MEMS加工工艺-课件.ppt

1、1MEMSMEMS加工工艺加工工艺机械机械部分部分传感传感执行执行控制部分控制部分电子学电子学MEMS微电子学微电子学3MEMS结构的特点q可动可动q三维三维q微尺度微尺度q形状复杂形状复杂q材料的多样性材料的多样性4MEMSMEMS加工工艺分类加工工艺分类q部件及子系统制造工艺部件及子系统制造工艺半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等工工艺等n封装工艺封装工艺硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自

2、动焊、多芯片组件工艺片组件工艺5Bulk micromachining1960FSFx+Deep reactive-ion etching1995Surface micromachining1986LIGA1978MEMSMEMS加工技术的种类加工技术的种类6q大机械制造小机械，小机械制造微机械大机械制造小机械，小机械制造微机械q 日本为代表，与集成电路技术几乎无法兼容日本为代表，与集成电路技术几乎无法兼容nLIGA工艺工艺nLithograpie(光刻光刻)、Galvanoformung(电铸电铸)Abformung(塑铸塑铸)n德国为代表，利用同步辐射德国为代表，利用同步辐射X射线光刻技术

3、，通过电铸成型和射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成高深宽比微结构的方法。设备昂贵，需特制的塑铸形成高深宽比微结构的方法。设备昂贵，需特制的X射线射线掩模版，加工周期长，与集成电路兼容性差掩模版，加工周期长，与集成电路兼容性差n硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺n美国为代表，伴随硅固态传感器的研究、开发而在集成电路平面美国为代表，伴随硅固态传感器的研究、开发而在集成电路平面加工工艺基础上发展起来的三维加工技术。具有批量生产，成本加工工艺基础上发展起来的三维加工技术。具有批量生产，成本低、加工技术可从低、加工技术可从IC成熟工艺转化且易于与电路集

4、成成熟工艺转化且易于与电路集成MEMSMEMS加工技术的种类加工技术的种类7硅基微机械加工技术硅基微机械加工技术n体硅微机械加工技术体硅微机械加工技术n硅各向异性化学湿法腐蚀技术硅各向异性化学湿法腐蚀技术n熔接硅片技术熔接硅片技术n反应离子深刻蚀技术反应离子深刻蚀技术n表面微机械加工技术表面微机械加工技术n利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置n整个工艺都基于集成电路制造技术整个工艺都基于集成电路制造技术n与与ICIC工艺完全兼容，制造的机械结构基本上都是二维的工艺完全兼容，制造的机械结构基本上都是二维的n复合微机械加工复合微机械加工(如键合技术如键合

5、技术)n体硅微机械加工技术和表面微机械加工技术的结合，具有体硅微机械加工技术和表面微机械加工技术的结合，具有两者的优点，同时也克服了二者的不足两者的优点，同时也克服了二者的不足8q硅是最基本的微机械材料，微细加工技术一般都要涉及硅材料。针对微机械的微细加工也常被称为硅微细加工(Silicon Micromachining)，它是微传感器、微致动器乃至MEMS迅速发展的基础技术。作为硅集成电路制造技术的延伸，硅微细加工主要是指以硅材料为基础制作各种微机械零部件。q它总体上可分为体加工和表面加工两大类 IC工艺与MEMS硅工艺的联系9 IC工艺路线10光刻工艺过程图11硅园片硅园片去掉光刻胶去掉光

6、刻胶腐蚀硅片腐蚀硅片刻蚀光刻胶刻蚀光刻胶淀积光刻胶淀积光刻胶体硅微机械加工技术体硅微机械加工技术12q硅的体加工技术包括：q去除加工（腐蚀）q附着加工（镀膜）q改质加工（掺杂）q结合加工（键合）体硅加工涉及的加工方法13特点：特点：1.1.通过通过腐蚀腐蚀的方法对衬底硅进行加工，形成的方法对衬底硅进行加工，形成三维三维立体微结构立体微结构的方法的方法2.2.加工对象通常就是加工对象通常就是单晶硅单晶硅本身本身3.3.加工深度通常为几十微米、几百微米，甚至穿加工深度通常为几十微米、几百微米，甚至穿透整个硅片。透整个硅片。4.4.与集成电路工艺与集成电路工艺兼容性差兼容性差5.5.硅片两个表面上的

7、图形通常要求有严格的几何硅片两个表面上的图形通常要求有严格的几何对应关系，形成一个完整的立体结构对应关系，形成一个完整的立体结构14在以硅为基础的在以硅为基础的MEMS加工技术中，最关键的加工加工技术中，最关键的加工工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术等。技术和表面牺牲层技术等。体硅腐蚀技术是体硅微机械加工技术的核心，可分体硅腐蚀技术是体硅微机械加工技术的核心，可分为为各向同性各向同性腐蚀和腐蚀和各向异性各向异性腐蚀两大类，按腐蚀剂腐蚀两大类，按腐蚀剂是液体或气体又可分为是液体或气体又可分为湿法湿法和和干法干法腐蚀。腐蚀。

8、15q干法腐蚀q干法腐蚀技术包括以物理作用为主的反应离子溅射腐蚀，以化学反应为主的等离子体腐蚀，以及兼有物理、化学作用的反应溅射腐蚀 q湿法腐蚀 q硅的湿法腐蚀是先将材料氧化，然后化学反应使一种或多种氧化物或络合物溶解，包括湿法化学腐蚀和湿法电化学腐蚀 腐蚀技术16硅的湿法腐蚀硅的湿法腐蚀1)1)硅的各向同性腐蚀硅的各向同性腐蚀腐蚀液对硅的腐蚀作用基本上腐蚀液对硅的腐蚀作用基本上不具有晶向依赖性不具有晶向依赖性.17腐蚀设备及原理图q湿腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液体里进行的腐蚀。一般需要对溶液进行超声或搅拌。q各向同性腐蚀所用的化学试剂很多，多采用HFHNO3腐蚀

9、系统 18q对于HF和HNO3加H2O（或CH3COOH）腐蚀剂，硅表面的阳极反应为qSi2eSi2+q这里e表示空穴，即Si得到空穴后从原子升到氧化态 q腐蚀液中的水解离发生下述反应qH2O（OH）H HFHNO3腐蚀系统 19qSi2+与（OH）结合，成为：qSi2+2（OH）Si（OH）2 q接着Si（OH）2放出H2并形成SiO2，即：qSi（OH）2 SiO2H2q由于腐蚀液中存在HF，所以SiO2立即与HF反应，反应式为：qSiO26HFH2SiF62H2Oq通过搅拌可使络合物H2SiF6远离硅片，因此称这一反应为络合化反应 20q显然，HF的作用在于促进阳极反应，使阳极反应产物S

10、iO2溶解掉，不然，所生成的SiO2就会阻碍硅与H2O的电极反应。HF的作用21qHF、HNO3可用H2O或CH3COOH稀释。在HNO3溶液中HNO3几乎全部电离，因此H浓度很高，而CH3COOH是弱酸，电离度较小，HNO3CH3COOH的溶液中，H与CH3COO发生作用，生成CH3COOH分子，而且CH3COOH的介电场数（6.15）低于水的介电场数（81），因此在HNO3CH3COOH混合液中H离子浓度低。q与水相比，CH3COOH可在更广泛的范围内稀释而保持HNO3的氧化能力，因此腐蚀液的氧化能力在使用期内相当稳定。同时减少H离子使阴极反应变慢，整个腐蚀速率也随之变慢，有利于显示。H离

11、子 浓度的影响221.1.如何选择腐蚀剂？如何选择腐蚀剂？2.2.刻蚀的物理化学过程及优化方法？刻蚀的物理化学过程及优化方法？思考与讨论思考与讨论232)硅的各向异性腐蚀硅的各向异性腐蚀腐蚀液对硅的不同晶面有明显的晶向依赖性，不腐蚀液对硅的不同晶面有明显的晶向依赖性，不同晶面具有不同的腐蚀速率同晶面具有不同的腐蚀速率EPW腐蚀液，晶向依赖性腐蚀液，晶向依赖性(100):(111)=35:1TMAH腐蚀液，腐蚀液，(100):(111)=1035:124q各向异向腐蚀剂一般分为两类：q一类是有机腐蚀剂，包括EPW（乙二胺、邻苯二酸和水）和联胺等q另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如KOH、Na

12、OH、CsOH和NH4OH等。q这两类腐蚀剂具有非常类似的腐蚀现象。这里主要介绍EPW和KOH对硅的腐蚀特性，其余的仅列出其常用的腐蚀剂配比。各向异性腐蚀原理25qKOH腐蚀系统常用KOH、H2O和（CH3）2CHOH（异丙醇，缩写IPA）的混合液 q除KOH外，类似的腐蚀剂还有NaOH、LiOH、CsOH和NH4OH腐蚀剂 KOH系统 26q硅在KOH系统中的腐蚀机理，其腐蚀的反应式如下：qKOHH2OK2OHHqSi2OH4H2OSi（OH）62q即首先将硅氧化成含水的硅化物。腐蚀反应（KOH）27q乙二胺（NH2（CH2）2 NH2）、邻苯二酸（C6H4（OH）2）和水（H2O），简称E

13、PW EPW系统 28q电离过程：qNH2（CH2）2 NH2 H2O NH2（CH2）2 NH3+（OH）q氧化还原过程：qSi（OH）4 H2OSi（OH）622H2q将上两式合并q2NH2（CH2）2 NH2 6H2OSiSi（OH）622NH2（CH2）2 NH3+2H2 硅的腐蚀过程反应 29q用常规腐蚀液腐蚀硅一般是在EPW的沸点（115）下进行的。q若温度降低，会在硅表面产生一些不可溶解的残留物。残留物一旦出现就难以清除掉，使被腐蚀的硅表面平整度及光滑度受到影响。q为了防止EPW沸点下因蒸发而导致腐蚀液的成分改变，腐蚀系统一般用制冷回流装置。q腐蚀系统可用磁搅拌方法控制腐蚀均匀性

14、。由于蒸发后被冷凝的液体直接返回到容器会使腐蚀剂温度改变，所以在冷凝液体流入容器前应利用蒸发体进行预加热。EPW对硅的腐蚀过程注意事项30q与100、110相比，111面有慢的腐蚀速率，所以经过一段时间腐蚀后，所腐蚀的孔腔边界就是111面 硅腐蚀速率与晶体取向的关系 31q各向异性腐蚀剂腐蚀出微结构的特点 q凸角补偿技术 q自停止腐蚀技术 各向异性腐蚀剂腐蚀出微结构的特点323)3)硅的各向异性停蚀技术硅的各向异性停蚀技术33各向异性腐蚀特点：有完整的表平面和定义明确的各向异性腐蚀特点：有完整的表平面和定义明确的锐角锐角 影响各向异性腐蚀的主要因素影响各向异性腐蚀的主要因素(1)(1)溶液及配

15、比溶液及配比(2)(2)温度温度(3)(3)掺杂浓度掺杂浓度例如：当硅片中掺例如：当硅片中掺B B浓度增加到浓度增加到10102020cmcm-3-3时，时，KOHKOH溶液溶液的腐蚀速率要降低到低掺杂浓度时的的腐蚀速率要降低到低掺杂浓度时的1/20,1/20,这样实这样实际上就可利用高际上就可利用高B B掺杂区作为腐蚀阻挡层。掺杂区作为腐蚀阻挡层。34硅各向异性湿法腐蚀的缺点硅各向异性湿法腐蚀的缺点 图形受晶向限制图形受晶向限制 深宽比较差深宽比较差,结构不能太小结构不能太小 倾斜侧壁倾斜侧壁 难以获得高精度的细线条。难以获得高精度的细线条。35q气体中利用反应性气体或离子流进行的腐蚀称为干

16、腐蚀。干腐蚀刻蚀既可以刻蚀多种金属，也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性腐蚀，也可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或MEMS常用工艺。q按照原理来分，可分为等离子体刻蚀（PE：Plasma Etching）、反应离子刻蚀（RIE：Reaction Ion Etching）和感应等离子体刻蚀（ICP：Inductive Coupling PlasmaEtching）等几种。干腐蚀 36 干腐蚀装置原理37q它是在等离子气体中进行化学反应产生的腐蚀。这时感光膜可以作掩膜，它与RIE相比材料的选择性较好，腐蚀的速度较快可达15微米/min，通常用氧的等离子体去除感光胶（特别是在大量磷注入的情况下）

17、等离子腐蚀（各向同性腐蚀）38q它的工作原理是，被腐蚀的基板侧施加副压，正离子加速飞向基板和它发生碰撞从而对基板进行腐蚀。另一种工作原理是，离子源与腐蚀反应室相分离，用加速后的离子进行腐蚀。这种装置的特点是试料本身不带电 离子流腐蚀（方向性腐蚀）39体硅的干法刻蚀体硅的干法刻蚀 干法刻蚀体硅的专用设备干法刻蚀体硅的专用设备:电感电感耦合等离子刻蚀机耦合等离子刻蚀机(ICP)主要工作气体：主要工作气体：SF6,C4F8 刻蚀速率：刻蚀速率：23.5m/min 深宽比：深宽比：10:1 刻蚀角度：刻蚀角度：90o1o 掩膜：掩膜：SiO2、Al、光刻胶、光刻胶40q微泵：具有两个单向阀，当电压施加

18、到极板上时，变形膜向上运动，此时泵室体积增加，压力减小，进水阀打开，液体流进腔室。断电后，相反。泵的基本参数：变形膜面积44mm2，厚度25微米，间隙4微米，工作频率1100Hz，典型值为25Hz，流量为70mL/min体硅工艺的典型应用41q驱动部分：可根据各种不同的结构采用高掺杂的硅膜、形状记忆合金、金属膜薄片等。q腔体制备：采用双面氧化的硅片，首先在硅片背面开出窗口（正面用光刻胶保护），放入HF，去除SiO2，去掉光刻胶，放入KOH，腐蚀Si，直到要求的膜厚为止q阀膜制备加工工艺路线42q对双面氧化的硅片进行双面光刻q腐蚀SiO2、去除光刻胶、清洗q用KOH腐蚀硅片双面，腐蚀深度1015

19、微米q去除浅腐蚀面的SiO2（将深腐蚀面保护）q去浅腐蚀面用于键合的金属层q用密闭良好的夹具将有金属的一面保护，再用KOH进行深度腐蚀，直到腐蚀穿透整个硅片。剩下的硅膜即为阀膜厚度q最后将三部分键合到一起阀膜制备43静电微泵结构44 思考与讨论1.各向异性腐蚀剂如何选择？2.影响各向异性腐蚀剂刻蚀的关键因素？45q表面微机械加工以硅片微基体，通过多层膜淀积和图形加工制备三维微机械结构。硅片本身不被加工，器件的结构部分由淀积的薄膜层加工而成，结构和基体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用是支持结构层，并形成所需要的形状的空腔尺寸，在微器件制备的最后工艺中溶解牺牲层 表面工艺46体与表面微机械技术的比

20、较 47硅园片硅园片淀积结构层淀积结构层刻蚀结构层刻蚀结构层淀积牺牲层淀积牺牲层刻蚀牺牲层刻蚀牺牲层释放结构释放结构淀积结构层淀积结构层刻蚀结构层刻蚀结构层表面微机械加工技术表面微机械加工技术48 微加工过程都是在硅片表面的一些薄膜上进行的，微加工过程都是在硅片表面的一些薄膜上进行的，形成的是各种表面微结构，又称牺牲层腐蚀技术。形成的是各种表面微结构，又称牺牲层腐蚀技术。特点：在薄膜淀积的基础上，利用光刻，刻蚀等特点：在薄膜淀积的基础上，利用光刻，刻蚀等ICIC常用工艺制备多层膜微结构，最终常用工艺制备多层膜微结构，最终利用利用不同材料不同材料在在同一腐蚀液中同一腐蚀液中腐蚀速率的腐蚀速率的巨

21、大差异巨大差异，选择性的腐，选择性的腐蚀去掉结构层之间的牺牲层材料，从而形成由结构蚀去掉结构层之间的牺牲层材料，从而形成由结构层材料组成的空腔或悬空及可动结构。层材料组成的空腔或悬空及可动结构。优点：与常规优点：与常规ICIC工艺兼容性好工艺兼容性好;器件可做得很小器件可做得很小 缺点：这种技术本身属于二维平面工艺，它限缺点：这种技术本身属于二维平面工艺，它限制了设计的灵活性。制了设计的灵活性。4950关键技术关键技术薄膜应力控制技术薄膜应力控制技术防粘连技术防粘连技术牺牲层技术牺牲层技术51牺牲层技术牺牲层技术 表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺

22、 基本思路为：在衬底上淀积牺牲层材料基本思路为：在衬底上淀积牺牲层材料利用光利用光刻、刻蚀形成一定的图形刻、刻蚀形成一定的图形淀积作为机械结构的淀积作为机械结构的材料并光刻出所需要的图形材料并光刻出所需要的图形将支撑结构层的牺将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉牲层材料腐蚀掉形成了悬浮的可动的微机械结形成了悬浮的可动的微机械结构部件。构部件。在腐蚀牺牲层同时几乎不腐蚀上面结构层和下面在腐蚀牺牲层同时几乎不腐蚀上面结构层和下面衬底，其关键在于选择牺牲层的材料和腐蚀液衬底，其关键在于选择牺牲层的材料和腐蚀液52常用的牺牲层材料、腐蚀液及结构材料常用的牺牲层材料、腐蚀液及结构材料53在硅衬底上淀积一层牺牲

23、层在硅衬底上淀积一层牺牲层（横截面）（横截面）在牺牲层上部淀积一层结构层在牺牲层上部淀积一层结构层（横截面）（横截面）释放后的悬臂梁释放后的悬臂梁按设计方案蚀刻结构层按设计方案蚀刻结构层锚接区锚接区悬臂梁悬臂梁横截面横截面顶视图顶视图一种最简单的悬臂梁工艺一种最简单的悬臂梁工艺54淀积牺牲层淀积牺牲层确定锚接区域确定锚接区域锚接在衬底上锚接在衬底上溶掉牺牲层后溶掉牺牲层后溶掉牺牲层后溶掉牺牲层后工艺过程示意图工艺过程示意图55附加凸起点工艺附加凸起点工艺与凸点匹配的凹坑凸起点5657薄膜应力控制技术薄膜应力控制技术薄膜的薄膜的内应力和应力梯度内应力和应力梯度是表面微机械中的重是表面微机械中的重

24、要参数，对机械结构的性能和形变影响很大，要参数，对机械结构的性能和形变影响很大，往往是表面微结构制作失败的原因往往是表面微结构制作失败的原因58防粘连技术防粘连技术粘连是指牺牲层腐蚀后，在硅片干燥过程中，应该悬空的梁、粘连是指牺牲层腐蚀后，在硅片干燥过程中，应该悬空的梁、膜或者可动部件等表面微结构，受液体流动产生的表面张力、膜或者可动部件等表面微结构，受液体流动产生的表面张力、静电力、范得华力等作用而与衬底发生牢固得直接接触，从静电力、范得华力等作用而与衬底发生牢固得直接接触，从而导致器件失效而导致器件失效防止方法：防止方法：设计特殊结构设计特殊结构改进释放方法改进释放方法做表面处理做表面处理

25、59键合键合(bonding)技术技术q键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。q键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械

26、结构与集成电路之间的电学连接。学连接。q在在MEMS工艺中，最常用的是硅工艺中，最常用的是硅/硅直接键合和硅硅直接键合和硅/玻璃静电键合技术，玻璃静电键合技术，最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。固相键合固相键合是将两块固态材料键合在一起，其间不用液态的粘结剂，键是将两块固态材料键合在一起，其间不用液态的粘结剂，键合过程中材料始终处于固态，键合界面有很好的气密性和长期稳定性。合过程中材料始终处于固态，键合界面有很好的气密性和长期稳定性。60圆片级封装键合圆片级封装键合q低成本低成本q高效率高效率q高可靠性高可靠性圆

27、片级键合圆片级键合划片级键合划片级键合61阳极键合机阳极键合机n性能：性能：电压：电压：0 02000V2000V 温度：温度：2020500500 控温精度：控温精度：1%1%温度均匀性：温度均匀性：55n功能：功能：可满足可满足2 2”圆片的阳极键合圆片的阳极键合大气或惰性气体保护键合大气或惰性气体保护键合62共晶键合装置共晶键合装置 63多功能真空键合机多功能真空键合机q 性能性能：真空度：真空度：2 210E-4 Pa10E-4 Pa 温度：温度：2020550550 控温精度：控温精度：0.5%0.5%温度均匀性：温度均匀性：55 加载压力：加载压力：5000N5000Nq 主要功能

28、（主要功能（4”）：）：硅玻璃阳极键合硅玻璃阳极键合;共晶键合共晶键合;低温焊料键合低温焊料键合;真空回流焊接真空回流焊接;64硅硅玻璃静电键合技术玻璃静电键合技术静电键合静电键合（阳极键合、场助键合）主要是利用玻璃（阳极键合、场助键合）主要是利用玻璃在电场作用下在表面形成的电荷积累原理而实现的在电场作用下在表面形成的电荷积累原理而实现的一种键合方式。一种键合方式。V V加热板加热板SiSi玻璃玻璃65/EV d2210/2FVd 设高阻层厚度为设高阻层厚度为d d，电压为，电压为V V，则高阻层内电场强度：，则高阻层内电场强度：硅片与玻璃之间单位面积的静电吸引力为硅片与玻璃之间单位面积的静电

29、吸引力为当高阻层厚度当高阻层厚度d d小于小于1um1um时，硅与玻璃间的吸引力达时，硅与玻璃间的吸引力达几百公斤几百公斤/平方厘米平方厘米最好在界面处形成最好在界面处形成Si-OSi-O健健66材料材料要求：要求：硅片和玻璃片表面要硅片和玻璃片表面要抛光成镜面抛光成镜面 玻璃片中要含有足够量的玻璃片中要含有足够量的Na+玻璃的玻璃的热膨胀系数与硅相近热膨胀系数与硅相近。Pgrex7740，95#玻璃玻璃67硅硅硅直接键合技术硅直接键合技术指两硅片通过高温处理直接键合在一起的技术指两硅片通过高温处理直接键合在一起的技术键合工艺步骤：键合工艺步骤：1).将两抛光的硅片（氧化或未氧化）先经含将两抛

30、光的硅片（氧化或未氧化）先经含OH-的溶液的溶液浸泡处理浸泡处理2).在室温下将亲水的两硅片面对面贴合在一起，在室温下将亲水的两硅片面对面贴合在一起，称为称为预键合预键合3).在在O2或或N2环境中经数小时高温（环境中经数小时高温（800oC以上）以上）处理后，就形成了牢固的键合。处理后，就形成了牢固的键合。68接触前硅片表面有接触前硅片表面有OHOH基基预键合形成氢键预键合形成氢键高温处理脱水形成氢键高温处理脱水形成氢键键合机理：键合机理：预键合时硅与硅表面之间产生的键合力是由于亲水表预键合时硅与硅表面之间产生的键合力是由于亲水表面的面的OH-之间吸引力的作用形成了之间吸引力的作用形成了氢键

31、氢键。进一步的高温处理可以。进一步的高温处理可以产生脱水效应，而在硅片之间形成产生脱水效应，而在硅片之间形成氧键氧键，键合强度增大。，键合强度增大。69玻璃做中介的玻璃做中介的Si-SiSi-Si键合实验装置键合实验装置 采用玻璃采用玻璃Pyrex7440为键合中介（为键合中介（玻璃粉末主要成分为硼酸盐，玻璃粉末主要成分为硼酸盐，转换温度转换温度Tg在在400左右左右），键合时施加一定电压，在较低的温），键合时施加一定电压，在较低的温度下度下(430,410,380,350,保温保温30min）实现）实现Si-Si键合键合71键合横断面的SEM图键合强度测试示意图键合强度测试示意图 粘接粘接夹

32、具夹具实物图实物图 测试仪拉伸轴实物图测试仪拉伸轴实物图 键合抗拉强度研究键合抗拉强度研究73键合断裂面键合断裂面74键合断面的SEM图75 键合温度键合温度350350时，基本上键合不能成功时，基本上键合不能成功 键合温度键合温度380380时，有比较弱的键合强度出时，有比较弱的键合强度出现，键合强度约为现，键合强度约为2.3MPa2.3MPa 键合温度键合温度410410时，键合强度时，键合强度7.8MPa,7.8MPa,键合样键合样件中硅圆片产生脆性断裂件中硅圆片产生脆性断裂 键合温度键合温度430430时，键合强度时，键合强度8MPa8MPa实验结果实验结果76玻璃和硅层产玻璃和硅层产

33、生分层剥离，生分层剥离，硅层和剥离层硅层和剥离层界限比较明显，界限比较明显，键合没有使玻键合没有使玻璃和硅片分子璃和硅片分子相互渗透、形相互渗透、形成强力键合成强力键合380380键合样件的拉伸失效界面（键合样件的拉伸失效界面（2020）77410410键合样件的拉伸失效界面键合样件的拉伸失效界面(40(40)硅圆片产生脆性断裂硅圆片产生脆性断裂78温度与键合强度关系79P型(100)硅片P型(100)硅片外延n型硅膜外延n型硅膜n型(100)硅片n型(100)硅片电阻电阻抛光削薄第二片硅，形成压力传感器芯片抛光削薄第二片硅，形成压力传感器芯片压力传感器芯片压力传感器芯片80 思考与讨论81其

34、他其他n电子束光刻电子束光刻提供了小至纳米尺寸分辩力的聚合物抗蚀剂图形转印的一提供了小至纳米尺寸分辩力的聚合物抗蚀剂图形转印的一种灵活的曝光设备，远远地超过了目前光学系统的分辨力种灵活的曝光设备，远远地超过了目前光学系统的分辨力范围范围n聚焦离子束光刻聚焦离子束光刻利用聚焦离子束设备修复光掩模和集成电路芯片利用聚焦离子束设备修复光掩模和集成电路芯片n扫描探针加工技术（扫描探针加工技术（SPL）一种无掩模的加工手段，可以作刻蚀或者淀积加工，甚至一种无掩模的加工手段，可以作刻蚀或者淀积加工，甚至可以用来操纵单个原子和分子可以用来操纵单个原子和分子82 激光微机械加工技术激光微机械加工技术 LIGA

35、 LIGA加工技术加工技术 深等离子体刻蚀技术深等离子体刻蚀技术非硅基微机械加工技术非硅基微机械加工技术 紫外线厚胶刻蚀技术紫外线厚胶刻蚀技术83LIGA工艺工艺1.LIthograpie（制版术），（制版术），Gavanoformung(电电铸铸)，Abformung(塑铸塑铸)2.LIGA工艺于工艺于20世纪世纪80年代初创于德国的卡尔年代初创于德国的卡尔斯鲁厄原子核研究所，是为制造微喷嘴而开斯鲁厄原子核研究所，是为制造微喷嘴而开发出来的发出来的3.LIGA技术开创者技术开创者Wolfgang Ehrfeld领导的研领导的研究小组曾提出，可以用究小组曾提出，可以用LIGA制作厚度超高其制作

36、厚度超高其长宽尺寸的各种微型构件。长宽尺寸的各种微型构件。84LIGA技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，较硅材料加工技术有一个很大的飞跃限制，较硅材料加工技术有一个很大的飞跃LIGA技术可以制造具有很大纵横比的平面图形复杂的三技术可以制造具有很大纵横比的平面图形复杂的三维结构，尺寸精度达亚微米级，有很高的垂直度、平行度维结构，尺寸精度达亚微米级，有很高的垂直度、平行度和重复精度，设备投资大和重复精度，设备投资大能实现高深宽比的三维结构，其关键是深层光刻技术。为能实现高深宽比的三维结构，其关键是深层光刻技术。为实现高深宽比，纵向尺寸达到

37、数百微米的深度刻蚀，并且实现高深宽比，纵向尺寸达到数百微米的深度刻蚀，并且侧壁光滑，垂直，要求：侧壁光滑，垂直，要求：1.一方面需要高强度，平行性很好的光源，这样的光源只有用同步辐射一方面需要高强度，平行性很好的光源，这样的光源只有用同步辐射光才能满足；光才能满足；2.另一方面要求用于技术的抗蚀剂必须有很好的分辩力，机械另一方面要求用于技术的抗蚀剂必须有很好的分辩力，机械强度，低应力，同时还要求基片粘附性好强度，低应力，同时还要求基片粘附性好85三步关键工艺三步关键工艺:1.深层同步辐射深层同步辐射X射线光刻射线光刻利用同步辐射射线透过掩膜对固定于金属基底上利用同步辐射射线透过掩膜对固定于金属

38、基底上的厚度可高达几百微米的的厚度可高达几百微米的X射线抗蚀层进行曝光。射线抗蚀层进行曝光。将其显影制成初级模板。将其显影制成初级模板。同步辐射同步辐射X射线优点：射线优点：q 波长短、分辨率高、穿透力强波长短、分辨率高、穿透力强q 几乎是完全平行的几乎是完全平行的X射线辐射射线辐射q 高辐射强度高辐射强度q 宽的发射频带宽的发射频带q 曝光时间短，生产率高，时间上具有准均曝光时间短，生产率高，时间上具有准均匀辐射特性匀辐射特性86q 电铸成形是根据电镀原理，在胎膜上沉积相当厚度金属电铸成形是根据电镀原理，在胎膜上沉积相当厚度金属以形成零件的方法。胎膜为阴极、要电铸的金属作阳极。以形成零件的方

39、法。胎膜为阴极、要电铸的金属作阳极。q 利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具。利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具。q 在在LIGA工艺技术中，把初级模板（抗蚀剂结构）膜腔工艺技术中，把初级模板（抗蚀剂结构）膜腔底面上利用电镀法形成一层镍或其他金属层，形成金属底面上利用电镀法形成一层镍或其他金属层，形成金属基底作为阴极，所要成形的微结构金属的供应材料（如基底作为阴极，所要成形的微结构金属的供应材料（如镍、铜、银）作为阳极镍、铜、银）作为阳极q 电铸时，直到电铸形成的结构刚好把抗蚀剂模板的型腔电铸时，直到电铸形成的结构刚好把抗蚀剂模板的型腔填满填满q 将整个浸入剥离溶剂中，对抗蚀

40、剂形成的初级模板进行将整个浸入剥离溶剂中，对抗蚀剂形成的初级模板进行腐蚀剥离，剩下的金属结构即为所需求的微结构件腐蚀剥离，剩下的金属结构即为所需求的微结构件2.电铸成形电铸成形87q 利用微塑铸制备微结构利用微塑铸制备微结构q 将电铸制成的金属微结构作为二级模板将电铸制成的金属微结构作为二级模板q 将塑性材料注入二级模板的膜腔，形成微结构将塑性材料注入二级模板的膜腔，形成微结构塑性件，从金属模中提出塑性件，从金属模中提出q 也可用形成的塑性件作为模板再进行电铸，利也可用形成的塑性件作为模板再进行电铸，利用用LIGA技术进行三维微结构件的批量生产技术进行三维微结构件的批量生产3.注塑注塑88优势

41、优势1.深宽比大，准确度高。所加工的图形准确度小深宽比大，准确度高。所加工的图形准确度小于于0.5，表面粗糙度仅，表面粗糙度仅10nm，侧壁垂直度，侧壁垂直度89.9，纵向高度可达，纵向高度可达500以上以上2.用材广泛。从塑料（用材广泛。从塑料（PMMA、聚甲醛、聚酰、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等）到金属（胺、聚碳酸酯等）到金属（Au、Ag、Ni、Cu）到陶瓷（到陶瓷（ZnO2）等，都可以用）等，都可以用LIGA技术实现技术实现三维结构三维结构3.由于采用微复制技术，可降低成本，进由于采用微复制技术，可降低成本，进行批量生产行批量生产工艺流程图工艺流程图同步辐射同步辐射X X光光(波长波长1n

42、m)1nm)AuAu掩膜版掩膜版PMMAPMMA光刻胶光刻胶(厚达厚达1000um)1000um)电铸电铸塑铸塑铸深宽比可超过深宽比可超过100100亚微米精度的微结构亚微米精度的微结构光刻光刻LIGA 工艺基本流程图工艺基本流程图生产周期较长生产周期较长生产成本高生产成本高常规紫外光常规紫外光(波长几百波长几百nm)nm)标准标准CrCr掩膜版掩膜版聚酰亚胺光刻胶聚酰亚胺光刻胶(厚厚300um)300um)电铸电铸塑铸塑铸深宽比常为几十深宽比常为几十微米精度微结构微米精度微结构光刻光刻准准LIGA 工艺基本流程图工艺基本流程图生产周期较短生产周期较短生产成本较低生产成本较低91镀金区镀金区X

43、射线X射线基底基底光刻胶(PMMA)光刻胶(PMMA)掩膜掩膜(Si3N4),11.5um需要用产品：需要用产品：一根管子一根管子基底基底光刻胶(PMMA)光刻胶(PMMA)基底基底光刻胶(PMMA)光刻胶(PMMA)电镀的金属层电镀的金属层基底基底电镀的金属层电镀的金属层92工艺流程工艺流程93基片基片附着层附着层电铸镍电铸镍钛分离层钛分离层PMMA胶(X光刻图)PMMA胶(X光刻图)LIGALIGA电铸后的剖面结构电铸后的剖面结构优点：加工材料可以是金属、塑料和陶优点：加工材料可以是金属、塑料和陶瓷瓷.器件结构深刻比高，厚度大、结构精器件结构深刻比高，厚度大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑细

44、、侧壁陡峭、表面光滑缺点：需要同步辐射射线光源；掩膜缺点：需要同步辐射射线光源；掩膜板制造困难。大部分只能使用单个掩膜板制造困难。大部分只能使用单个掩膜版制造结构，难以制造复杂版制造结构，难以制造复杂3D结构。适结构。适于制造小零件，但大部分器件需要装配于制造小零件，但大部分器件需要装配,难与难与IC兼容。兼容。95激光微机械加工技术激光微机械加工技术激光微机械加工技术依靠改变激光束的强度和扫激光微机械加工技术依靠改变激光束的强度和扫描幅度对涂在基片上的光刻胶进行曝光，然后进描幅度对涂在基片上的光刻胶进行曝光，然后进行显影，最后采用反应离子刻蚀技术，按激光束行显影，最后采用反应离子刻蚀技术，按

45、激光束光刻胶模型加工成微机械结构。光刻胶模型加工成微机械结构。激光光刻技术比射线光刻的工艺要简单的多。激光光刻技术比射线光刻的工艺要简单的多。将其与各向异性腐蚀工艺结合就可用于加工三维将其与各向异性腐蚀工艺结合就可用于加工三维结构。结构。96深等离子体刻蚀技术深等离子体刻蚀技术最大优越性是只采用氟基气体作为刻蚀气体最大优越性是只采用氟基气体作为刻蚀气体和侧壁钝化用聚合物生成气体，从根本上解和侧壁钝化用聚合物生成气体，从根本上解决了系统腐蚀和工艺尾气的污染问题决了系统腐蚀和工艺尾气的污染问题关键是采用了刻蚀与聚合物淀积分别进行而且关键是采用了刻蚀与聚合物淀积分别进行而且快速切换的工艺过程。同时还

46、采用了射频电源快速切换的工艺过程。同时还采用了射频电源相控技术使离子源电源和偏压电源的相位同步，相控技术使离子源电源和偏压电源的相位同步，以确保离子密度达到最高时偏压也达到最高，以确保离子密度达到最高时偏压也达到最高，使高密度等离子刻蚀的优势得到充分发挥。使高密度等离子刻蚀的优势得到充分发挥。97紫外线厚胶刻蚀技术紫外线厚胶刻蚀技术使用紫外光源对光刻胶曝光，使用紫外光源对光刻胶曝光，工艺分为厚胶工艺分为厚胶的深层紫外光刻和图形中结构材料的电镀的深层紫外光刻和图形中结构材料的电镀对于器件厚胶图形的曝光，设备应对于器件厚胶图形的曝光，设备应满足大焦深，大面积和严格的均匀性以满足大焦深，大面积和严格

47、的均匀性以及适应各种特殊形状衬底的曝光要求及适应各种特殊形状衬底的曝光要求对于分步重复曝光设备，还必须保证满足大对于分步重复曝光设备，还必须保证满足大面积图形曝光的精密子场图形拼接技术要求。面积图形曝光的精密子场图形拼接技术要求。98三维表面光刻的抗蚀剂喷涂技术三维表面光刻的抗蚀剂喷涂技术q 由于由于MEMSMEMS器件衬底的尺寸和形状与传统的硅片不同，器件衬底的尺寸和形状与传统的硅片不同，在光刻工艺的抗蚀剂表面涂覆均匀性方面提出了一些在光刻工艺的抗蚀剂表面涂覆均匀性方面提出了一些新的要求新的要求,即是对具有高度表面形貌的硅片，当采用一即是对具有高度表面形貌的硅片，当采用一些刻蚀工艺加工一些不

48、同的硅表面时，各种情况也变些刻蚀工艺加工一些不同的硅表面时，各种情况也变得更为突出。得更为突出。n通过各向同性的湿法化学刻蚀和各向异性的干法等离通过各向同性的湿法化学刻蚀和各向异性的干法等离子刻蚀工艺，产生了不同斜率的图形侧壁凹槽。子刻蚀工艺，产生了不同斜率的图形侧壁凹槽。n由于器件不断增长的集成度要求，提出了由由于器件不断增长的集成度要求，提出了由平面结构向三维器件转移的上升趋势。平面结构向三维器件转移的上升趋势。99封装是利用某种材料将芯片保护起来，并与外界隔封装是利用某种材料将芯片保护起来，并与外界隔离的方式和加工方法。离的方式和加工方法。电子封装电子封装封装的作用封装的作用1.1.具有

49、保护和隔离作用具有保护和隔离作用2.2.为芯片提供合适的外引线结构为芯片提供合适的外引线结构3.3.为芯片提供散热和电磁屏蔽条件为芯片提供散热和电磁屏蔽条件4.4.提高芯片的机械强度和抗外界冲击的能力提高芯片的机械强度和抗外界冲击的能力100MEMSMEMS封装的要求封装的要求q MEMS器件要和测试环境之间形成一个接触界面而获取器件要和测试环境之间形成一个接触界面而获取非电信号，而外部环境对灵敏度极高的非电信号，而外部环境对灵敏度极高的MEMS敏感元件敏感元件来说都是非常苛刻的，它要有承受各方面环境影响的能来说都是非常苛刻的，它要有承受各方面环境影响的能力，比如机械的（应力，摆动，冲击等）、化学的（气力，比如机械的（应力，摆动，冲击等）、化学的（气体，温度，腐蚀介质等）、物理的（温度压力，加速度体，温度，腐蚀介质等）、物理的（温度压力，加速度等）等等）等n大部分器件都包含有可活动的元件大部分器件都包含有可活动的元件n由于器件体积小，因此都必须采用特殊的技术由于器件体积小，因此都必须采用特殊的技术和封装和封装101