什么是表面硅MEMS加工技术?关键工艺有哪些?

2018-11-05 15:09:06 来源:ofweek电子工程
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表面硅MEMS加工技术是在集成电路平面工艺基础上发展起来的一种MEMS工艺技术,它利用硅平面上不同材料的顺序淀积和选择腐蚀来形成各种微结构。

 

什么是表面硅MEMS加工技术?

表面硅MEMS加工技术先在基片上淀积一层称为牺牲层的材料,然后在牺牲层上面淀积一层结构层并加工成所需图形。在结构加工成型后,通过选择腐蚀的方法将牺牲层腐蚀掉,使结构材料悬空于基片之上,形成各种形状的二维或三维结构。

 

 

表面硅MEMS加工工艺成熟,与IC工艺兼容性好,可以在单个直径为几十毫米的单晶硅基片上批量生成数百个MEMS装置。美国加州大学Berkeley分校的传感器与执行器研究中心(BSAC)首先完成了三层多晶硅表面MEMS工艺,确立了硅表面MEMS加工工艺体系。

 

表面硅MEMS加工技术的关键工艺有哪些?

1、低应力薄膜技术

表面硅MEMS加工工艺主要是以不同方法在衬底表面加工不同的薄膜,并根据需要事先在薄膜下面已确定的区域中生长牺牲层。这些都需要制膜工艺来完成。制膜的方法有很多,如蒸镀、溅射等物理气相淀积法、化学气相淀积法以及外延和氧化等。其中CVD是微电子加工技术中最常用的薄膜制作技术之一,它是在受控气相条件下,通过气体在加热基板上反应或分解使其生成物淀积到基板上形成薄膜。CVD技术可以分为常压、低压、等离子体增强等不同技术。

 

采用CVD所能制作的膜有多晶硅、单晶硅、非晶硅等半导体薄膜,氧化硅、氮化硅等绝缘体介质膜,以及高分子膜和金属膜等。由于在表面硅MEMS加工技术中最常用到的是多晶硅、氧化硅、氮化硅薄膜,而它们通常采用LPCVD或PECVD来制作。

 

2、PECVD制膜技术

PECVD法是利用辉光放电的物理作用来激活化学气相淀积反应。其淀积温度一般在400℃以下,可以用来淀积氧化硅、氮化硅、PSG、BPSG、Al2O3等绝缘体及钝化膜和非晶硅薄膜以及有机化合物和TiC、TiN等耐磨抗蚀膜。

 

在表面硅MEMS工艺中,PECVD主要用来制作低应力氮化硅薄膜。PECVD氮化硅是在低于400℃条件下,利用SiH4和NH3(或N2)反应形成。PECVD氮化硅的应力控制可以通过调整反应气体流量和等离子体的激活频率来实现。牺牲层技术是在硅基板上,先制作一定形状的牺牲层材料,再用化学气相淀积等方法形成制作微型部件的结构层。最后,以融解或刻蚀法去除牺牲层,使微型部件的可动部分与基板分离。理想的牺牲层材料必须满足以下要求:膜的厚度必须控制在可接受的公差内,这是由于不均匀的沉积将导致机械部件表面粗糙或不平整;牺牲层在结构层部件释放时,必须能够被去除干净;牺牲层的腐蚀选择率和腐蚀速率必须很高,以便在腐蚀牺牲层时,结构的其他部分不被明显损伤。

 

在表面硅MEMS加工技术中,通常是以LPCVD法制作的多晶硅作为结构层而以LPCVD法或PECVD法制作的PSG或PBSG作为牺牲层材料。PSG或PBSG结构疏松,可以在氢氟酸(HF)水溶液中以较快的腐蚀速率被去除干净。而多晶硅在HF水溶液中的腐蚀速度非常慢,在经过长时间腐蚀PSG或PBSG后,多晶硅结构层不会发生明显腐蚀。

 

表面硅MEMS加工技术常见的工艺流程

首先在衬底上淀积牺牲层材料(氧化硅)并形成可动微结构与衬底之间的连接窗口,然后淀积作为微结构的材料并光刻出所需的图形,最后利用湿法腐蚀去掉牺牲层,这样就行成了既能够活动又与衬底相连的微结构。

 

未来的应用趋势

向多层多晶硅的标准表面工艺发展:由于机械结构的复杂性,仅采用单层结构往往不能制备出所需构件,多层化是表面硅MEMS工艺必然的发展趋势。美国的MUMPs是典型的民用标准表面工艺线,该工艺可以实现多达4层的牺牲层和多晶硅层,制造出复杂的MEMS器件,并定期发布更新的标准工艺文件,接受来自世界各地的按照标准工艺文件形成的MEMS设计。在一批工艺流水中包含数十种设计,通过这种方式提供廉价、迅速的MEMS表面加工服务。

 

目前美国Sandia国家实验室开发的5层多晶硅表面硅MEMS集成工艺代表了这一方向的最高水平,它主要为军方的项目提供表面加工服务。

 

与CMOS集成的机电一体化技术发展:相对体硅工艺,表面工艺由于保持了衬底的完整性,更容易与CMOS工艺兼容,美国的ADI公司推出的基于BiMOS工艺和表面加工技术的集成加速度计在汽车上获得了广泛应用,到2004年销售超过了1亿只。实现CMOS工艺与多层多晶硅工艺的兼容目前还是一个挑战,合理地安排工艺步骤、选择合适的金属化体系来保证成品率是突破该技术的关键问题。

 
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