随着微机械和微机电系统的发展,制造技术已成为其主要的关键技术。微机械和微机电系统中使用得 最多的材料是硅(单晶硅、多晶硅和非晶硅)。单晶硅具有各向异性的特性,可以应用各向异性刻 蚀法加工立体微硅器件。现在,立体光刻加工技术已是制造三维立体微硅器件的最基本方法之一。 1三维立体光刻加工技术的基本原理1.1各向同性刻蚀和各向异性化学刻蚀普通制造集成电路中 使用的光刻,是在抗蚀光刻胶曝光显影获得抗蚀光刻胶的平面图形后,使用各向同性化学腐蚀,只 能刻蚀厚度小于1μm的平面图形,否则抗蚀光刻胶图形边缘后面的基体材料亦将被腐蚀(如图1 a)。微机械和微机电系统中要制造三维立体微结构,硅晶体必须再使用各向异性的蚀刻才能得到 要求的立体微结构。图1b是单晶硅经各向异性蚀刻后得到的蚀刻槽形示意图。1.2硅晶体各向 异性刻蚀的原理硅晶体所以能进行刻蚀,是利用硅晶体各向异性的特性,硅晶体的不同晶面腐蚀速率有很大差别。硅晶体属于6方晶系,它的主要晶面有(100 )、(110 )和(111)晶面,如图2所示。由于单晶硅为各向异性晶体,不同晶面方向的化学腐蚀速率有较大差别。采用不同化学腐蚀剂时各晶面的蚀刻速率不同,相对蚀刻速率比亦不同。在使用“KOH+H2 O”作为腐蚀剂时,(10 0 )、(110 )、(111)晶面的蚀刻速率比大致为4 0 0∶10 0∶1。各晶面腐蚀速率不相同的是由于各晶面中的硅原子密度不同。其中(111)晶面的硅原子密度最大,故腐蚀速率最低,而(10 0 )晶面的蚀刻速率最高。因为相对腐蚀速率差别很大,可以近似认为(111)晶面是不被腐蚀的。 因此可以根据各晶面的相对空间位置,设计微器件结构的晶面方向,使之能用各向异性的蚀刻方法 ,制造出要求的立体微结构对硅的各向异性腐蚀常用的有“乙二胺+联氨+邻苯二酚+水”、“KOH+H2 O”等腐蚀剂。第二种腐蚀剂用得较多。改变成分配比可改变腐蚀速率。1.3各向异性立体光刻时 硅晶体表面的保护掩膜对硅晶体进行各向异性的立体刻蚀时,刻蚀深度可以是数微米到数十微米。 刻蚀时间较长,硅晶体表面原来的抗蚀光刻胶掩膜不能承受这样的腐蚀。因此,硅晶体表面不应被刻蚀的部分,必须要有耐腐蚀的图形掩膜来保护。现在使用的耐腐蚀保护掩膜有Si3N4膜和SiO2 膜。Si3N4 掩膜性能较好,基本不被化学腐蚀剂侵蚀。“KOH +H2 O”腐蚀剂对SiO2 掩膜稍有腐蚀性,腐蚀速率约为1.4nm/min。进行各向异性腐蚀前,先要制成Si3N4 图形掩膜。第一步先用气相沉积法在硅晶体表面覆盖一薄层Si3N4 (或SiO2 )膜,再在这Si3N4 (或SiO2 )膜表面涂上抗蚀光刻胶,用光刻、曝光、显影制成光刻胶图像掩膜。用平面刻蚀法将Si3N4 掩膜刻蚀成要求的图形。硅晶体表面上被掩膜图像保护的部分在各向异性刻蚀时不被刻蚀,而表面上裸露部分在后续的立体刻蚀工序将被刻蚀。2硅晶体的三维立体光刻加工技术2 .1硅不同晶面的基本刻蚀形状硅晶体进行各向异性刻蚀时可刻蚀的晶面为(10 0 )和(110 )晶面,这两晶面经各向异性刻蚀后,得到的基本刻蚀形状是不同的。各向异性刻蚀在自由刻蚀状态下,终止的面都是(111)晶面。因被刻蚀的(10 0 )、(110 )晶面和晶体内的(111)晶面的相互位置不同,得到的各向异性刻蚀结构形状也就不同了。图3所示,是在相同掩膜形状时,(10 0 )晶面各向异性刻蚀后的槽形(图3a) ,和(110 )晶面各向异性刻蚀后的槽形(图3b)。(10 0 )晶面刻蚀得到的槽侧壁呈5 4.7°倾斜,而(110 )晶面刻蚀后得到的槽可以有垂直的侧表面。设计硅微结构时,如果这硅微结构准备用立体各向异性 刻蚀方法制造,则必须考虑所用的晶面和晶体方向,以及刻蚀后形状能否符合所设计的微结构要求。(100 )晶面的腐蚀速率最高,刻蚀出的微结构侧壁呈5 4.7°倾斜。此外,应注意槽边的方向,必须和晶胞边的方向一致,这样才能刻蚀出直线的槽边。因(10 0 )晶面的晶胞为方形,故可以刻蚀出方形和长方形的槽和孔,如图4a所示。(110 )晶面可以刻蚀出侧面垂直的槽和孔,这是它的很大优点,但因(110 )晶面的晶胞是菱形,故只能刻蚀出角度固定的平行四边形槽(图4b) ,而无法刻蚀出方形和长方形的槽和孔。2 .2 (10 0 )晶面刻蚀方形、长方形的凹槽和凸台(10 0 )晶面刻蚀方形和长方形槽比较简单,只要掩膜具有方形和长方形窗口,即可用各向异性刻蚀法刻蚀出方形和长方形的槽,如图5所示。刻蚀方形和长方形槽得到的槽侧面倾斜5 4.7°,底面为和顶面平行的平面(图5c)。如完全自由地继续腐蚀下去,则方槽可得到底为正 方形的倒金字塔凹槽,长方形槽则得到V形凹槽(图5d)。这种V形凹槽的槽宽W和槽深h之关系为,W=2h。(10 0 )晶面要蚀刻出方形或长方形台地就比较费事,因为用方形或长方形掩膜进行各向异性刻蚀时,图形 各凸尖角处将被向内腐蚀,出现高指数面,如图6所示。如要补偿方形台地的尖角处被多刻蚀的部 分,需在方形或长方形掩膜的尖角处多做出一小块,如图7所示。这方形或长方形掩膜尖角处多凸 出一块的大小,需经计算确定。即当槽向底面向下腐蚀时,凸角处侧面亦向内腐蚀,当槽底刻蚀到 要求深度停止刻蚀时,顶面尖角处也正好向内刻蚀到方形或长方形台地的尖角处,这样正好刻蚀出顶面为方形或长方形的凸台面。2.3(10 0 )晶面各向异性刻蚀法制造悬臂梁和斜桥利用硅晶体各晶面的各向异性腐蚀特性可以制造多种硅立体 微结构。例如,制造微悬臂梁和微悬桥,可用于制造共振器、加速度计及微红外传感器等。这各向 异性刻蚀方法和其他工艺结合,可以制造结构相当复杂的微构件。下面介绍两个简单的例子。在硅晶体的(100 )晶面上的掩膜开两个长方形窗口,窗口边的方向和(10 0 )晶面的晶胞边平行,则用各向异性刻蚀方法将刻蚀出两个长方形的槽,如图8a所示。如果掩膜中 间梁是一端断开时,由于凸尖角的向内腐蚀效应,高指数面将使腐蚀作用进入梁掩膜的下方,将梁 下方的硅材料腐蚀去除,最后使掩膜中间的梁成为悬臂梁微结构,如图8b所示。图8a中掩膜的中间梁,因为梁侧边是和(100 )晶面的晶胞的边平行,梁下面的硅晶体材料,在用各向异性刻蚀时不能被腐蚀去除。但如该梁的侧边是斜的,即梁的侧边和(10 0 )晶面的晶胞的边不平行,则掩膜梁下方的硅晶体将被腐蚀去除,最后掩膜中间的斜梁将被悬空,而 成斜桥形微结构,如图8c所示。3使用埋藏的抗腐蚀层加工立体微硅器件立体光刻中使用埋藏的 抗腐蚀层可加工出较复杂的立体微硅结构器件。图9是使用这种工艺制造三维微结构的一个简单实 例。在单晶硅基底上先局部掺浓硼得到P+层,并刻蚀成要求的图形。这掺浓硼的P+层有较强的 抗化学腐蚀性,可以形成埋藏的腐蚀终止层。在这单晶硅基底表面(含渗掺浓硼的P+表面)外延生长单晶硅层,再在单晶硅层表面氧化生成SiO2层。将表面的SiO2 层用光刻法刻蚀成要求图形,即将部分单晶硅表面保护而将部分硅表面裸露出来。进行各向异性的化学腐蚀,无SiO2 层保护的单晶硅被各向异性腐蚀去除。当腐蚀到埋藏的P+层时,有P+层保护的单晶硅不被腐蚀, 而无P+层保护处的单晶硅被继续腐蚀去除,最后得到如图9中所示的三维微结构。4光刻技术结合牺牲层工艺加工立体微器件4.1牺牲层工艺的基本原理微型机械和微机电系统中,一般都有静止不动的部分,同时也有动的部分 。使用牺牲层技术,就是将某些连接层腐蚀去除,使微型机械系统中需要动的部分结构解除约束, 脱离(或部分脱离)母体基板而能移动或转动。这对某些微型机械系统是极为重要的,例如轴承、 齿轮、滑块、驱动器的运动部分,某些传感器的振动子或谐振梁,微电机的转子等。用牺牲层工艺 制造微器件和微系统时,都是和光刻技术一同进行的,牺牲层的加入和腐蚀去除,只是整个光刻工 艺过程的一部份。牺牲层工艺现在已是一些复杂微型结构和微系统制造中不可缺少的重要方法。理 想的牺牲层材料应能满足如下要求:(1)牺牲层容易用化学或物理方法生成,沉积层表面应平滑,厚度易于控制;(2)牺牲层容易加工出要求的精细图形构体;(3)牺牲层容易并且能快速地用化学或物理方法去除,并且所用腐蚀剂应不损伤相邻的结构材料。常用的牺牲层材料有SiO2 、金属钛等。SiO2 很容易由Si氧化得到,用普通光刻工艺进行加工成形。SiO2 可以用HF酸腐蚀去除,HF酸并不腐蚀相邻的单晶Si和多晶Si。采用牺牲层工艺制造微器件时 ,都需在微器件外面加不被腐蚀的外壳,外壳中有通道,通道不应过窄,使腐蚀剂可以顺利地通过 通道进入内腔,腐蚀去除牺牲层。作用完的废液应能顺利排出,除去牺牲层,使微系统中需要动的部分有活动的空间。然后应将内腔清洗干净,最后再进行微器件的密封。4.2应用实例(1)使用牺牲层工艺制造某种密封谐振梁器件系统这种密封谐振梁和密封腔盖都是用多晶硅制成,牺牲层为SiO2 。这些材料都是用低压化学气相沉淀法沉淀上去的。整个工艺制造过程(见图10 )如下。①先在硅基体上沉淀SiO2 层作为牺牲层,上面沉淀一层多晶硅作为谐振梁的结构材料,进行光刻,将多晶硅刻蚀成梁的形状,如图10a所示。②沉淀第二层SiO2 牺牲层,热氧化生成SiO2 腐蚀通道,进行光刻,将SiO2 牺牲层刻蚀成要求的外形,如图10b所示③沉淀第二层多晶硅层作为腔盖外壳,进行光刻,将多晶 硅外壳刻蚀成要求的外形,如图10c所示。④用HF酸腐蚀掉牺牲层,再进行多晶硅沉淀密封,如图10d所示。这种密封谐振梁微机械系统就这样制造完成。(2)用LIGA工艺和牺牲层工艺制造加速度传感器系统图11是其这制造工艺过程的示意图。这种制造工艺过程及具体要求简述如下。①因加速度传感器有
More abstracts about the 微机械制造中的三维立体光刻加工技术