微传感器与MEMS技术课件.pptx

1、Agenda微机电技术、微机电系统微机电技术、微机电系统MEMS的发展的发展MEMS的应用的应用MEMS所用材料所用材料微加工工艺微加工工艺微机电技术MEMS技术是以微电子、微机械与材料科学为基础，研究、设计、制造具有特定功能的微型装置的一门科学。传统的机械系统原动部分原动部分提供动力源传动部分传动部分负责把动力传给工作部分工作部分工作部分完成预期动作或预期轨迹控制部分控制部分如数控机床的控制电路理想的微机电系统微机电系统定义：定义：微机电系统微机电系统(micro-elelctro-mechanical system,MEMS)是指采用微机械加工技术可以批量制作的，集微型传感器、微型机构、微

2、型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通信等模块于一体（一般为硅基底材料）的微型器件或微型系统。微机电系统美国：美国：微机电系统微机电系统欧洲：微系统欧洲：微系统日本：微型机械日本：微型机械中国：微机电系统中国：微机电系统微机电系统的尺寸微电子与微型机械的区别与联系微电子与微型机械都需要微细加工，微型机械加工方微电子与微型机械都需要微细加工，微型机械加工方法传承了微电子加工方法。法传承了微电子加工方法。微机电技术主要组成部分：微传感器微传感器通过对机械、热、生物、化学、光学、电磁等现象的测量，从外界环境中获取信息微执行器微执行器按照信息处理结果，对外界环境进行响应操作，如位移、定位等微电子电路

3、微电子电路对传感器采集到的信息进行处理微结构微结构具有与大尺寸结构不同的力、热、化学等方面的特性，是MEMS技术不同于大尺寸加工技术的主要原因之一。微机电系统的意义MEMSMEMS技术是关系到一个国家科技发展、经常繁荣、国技术是关系到一个国家科技发展、经常繁荣、国防安全的至关重要的技术。防安全的至关重要的技术。MEMSMEMS技术的发展将带动众多交叉学科与高新技术产业技术的发展将带动众多交叉学科与高新技术产业的发展。的发展。MEMSMEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合是人类科技发展过程一次重大的技术整合微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术微小型化、智能化、集成化、高可靠性微

4、小型化、智能化、集成化、高可靠性MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成能够完成真正意义上的微小型系统集成在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变MEMS极大地改善了人类生活的质量极大地改善了人类生活的质量大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长将会带动一个充满活力的产业迅速成长微机电系统产业MEMSADI公司的ADXL346数字输出MEMS加速度计微机电系统的发展MEMSMEMS的研究公认自的研究公认自19601960年代开始。年代开始。19881988年，硅静电马达发表年，硅静电马达发表5月27日，美国加州大学伯克利分校的科研人员为一个用I

5、C工艺制作的直径约为120um的静电马达通电,并在显微镜下观察了其运转情况。它的成功运转代表了人类向微型世界迈出了实质性的一步。许多科技工作者认为，它标志着微机电系统时代的到来。微机电系统的发展19881988年，三个研究小组的年，三个研究小组的1515名美国科学家联合撰写了名美国科学家联合撰写了“小机器、小机器、大机遇大机遇一个关于新兴的微动力学领域的报告一个关于新兴的微动力学领域的报告”。Small Machines,Large Opportunities根据这个报告，美国国家自然科学基金根据这个报告，美国国家自然科学基金NSF拨巨款支持这项研拨巨款支持这项研究。究。19891989年年N

6、SFNSF研讨会上，研讨会上，“微电子技术应用于电机系统微电子技术应用于电机系统”提法首提法首次出现。自此，次出现。自此，MEMSMEMS一词逐渐成为一个世界性的学术用语一词逐渐成为一个世界性的学术用语9090年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产等相继规模化生产微机电系统的发展MEMSMEMS的诞生和发展是的诞生和发展是需求牵引需求牵引和和技术推动技术推动的综合结果的综合结果需求牵引需求牵引是MEMS发展的源泉信息系统的微型化、多功能化和智能化是不断追求的目标，也是电子整机部门的迫切需求；信息系统的微型化使系统

7、体积大大减小，功能大大提高，性能、可靠性大幅度上升，功耗和价格大幅度下降；电子系统通过采用微电子技术达到微型化的目标，因此非电子系统的微型化势在必行。微机电系统的发展MEMSMEMS的诞生和发展是的诞生和发展是需求牵引需求牵引和和技术推动技术推动的综合结果的综合结果需求牵引需求牵引是MEMS发展的源泉医疗:例：对患者内脏检查用的无创、微创医用导管和显微外科的要求。澳2009年，大利亚莫纳什大学的科学家弗兰德介绍了一种机器人，宽度仅有0.25mm，可以设法推入血管，去摘除血栓。军事：例：可作为侦察敌情用的微型航空器，芯片级的微型航天器和纳卫星，能跟踪、监测的做工无人值守传感器群。微机电系统的发展

8、MEMSMEMS的诞生和发展是的诞生和发展是需求牵引需求牵引和和技术推动技术推动的综合结果的综合结果技术推动技术推动是MEMS实现的保证以集成电路为中心的微电子学的飞跃进步提供了基础技术MEMS是微电子和微机械的巧妙结合新材料、微机械理论、加工技术的进步，使单片微电子机械系统正在变为现实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微电子学微电子学传统的机械电子系统IC工艺发展后的机械电子系统（微小的控制系统和相对大的机械系统）机械系统和传感执行系统缩小后与控制系统平衡的MEMS微机电系统的发展MEMSMEMS是一个多学科综合的技术，所涉及的技术领域非常广泛是一个多学科综

9、合的技术，所涉及的技术领域非常广泛MEMS所涉及到的技术领域所涉及到的技术领域微机电系统的发展MEMSMEMS技术的发展显示出巨大的生命力，它把信息系统的微型技术的发展显示出巨大的生命力，它把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到了新的高度。化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到了新的高度。MEMSMEMS产品的应用领域产品的应用领域其中在工业仪表、打印机、传真机、汽车、医疗检测和DNA分析等方面已取得可观的经济效益。工业过程控制通信计算机和机器人环境保护和监测生物医疗军事战争运输农业MEMS的一些典型应用MEMSMEMS的一些典型应用的一些典型应用MEMS的一些典型应用微惯性传

10、感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统系统(ABS)、稳定控制和玩具、稳定控制和玩具微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护MEMS系统用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、系统用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等信息采集等等已经制造出尖端直径为已经制造出尖端直径为5 m的可以夹起一个红细胞的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的

11、飞机等等MEMS的一些典型应用空间应用空间应用用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验，正在进行飞行搭载实验微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究通信方面通信方面光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展无线通信则要求增强功能（如联网等）和减小功耗。美国阿尔卡特朗讯等公司和一些大学研究了全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统MEMS的一些典型应用生物医学生物医学将光、机、电、液、生化等部件集成在一起，构成一个微型芯片实验室，用于临床医学检测，为医生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测手段光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统MEMS的一

12、些典型应用硅旋转马达MEMS技术MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸与集成电路用批量化的微电子技术制造出尺寸与集成电路大小相当的非电子系统，实现电子系统和非电子系统大小相当的非电子系统，实现电子系统和非电子系统的一体化集成的一体化集成从根本上解决信息系统的微型化问题实现许多以前无法实现的功能今天的今天的MEMS与与40年前的集成电路类似，年前的集成电路类似，MEMS对未对未来的社会发展将会产生什么影响目前还难以预料，但来的社会发展将会产生什么影响目前还难以预料，但它是它是21世纪一个新的产业增长点，则是无可质疑的。世纪一个新的产业增长点，则是无可质疑的。MEMS所用材料硅材料硅材料金属金属金

13、属氧化物金属氧化物晶体（晶体（crystal）是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周期性，隔一定的距离重复出现，这种周期性规律是晶体结构中最基本的特征。MEMS所用材料单晶体与多晶体单晶体与多晶体整块物质都由原子或分子按一定规律作周期性重复排列的晶体称为单晶体。单晶体。特征特征:(1)单晶体有一定的几何外形；(2)有固定的熔点；(3)各向异性多晶体多晶体是众多取向晶粒的单晶的集合。多晶与单晶内部均以点阵式的周期性结构为其基础，对同一品种晶体来说，两者本质相同。不同处在于单晶体是各向异性的，多晶体则是各向同性的。MEMS所用材料

14、晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同。MEMS所用材料单晶硅与多晶硅单晶硅单晶硅单晶硅是广泛使用的、廉价的MEMS材料是最通用的体加工材料有良好的各向异性腐蚀特性及与掩膜材料的兼容性。在表面微机械加工中，单晶硅衬底是最理想的MEMS结构平台。单晶硅物理特性稳定，无塑性变形MEMS所用材料单晶硅与多晶硅单晶硅单晶硅单晶硅是各向异性的材料，性能取决于晶体的切向单晶硅的晶胞及常用晶片单晶硅的晶胞及常用晶片单晶硅片单晶硅片MEMS所用材料单晶硅与多晶硅多晶硅多晶硅当硅材料淀积在基片表面时，就会形成多晶硅。多晶硅是由硅的微晶组成

15、的，这些微晶的尺寸在0.1 um到十几微米之间。多晶硅常用作微电子电路中的连线材料。多晶硅具有同单晶硅类似的机械性能，但没有晶面，在受到相对比较低的应力时就会发生破裂，且破裂的方向是随机的。单晶硅和多晶硅的区别：是晶体硅的两种不同形态。当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。MEMS所用材料单晶硅与多晶硅多晶硅多晶硅是MEMS器件表面微机械加工材料中主要的

16、结构材料。多晶硅薄膜通常采用低压化学气相淀积（LPCVD)的工艺制备。淀积之后要进行一次或多次高温工艺处理（如注入、热氧、退火等）。MEMS所用材料氧化硅与氮化硅二氧化硅二氧化硅二氧化硅（SiO2）是非常有用的电子材料，其介电常数低，电阻率非常高，且容易成型，粘附力强。裸露在空气中的硅在室温下就会形成一层约为3nm的SiO2。当加热到900摄氏度，保持1小时后，可形成1um的SiO2层。常用的SiO2生长和淀积工艺是热氧化和低压化学气相淀积（LPCVD）。另一种低压淀积工艺是等离子体增强化学气相淀积（PECVD)。如用于淀积低应力、非常厚（10-20um)的SiO2膜用作微机械涡轮发动机的绝缘

17、层。MEMS所用材料氧化硅与氮化硅氮化硅氮化硅氮化硅（Si3N4）也是一种优良的电子材料，其介电常数低，电阻率非常高，不会受到氧的影响，比起硅材料本身，氮化硅可耐受多种化学腐蚀。氮化硅的淀积工艺及应用技术同样相当成熟，可通过化学反应的方式进行淀积，淀积温度为700摄氏度。氮化硅比氧化硅的绝缘性能更好，熔点高达1100摄氏度是一种非常常用的绝缘层材料，用于器件之间以及器件与基底材料之间提供绝缘。也用于表面钝化、刻蚀掩膜和机械结构材料。金属材料MEMS中常用的金属材料有：铝、钨、金、铂等中常用的金属材料有：铝、钨、金、铂等铝：最常用的材料之一，熔点低，性能稳定；钨：在高温下可保持稳定由于尺寸的微型

18、化，金属材料的机械性能远不同于宏观尺寸的性能，其晶粒结构非常复杂且受到表面层的影响，许多性质目前还无法得到合理的解释。光刻胶是是MEMS工艺必不可少的一种有机材料工艺必不可少的一种有机材料在平面光刻工艺中的应用在平面光刻工艺中的应用首先在基片表面利用旋转涂敷方法制备一层光刻胶薄膜，然后在100摄氏度下烘干。紫外线透过掩模照射到光刻胶薄膜上，“曝光”区域的分子发生化学变化，在后续的化学显影过程中被除去，从而得到希望的图案。一般光刻胶薄膜的厚度为0.5 um左右，SU-8光刻胶可达到50 um以上，可用来制作高深宽比的结构。微细机械加工的方法利用成熟的利用成熟的IC加工工艺加工工艺是微制造工艺中非

19、常重要的核心技术使用传统的超精加工方法加工微型机件使用传统的超精加工方法加工微型机件在装配方法、批量生产、与电路加工的兼容性等方面，都需要改进一些有前景的加工工艺一些有前景的加工工艺LIGA（光刻电铸成型工艺）光成型技术扫描隧道显微技术STM质子束加工多光子吸收微细机械加工的方法利用成熟的利用成熟的IC加工工艺加工工艺是微制造工艺中非常重要的核心技术使用传统的超精加工方法加工微型机件使用传统的超精加工方法加工微型机件在装配方法、批量生产、与电路加工的兼容性等方面，都需要改进一些有前景的加工工艺一些有前景的加工工艺LIGA（光刻电铸成型工艺）具有很大深宽比，可加工多种材料，可批量制作。与半导体工

20、艺兼容方面存在问题；一般只能加工直壁结构的立体，不适合加工任意形状的三维立体光成型技术扫描隧道显微技术STM质子束加工多光子吸收微制造概述MEMS和和IC器件一般都制作在单晶硅晶圆器件一般都制作在单晶硅晶圆(wafer)上上从籽晶到分立器件芯片的生产过程从籽晶到分立器件芯片的生产过程微制造概述晶体生长晶体生长(crystal growth)晶圆制备（晶圆制备（wafering)薄膜成型（薄膜成型（film formation)曝光曝光(exposure)印刷印刷(lithography)掺杂工艺掺杂工艺（doping process)蚀刻工艺（蚀刻工艺（etching)切割（切割（dicing

21、)封装（封装（packaging)微制造概述晶体生长和晶圆制备晶体生长和晶圆制备对工业纯硅（97%）提纯，得到纯度为99.9999%的硅晶体生长用一个籽晶放入高纯度熔融材料的容器中，并将其缓慢提拉，籽晶正面就会生长出新的单晶体。将拉制好的单晶按晶体取向切成薄片，磨削、抛光后，制备成晶圆。加工应在超净车间进行，以避免污染。1级超净车间中每立方英尺空气中最多含一个粒子，可支持0.3um的工艺。0.1级超净车间可支持0.1 um的工艺。清洗晶圆的水和化学溶液必须经过严格的制造和调整处理。去离子水/超纯水的电阻超过18M（饮用水电阻为50k)微制造概述薄膜成型薄膜成型常用的成型技术微制造概述薄膜成型薄

22、膜成型:氧化（氧化（Oxidation)氧化是硅器件的基础工艺之一硅晶片氧化的目的：钝化晶体表面，形成化学和电的稳定表面；作为后面工艺步骤扩散或离子注入的掩模；形成介质膜（非导电膜）；在衬底和其它材料间形成界面层（或牺牲层）。微制造概述薄膜成型薄膜成型:氧化（氧化（Oxidation)自然氧化：硅在常温下空气中的氧化，层厚为2 nm左右。热氧化法：较厚的氧化层，需要在高温作用下氧化得到。通常在高温炉进行，可造成不同的氧化气氛：通过干燥氧气的干氧氧化法干氧氧化法：氧化膜质量好，但速度慢通过水蒸汽的水蒸汽氧化法：水蒸汽氧化法：生长速度快，但质量差通过丰富水蒸汽氧的湿氧氧化法：湿氧氧化法：兼有两者优

23、点微制造概述薄膜成型薄膜成型:氧化（氧化（Oxidation)氧化的速率受到氧气压力和晶体取向的影响；在给定温度下，氧化层厚度与时间的关系曲线呈抛物线型。湿氧氧化法湿氧氧化法微制造概述薄膜成型薄膜成型:金属化（金属化（Metallization)指在晶圆上形成一层金属膜。它的目的为：形成电阻触点；形成整流底金属-半导体触点；保护晶圆免受环境污染金属膜的形成方法有：物理气相淀积：真空蒸镀法、溅射法；化学气相淀积法；电镀法；微制造概述薄膜成型薄膜成型:金属化（金属化（Metallization)真空蒸镀法(Vacuum Evaporation)：利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸气压制备薄膜。即金

24、属在真空中被熔化并蒸发成金属蒸气原子。这些原子淀积到基片上，在基片表面形成一层薄而均匀的金属膜。是广泛应用的一种淀积工艺。优点：设备简单，操作容易，薄膜厚度控制精确，成膜速度快。缺点：薄膜与衬底附着力小，对台阶的覆盖能力差。微制造概述薄膜成型薄膜成型:金属化（金属化（Metallization)真空蒸镀法(Vacuum Evaporation)真空镀膜仪微制造概述薄膜成型薄膜成型:金属化（金属化（Metallization)溅射法(Sputtering)：利用在电场中加速后的带电荷的离子具有一定的动能的特点，将离子引向溅射材料（靶电极），在离子能量合适时，入微离子与靶表面原子碰撞，使靶原子溅射

25、出来，沿一定方向射向衬底，形成薄膜。微制造概述薄膜成型薄膜成型:金属化金属化溅射法(Sputtering)：在真空系统中充满有一定压力的惰性气体Ar，通过高压电场的作用使Ar放电，产生氩离子流，这些氩离子迅速地撞击阴极（固体溅射材料），打击出阴极原子（分子），这些原子分子有相当大的动能，在基片上淀积下来形成薄膜。理解：如同石子（高能粒子束）投入水（溅射材料）中，测出水花（溅射材料碎片）弄湿衣服（基片）一样。微制造概述薄膜成型薄膜成型:金属化（金属化（Metallization)溅射法(Sputtering)的特点：可以淀积用真空蒸镀法较难得到的化合物，并使淀积的化合物薄膜质量得到改善。可以在较

26、低温度下把高熔点材料淀积为薄膜，膜片均匀、纯净，附着力强。需要高压射频电场，比真空蒸镀要求高。微制造概述薄膜成型薄膜成型:化学气相淀积化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition)化学气相淀积法化学气相淀积法，是将含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态的反应剂的蒸汽，以合理的流速引入反应室，在衬底表面上淀积薄膜，可用来形成金属膜、介质膜、多晶硅膜等。在大气压下的化学气相淀积称为大气压气相淀积(APCVD)，或称为低压气相淀积（LPCVD)。微制造概述薄膜成型薄膜成型:化学气相淀积化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition)化学气相淀积法化学气相淀积法在气相

27、淀积容器中，气相状态的化学物质在加热了的基片表面（500800）进行高温化学反应，以得到价位希望的薄膜。这种工艺可提供很好的保形覆盖层和均匀同步覆盖，而且一次能对大量晶片进行淀积，有利于批量生产。微制造概述薄膜成型薄膜成型:化学气相淀积化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition)金属有机物化学气相淀积（MOCVD)，是对薄膜厚度高精度可控的一种气相淀积方法。优点：膜厚度均匀，纯度好，密度高，可控制组分比例，有良好的附着性和台阶覆盖性。可精确地控制膜厚达单原子层的数量级。微制造概述薄膜成型薄膜成型:化学气相淀积化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition

28、)金属有机物化学气相淀积（MOCVD)装置示意图微制造概述薄膜成型薄膜成型:外延（外延（Epitaxial)在单晶基片上，沿着原来结晶的方向，再生长一层单晶薄膜，这层薄膜好像是由基片向外延拓一样，称为外延。通常用在硅晶片上生长单晶硅层，过程中可有不同类型的杂质和浓度进行掺杂。典型的外延厚度为120 um。应用:CMOS(互补型金属氧化物半导体）电路的制造工艺中形成p-n结的自停止蚀刻工艺中微制造概述薄膜成型薄膜成型:外延（外延（Epitaxial)分类：分类：液相外延（LPE)卤素气相外延（HVPE)分子束外延（MBE)微制造概述薄膜成型薄膜成型:旋涂法旋涂法是一种简单工艺。设备简单，由一个可

29、变转速的旋转平台和一个适合保险用的屏障组成。一个喷嘴对着基片的中心喷涂液体（溶解了要涂覆材料的溶液），基片以每分钟500转5000转的速度高速旋转，将涂覆材料均匀涂在基片的上面。常常用来为衬底非电质的绝缘层、抗蚀剂和有机材料。微制造概述3.掺杂工艺（掺杂工艺（Doping Process)定义：人为地将某种或几种杂质，通过基片上方的掩膜，有控制地将一定量的原子导入被选择区域。掺杂的方法可用来制作p-n结，也可以用来制作自停止腐蚀层，常用在制作硅的微型机械装置中。掺杂的方式一般多用扩散扩散和离子注入离子注入工艺。微制造概述1）扩散（）扩散（Diffusion)将一定数量的某种杂质掺于半导体晶片中

30、。分类：气态杂质源扩散液态杂质源扩散固态杂质源扩散微制造概述1）扩散（）扩散（Diffusion)气态杂质源扩散半导体晶片放入扩散炉内，利用携带气体（氮气或惰性气体）携带所希望的杂质源的蒸气从晶片上面通过。在高温下，杂质由半导体晶片表面向内部渗透，在一定的蒸气压力下，扩散杂质进入晶片的深度取决于扩散时间和扩散温度。微制造概述扩散（扩散（Diffusion)液态杂质源扩散干燥的携带气体（如氮气）经过盛有液态杂质源的容器，再通过石英管中加热了的晶片。由于采用了液态源，携带气体会不断地将液态源杂质的蒸气带到晶片周围，容易在较低温度下获得所需要杂质蒸气压，生产效率高，扩散层质量好。微制造概述1）扩散（

31、）扩散（Diffusion)固态杂质源扩散一、预淀积（Predeposition)：在低真空中，在氮气保护的气氛下，杂质原子从杂质源转移到加热了的（750）晶体表面并扩散，形成沉淀层。此时进入晶体表面的杂质原子数量受到杂质在晶片材料中固体溶解度的限制。二、驱入（Drive-in)：将在扩散炉内的晶片加以高温（1200），在惰性气体的氛围内，预淀积层中的杂质得到重新分配，使杂质达到晶片的内部所期望的深度。微制造概述掩模掩模(mask)为了使杂质扩散到选定区域，必须采用掩蔽材料，使在一定区域能抵御杂质原子（如硼、磷）的侵入，这种掩蔽材料，叫做掩模（掩模（mask）。一般可在晶片上生长一层掩蔽膜，如

32、二氧化硅膜，然后在膜上蚀刻出一些窗口，为“扩散窗”。扩散时，杂质要通过扩散窗进入所选择区域的晶片内部。掩模的最小厚度与杂质源的材料、扩散时间和扩散温度有关。微制造概述2）离子注入（）离子注入（Ion Implantation)也称为离子掺杂，在多方面优于扩散掺杂工艺。它用杂质元素（如硼、磷）的离子束来轰击晶片，以达到掺杂的目的。杂质元素的离子束被电场加速（用电磁场控制其偏转），获得极大的速度和能量，垂直地打到晶片上，离子以高速度穿透晶体表面进入晶片内，在晶片体内不断与晶片中原子相接，使得速度下降，最后在晶片内某处停留。只要控制离子束能量，就可精确地控制离子掺杂的位置和杂质原子的数量。微制造概述

33、2）离子注入（）离子注入（Ion Implantation)特点：它的掺杂过程是在较低的温度（750 C）下进行的，晶片的电学性质不易受热的影响；离子垂直打入，无侧向扩散问题，可精确控制杂质的数量和分布；可使用各种掺杂剂；可发展为无掩模技术。缺点：作为衬底的晶片结构会受到损伤（经过热退火工艺可恢复）；需要真空设备；成本较高。微制造概述4.光刻（光刻（Lithograph)光刻法是IC工艺的关键技术。加法、减法“加法”：前述薄膜成型的方法，都是在基片上增加材料；“减法”：光刻；灵活运用加减法，可制作出各种各样的微结构来。定义：光刻即将掩模上的图形经过曝光和印刷转移到薄膜或基片表面，通过选择性蚀刻

34、，获得所需微结构的方法。微制造概述4.光刻（光刻（Lithograph)光刻的工艺过程：1)光刻前样品样品：微制造概述4.光刻（光刻（Lithograph)光刻的工艺过程：2)在硅片上在硅片上涂抗蚀剂涂抗蚀剂薄层薄层：光刻前需在被刻蚀表面上涂抗蚀剂，即在硅片表面形成厚薄均匀、附着力强且没有缺陷的抗蚀剂。抗蚀剂抗蚀剂是一种对光敏感的材料，因此也叫感光胶、光刻胶感光胶、光刻胶。光刻胶的特点光刻胶的特点是，受到光辐射后，发生光学反应，其内部分子产生变化，在显影液中，光刻胶的感光部分和未感光部分的溶解度相差很大。利用这一特性，在硅片上涂抗蚀剂（光刻胶）薄层。为 了不在光刻中引起缺陷，涂胶要始终在超净环

35、境超净环境中进行。光刻抗蚀剂的两个主要参数：热稳定性热稳定性和灵敏度灵敏度。抗蚀剂的选择要与曝光时所用的光源相匹配。涂胶后的硅片，需要在一定温度下烘烤，也称“前烘前烘”。以便减少薄膜应力，提高其附着力，还应注意严格控制其温度和时间，以免影响曝光精度和灵敏度。光刻胶微制造概述4.光刻（光刻（Lithograph)光刻的工艺过程：3)曝光（曝光（Exposure）：通过掩模板对抗蚀剂辐照，使某些区域的光刻胶感光。曝光方式：接触式曝光接触式曝光：掩模与被加工工件直接接触。设备简单，操作容易；掩模易磨损，精度不够高。接近式曝光接近式曝光：离得很近。掩模寿命长。投影式曝光投影式曝光：掩模的像投影到工件上

36、。掩模寿命长，精度高；设备精度要求高，操作时要防止振动。光刻胶微制造概述4.光刻（光刻（Lithograph)光刻的工艺过程：4)显影（显影（Develop）：曝光后，把被加工工件放在显影液（一般为有机溶剂）中，溶去一部分抗蚀剂。显影后，需要将工件高温处理，以达到坚膜坚膜的目的（即增加光刻胶对硅片的附着力）。光致抗蚀剂膜附在被加工工件的一部分表面上，而把需要开窗和刻槽的部分暴露出来。残存的抗蚀剂膜能保护被加工工件免受蚀刻液腐蚀，为下道工序打好基础。经显影后，在光刻胶留下掩模图形：光刻胶微制造概述4.光刻（光刻（Lithograph)光刻的工艺过程：5)蚀刻（蚀刻（Ething)：利用蚀刻液将未

37、覆盖抗蚀剂的那部分材料除去。应用：蚀刻法可用于刻画图形、除去工件表面层损坏部分、除去污染、清洁工件表面、制作微型三维结构和可动元件。分类：干式蚀刻：等离子蚀刻、反应离子蚀刻、物理溅射法蚀刻等湿式蚀刻SiO2层微制造概述4.光刻（光刻（Lithograph)光刻的工艺过程：6)除去抗蚀剂除去抗蚀剂：蚀刻后，就不需要光刻胶作保护层了。因此这一过程也称为去胶。分类：湿式去胶：根据需要选用有机或无机溶剂去胶。干式去胶：用等离子体将光刻胶去除。光刻胶微制造概述4.光刻（光刻（Lithograph)光刻的工艺过程：7)根据需要，在指定范围扩散杂质扩散杂质，以达到掺杂的目的：扩散杂质微制造概述4.光刻（光刻

38、（Lithograph)光刻的工艺过程：抗蚀剂的涂布曝光显影蚀刻除去抗蚀剂扩散杂质微制造概述4.光刻（光刻（Lithograph)其它参考资料上的光刻工艺流程微制造概述4.光刻（光刻（Lithograph)掩模掩模(Mask)制作掩模是指光刻时，对被加工工件的一种掩蔽用膜片。其作用类似于照相底片。传统的掩模板是在石英玻璃板上淀积铬(Cr)层，掩模图形由电子束或激光束在铬层上直接刻写。为了避免掩模被污染，还要在掩模表面形成12 um厚的、有透光性的、可以清洗且结实的保护膜，如硝化纤维素醋酸盐和碳氟化合物。微制造概述微电子制造工艺流程实例：场效应管微电子制造工艺流程实例：场效应管MOSFET的微制

39、造过程的微制造过程最左列的步骤(1.0)、(2.0)、(3.0)、(4.0)、(5.0)、(6.0)、(7.0)、(8.0)是制造工艺流程中的关键工艺。后面是相对应的后续主要工艺。裸硅圆片的剖面图。淀积一层氧化层。这层氧化层只起过渡的作用。旋 涂 光 敏 抗 蚀 层（光刻胶），将其淀积在氧化层顶部。光刻胶曝光、显影。刻蚀氧化层，光刻胶作为掩膜。微制造概述微电子制造工艺流程实例：场效应管微电子制造工艺流程实例：场效应管MOSFET的微制造过程的微制造过程用有机溶液刻蚀去掉光刻胶。(3.1)-(3.3)中，图形化的氧化层作为掺杂的掩模。淀积一层含有掺杂杂质的材料。热处理硅片，使杂质扩散进入未被氧化

40、层覆盖的硅片中。去除在(3.1)中淀积的掺杂层。微制造概述微电子制造工艺流程实例：场效应管微电子制造工艺流程实例：场效应管MOSFET的微制造过程的微制造过程去除氧化层。(4.1)-(4.4)完成了生成另一层图形化的氧化层。生长另一层硅氧化层。淀积光刻胶。刻出光刻胶图形。光刻胶作为掩模，刻蚀氧化层。微制造概述微电子制造工艺流程实例：场效应管微电子制造工艺流程实例：场效应管MOSFET的微制造过程的微制造过程去除(4.2)中淀积的光刻胶。与(4.0)的区别在于氧化层覆盖在未掺杂区。(5.1)(5.4)淀积了另一层氧化层并转移图形。生长一层非常薄的氧化层栅氧化层。要求栅氧化层有很高的质量，即没有污

41、染和缺陷。再淀积一层光刻胶。刻出光刻胶图形。光刻胶作为掩膜，刻蚀栅氧化层。微制造概述微电子制造工艺流程实例：场效应管微电子制造工艺流程实例：场效应管MOSFET的微制造过程的微制造过程去除(5.2)中淀积的光刻胶。未被氧化层覆盖的有源区将提供和金属的电接触。(6.1)(6.4)淀积和图形化多晶硅栅电极。淀积一层掺杂多晶硅。淀积一层光刻胶。刻出光刻胶图形。光刻胶作为掩膜，选择性刻蚀多晶硅。微制造概述微电子制造工艺流程实例：场效应管微电子制造工艺流程实例：场效应管MOSFET的微制造过程的微制造过程用有机溶液刻蚀去除光刻胶。(6.0)和(7.0)的主要区别在于步骤7.0多了一层多晶硅。每个晶体管必

42、须用低阻金属线相连并且能够和外界连接。(7.1)(7.3)实现金属引线的引出和连接。淀积一层金属。淀积光刻胶并光刻出图形。光刻胶作为掩模，刻蚀金属。淀积光刻胶并光刻出图形。微制造概述微电子制造工艺流程实例：场效应管微电子制造工艺流程实例：场效应管MOSFET的微制造过程的微制造过程去除光刻胶，完成FET。微制造概述硅基硅基MEMS工艺工艺体微机械加工工艺指利用蚀刻工艺，对块状硅进行准三维结构的微加工。选择性地去除体材料以形成特定的三维结构或机械元件，如梁和薄膜。体微机械加工还可以与圆片键合结合以形成更复杂的三维结构。表面微机械加工微制造概述硅基硅基MEMS工艺实例：压力传感器的工艺步骤工艺实例

43、：压力传感器的工艺步骤压力传感器微加工工艺过程。图示的只是精简的过程，很多细节步骤都略掉了的。圆片通过清洗，去除大颗粒、灰尘和不可见的有机残留物。将清洗过的圆片放置在流动氧气或水汽的高温炉中，空气中的氧原子或小分子分解出的氧原子将和硅反应，淀积一层二氧化硅保护膜。氧化物生长在圆片的两面和边缘。从高温炉取出圆片，并冷却至室温。在圆片上淀积一层很薄的光刻胶，常用旋涂法。也可采用气相涂覆、蒸气涂布或电镀法。软烘。旋转涂胶后，圆片在对流烘箱中进行烘烤，以去除胶中大部分溶液并使胶的曝光特性固定。微制造概述硅基硅基MEMS工艺实例：压力传感器的工艺步骤工艺实例：压力传感器的工艺步骤高能辐射（如紫外线、电子

44、束或X射线）透过掩模对光刻胶曝光。掩模上的图形挡住了光，透过部分的光则有足够高的能量改变胶的化学和机械特性。显影，有选择地去除光刻胶。硬烘。需要再次烘烤光刻胶，比软烘温度更高，时间更长。硬烘可去除剩余溶液，并使留在圆片上的光刻胶与圆片粘得更紧。硬烘的程度决定紧随其后的工序。光刻胶掩模用于选择性地掩蔽SiO2不受刻蚀。刻蚀剂在曝光容器刻蚀氧化层，但对下层硅和光刻胶掩模几乎不刻蚀。用有机刻蚀溶剂（如丙酮）去除光刻胶。硬烘后的光刻胶能抵抗刻蚀剂的刻蚀，但不能抵挡丙酮。当然，有机溶剂不能刻蚀氧化层和硅。微制造概述硅基硅基MEMS工艺实例：压力传感器的工艺步骤工艺实例：压力传感器的工艺步骤硅圆片浸入硅湿

45、法刻蚀剂中进行刻蚀。刻蚀剂不会刻蚀硅氧化层。只有氧化层上开有窗口处的硅被刻蚀，形成一个空腔，其侧壁为结晶面。对给定的圆片厚度，且窗口开得足够大，空腔可能穿通到圆片的另一面。再次用刻蚀剂去除氧化层。完成后的圆片空腔。从倾斜角度来看所完成的圆片空腔。微制造概述硅基硅基MEMS工艺实例：压力传感器的工艺步骤工艺实例：压力传感器的工艺步骤将另一圆片固定在上一步骤所完成的圆片之上。注意加工圆片的环境要洁净，因为粘附在任何五个圆片键合表面的微波颗粒将影响键合的最终质量。通过机械抛光或化学刻蚀减薄顶部圆片。顶部圆片剩余的厚度决定了膜的厚度。薄膜应该有较高的灵敏度。将压力传感器做在制备好的膜上。淀积并图形化一

46、层薄膜（如氧化层），作为离子注入的掩蔽层。硅圆片上通过高能掺杂离子轰击形成掺杂区，即形成了压阻，其电阻随压力改变而变化（因为膜会在压力下弯曲）。倾斜圆片的空腔。微制造概述硅基硅基MEMS工艺实例：压力传感器的工艺步骤工艺实例：压力传感器的工艺步骤剖面图形式描述的制造工序清洁淀积、刻蚀氧化层。刻蚀硅刻蚀氧化层固定上层圆片减薄上层圆片掺杂微制造概述硅基硅基MEMS工艺工艺体微机械加工工艺选择性地去除体材料以形成特定的三维结构或机械元件，如梁和薄膜。体微机械加工还可以与圆片键合结合以形成更复杂的三维结构。表面微机械加工工艺在硅基片上采用不同的薄膜淀积和蚀刻方法，在硅表面上形成较薄的结构。微机械器件制

47、作在圆片正面的薄层内，称为表面微加工工艺。通过去除薄膜结构下的间隔层来获得可去的机械单元，而不是对衬底进行直接加工。这层间隔层叫牺牲层(sacrificial layers)，在后续工序中会利用化学腐蚀方法将这层材料溶解掉。是表面微机械加工的基本特征。物理学家Richard Feynman首先预想了这种工艺的总体概念。微制造概述典型的表面微机械加工工艺淀 积 牺 牲 层（如氧化物）图形化牺牲层淀 积 结 构 层(如多晶硅薄膜)选 择 性地 去 除牺 牲 层以 释 放顶 部 的结构层微制造概述硅基硅基MEMS工艺工艺体微机械加工工艺和表面微机械加工工艺互不排斥、互相结合：体微机械加工和表面微机械

48、加工常常需要结合起来才能实现MEMS功能。可以和其它工艺结合起来加工各种体材料和薄膜材料。微制造概述硅基硅基MEMS工艺工艺其它工艺圆片键合激光加工微铸三维组装微制造概述5.封装与集成封装与集成封装：包括划片、裸芯片装配、密封和测试等工序。集成：将电路和机械元件共同集成制备到同一硅裸芯片上。单片硅裸芯片的芯片级封装示意图微制造概述5.封装与集成封装与集成电路可以与MEMS器件在圆片级、封装级、电路板级进行集成。圆片级集成。优点：电路和机械元件比较紧凑，电磁噪声及其它噪声较小。实现小尺寸封装的潜力最高。缺点：1）芯片引脚不匹配。微机械元件比电路元件要大许多，增加了裸芯片整体的引脚数目，减少了圆片

49、上的芯片数目。2）材料复杂并可能降低成品率。电路和微机械元件制造在同一裸芯片上，它们的材料和工艺互相交织，常常使加工和制造的复杂性增加，也可能引起成本的增加。微制造概述5.封装与集成封装与集成电路可以与MEMS器件在圆片级、封装级、电路板级进行集成。芯片级集成。微机械部分和电路裸芯片是单独制作的，裸芯片被安插在同一个封装体中，并通过焊线实现电学连接。因此材料和工艺不存在耦合。这种多芯片组件（MCM)需要电路和微机械元件之间有较长的距离。但是它很好地回避了在圆片级封装方案中所遇到的问题。微制造概述5.封装与集成封装与集成电路可以与MEMS器件在圆片级、封装级、电路板级进行集成。电路板级集成方法。

50、将微机械封装体和电路封装体在电路板上实现连接。这种方法存在最长的引线以及最大的电学噪声，不利于小型化。微制造概述5.封装封装封装是工艺的一部分，而不是工艺结束时再做的工作。会极大程度地影响MEMS器件的性能、成本、可靠性，甚至从根本上影响MEMS器件在市场上的竞争力。封装成本占整个系统总成本的30%90%微制造概述5.封装封装-圆片划片圆片划片圆片都是由很多裸芯片组成的，在封装之前要将这些裸芯片切开。传统的方法是划片。高速旋转的划片刀具在硅圆片上切割出一个槽，切割时将水喷洒到圆片上起润滑和降温的作用。浅沟槽可以使硅圆片裂开而不至于破裂。微制造概述6.封装封装-圆片划片圆片划片2006年以来，开