀释液的增加对腐蚀速
11、率影响较大草原稀释液从10%30%,腐蚀速率随秋耕释液的增加呈减小;稀释液大于30%后,稀释的微小变化会引起腐蚀速率的很大变化。4.1.3 硅体的各向异性刻蚀硅体的各向异性刻蚀在MEMS制造中起着极其重要的作用,硅体的各向异性腐蚀机理为在有些溶液中单晶硅的腐蚀速率取决于晶体取向,即在某种晶体取向上硅的腐蚀速率非常快,而在其他方向上腐蚀速率又非常慢。基于硅的这种腐蚀特性,可在硅基片上加工出各种各样的微结构。硅 体 的 各 向 异 性 腐 蚀 液 的 种 类 很 多。最 常 用 的(100)/(111)腐蚀速率比最大的是KOH腐蚀液。用KOH腐蚀液腐蚀单晶硅晶体其在三个常用晶面方向上的腐蚀速率情况
12、是(100)(110)(111)。而(100)/(111)的最大腐蚀速率可达4001 图4.7给出了硅单晶片各向异性腐蚀示意图。图4.7 硅单晶片各向异性腐蚀示意图Wb=W0-2Lcos54.7o其中L是腐蚀深度。1、氢氧化钾的刻蚀机理 硅体的各向异性刻蚀的腐蚀剂基本是碱性溶液,而氢氧化钾溶液占一半以上,因此氢氧化钾是硅体的各向异性腐蚀重要的和常用的腐蚀剂。2、各向异性刻蚀的物理机理 图4.8 各向异性的物理机理腐蚀3、腐蚀速率图4.9 腐蚀速率测试掩膜版图4.10 腐蚀后的测试图形显示表4.3在不同KOH浓度和温度情况下,(100)面硅的腐蚀速率(m/h)KOH浓度2040608010020
13、%1.577.0926.786.324630%1.325.9822.379.020640%1.175.2819.964.418350%0.843.7714.245.91314、体刻蚀的基本结构硅体在氢氧化钾溶液中,各向异性腐蚀,利用此性能可制作各种各样微机械基本结构如图4.11所示。图4.11体硅微机械的基本结构一般需要刻蚀制作薄膜时,掩膜开的窗口必须比膜的尺寸大,其倾斜的角度由几何计算得到为54.7O,而斜坡所占的面积也可计算得到。多晶硅所需刻蚀的深度为O时,单边斜坡所占的长度 L=0.71D (4.18)4.1.4 硅刻蚀的干法技术 干法刻蚀具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的选择比大
14、,以及能进行自动化操作等优点。因此,干法刻蚀在体微加工中将逐渐占有重要地位。干法刻蚀的过程可分为以下几个步骤:(1)腐蚀性气体粒子的产生;(2)粒子向衬底的传输(3)衬底表面的腐蚀;(4)腐蚀反映物的排除。干法腐蚀的种类很多,其中有:物理方法:离子腐蚀(溅射)Ion Etching(IE),离子束腐蚀Ion Beam Etching(IBE);化学方法:等离子体腐蚀 Plasma Etching(PE);4.1.4.1 物理腐蚀技术(1)离子腐蚀(Ion Etching,IE)图4.12平行板反应器的结构原理(2)离子束腐蚀(Ion Beam Etching,IBE)离子束腐蚀是一种利用惰性离
15、子进行腐蚀的物理腐蚀。在离子束腐蚀中,被腐蚀的衬底和产生离子的等离子区在空间是分离的,如图4.13所示。图4.13 离子束腐蚀装置结构原理图4.14 在纯物理离子腐蚀中出现的制造物的原理示意图4.1.4.2 物理和化学腐蚀过程相结合除去纯物理和纯化学干法腐蚀方法外,由于化学腐蚀所具有的高选择性和物理腐蚀所具有的各向异性,目前主要是将这两种方法组合起来使用。(1)等离子体腐蚀(Plasma Etcing,PE)(2)反应离子腐蚀(Reactive Ion Etching,,RIE)(3)反应离子束腐蚀 4.2 硅体刻蚀自停止技术 硅体刻蚀自停止技术是体微加工中关键技术之一。它利用不同晶格取向的硅
16、和掺杂浓度不同,使硅在不同的腐蚀液中表现出不同的腐蚀性能。4.2.1重掺杂自停止腐蚀技术可以认为KOH溶液对重掺杂硅基本上不腐蚀;同时又知道,重掺杂硼的硅腐蚀自停止效应比重掺杂磷的硅更 明显,所以工艺中常用重掺杂硼的硅作为硅腐蚀的自停止层材料。图4.15为重掺杂硼硅腐蚀的自停止腐蚀工艺。其工艺流程为:图4。15 重掺杂硼的硅自停止腐蚀工艺具有的高选择性和物理腐蚀所具有的各向异性,目前主要是将这两种方法组合起来使用。4.2.2(111)面自停止腐蚀技术 图4.16为(111)面自停止腐蚀工艺。其工艺流程为:4.2.3 p-n结腐蚀自停止技术 p-n结腐蚀自停止是一种使用硅的各向异性腐蚀剂如氢氧化
17、钾的电化学腐蚀自停止技术,它利用了N型硅和P型硅在各向异怀腐蚀液中的钝化电位不同这一现象。图4.17给出了在氢氧化钾腐蚀液(65,40%)中(100)晶向P型硅和N型硅样品的电流一电压特性。4.2.4电化学自停止腐蚀技术图4.20是一种典型的电化学腐蚀自停止方法。图4.16(111)面自停止腐蚀工艺图4.17 P型和N型硅在KOH腐蚀液中的特性图4。20 电化学腐蚀系统图4.21 硅在5%HF中的电化学腐蚀IV4.2 LIGA体微加工技术LIGA体微加工技术由四个工艺组成部分:LIGA掩模板制造工艺;X光深层光刻工艺;微电铸工艺;微复制工艺。其工艺流程如图4.22所示。4.3.1 LIGA掩膜
18、板制造工艺 LIGA掩模板必须能有选择地透过和阻挡X光,一般的紫外光掩模板不适合做LIGA掩模板。表4.4 LIGA掩模板的X光透光薄膜材料的性能及其优缺点 图4.22 LIGA技术的工艺流程4.3.2 X光深层光刻工艺X光深层光刻工艺需平行的X光光源,由于需要曝光的光刻胶的厚度要达到几百微米,用一般的X光光源需要很长的曝光时间,而同步辐射X光光源不仅能提供平行的X光,并且强度是普通X光的几十万倍,这样可以大大缩短曝光时间。图 4.23 X光过渡掩模板制造工艺流程图 (2)X光光刻胶(3)同步辐射X光曝光(4)光刻胶显影 4.3.3微电铸工艺 目前镍的微电铸工艺比较成熟,镍较稳定,且具有一定的
19、硬度,可用于微复制模具的制作。由于金是LIGA掩模板的阻挡层,所以,在LIGA技术中,金的微电铸技术非常重要。有些传感器和执行器需要有磁性作为驱动力,所以,具有磁性的铁镍合金的微电铸对LIGA技术也很重要。其他如银、铜等也是LIGA技术常用的金属材料。LIGA的微电铸工艺技术难点之一,是对高深宽比的深孔、深槽进行微电铸。4.3.4微复制工艺 由于同步辐射X光深层光刻代价较高,无法进行大批量生产,所以LIGA技术的产业化只有通过微复制技术来实现。目前微复制方法主要有两种,注塑成型和模压成型,图4.29给出了注塑成型和模压成型两种微复制方法的工作原理。其中注塑成型适用于塑料产品的批量生产,模压成型
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 微机 系统 设计 制造
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【胜****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【胜****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。