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MEMS個人學習筆記(二)
2022-07-15
文章詳情

1.光刻

光刻的目的是在硅片表面產生精細的圖案。

具體步驟:

(1)旋涂。圓片被固定在旋轉的臺面上,光刻膠被點在圓片的中心位置。然后圓片高速旋轉,光刻膠在離心力的作用下向圓片的邊緣移動。當圓片停止旋轉時,光刻膠會以均勻的厚度覆蓋在圓片上。

(2)產生光刻圖形。由透明的基板制成帶有不透明圖案的掩膜版,并將其靠近被光刻膠覆蓋的晶片上。高能量的平行光照照射覆有掩膜版的圓片,沒有被圖形覆蓋的光刻膠將會暴露在光線中,以此來改變光刻膠的化學組成。接著將圓片置于顯影液中,去除部分光刻膠,以此讓光刻膠在圓片上形成特定的圖樣。曝光過與未曝光的光刻膠有著不同的特性,對于正膠,曝光的部分在顯影液中有更好的溶解性。再將圓片浸入可以溶解薄膜材料。

(3)形成圖形化薄膜。將圓片浸入可溶解薄膜材料但不會影響光刻膠的化學溶液中,通過適當的時間控制,被光刻膠覆蓋的薄膜會保持完整而沒有被光刻膠覆蓋的薄膜將會被去除。然后去除光刻膠,這樣就能得到圖形化的薄膜。

個人理解的整體思路是這樣的:

目標是在圓片的薄膜上刻蝕出特定的圖形。但是這種圖形怎么形成呢?我們可以在薄膜上再蓋一層有特定形狀的保護膜,沒有保護膜覆蓋的薄膜會被去除。這樣表面上并沒有解決問題,只是將問題從如何形成有特定形狀的薄膜變成如何形成有特定形狀的保護膜。但是實際上,薄膜的材料已經定下來了,而保護膜的可以有很多選擇,很多加工方法不適應于薄膜但卻適用于保護膜,這大大提高了工藝的靈活性。而其中最常用的方案是將光刻膠作為保護膜的材料,將曝光后的圓片浸入顯影液來獲得特定的光刻圖形。

至于為什么要采用旋涂的方式,個人認為是如果采用涂抹或者別的方式來形成的薄膜會有厚度過厚和不均勻的問題。而在旋涂的過程中,使光刻膠移動的離心力是隨著半徑而緩慢變化的,因此能形成均勻的薄膜。

2.薄膜沉積

1)物理方法。直接將要沉積的材料以逐個原子或者逐層的方式從源材料沉積刀圓片表面。例如金屬蒸發(fā)、金屬濺射。通常形成的金屬薄膜范圍是1~2μm。

2)化學汽相淀積。兩種或更多的活性材料到達圓片表面臨近處,它們在良好的環(huán)境下發(fā)生反應,這些物質之間會生成固相,即物質會被吸附刀硅晶片表面。如果存在反應副產物,可能會被周圍的介質去除。連續(xù)反應引起材料層在圓片上形成。通常形成的薄膜平均厚度是1μm以下。

3.硅熱氧化

讓硅片在高溫(900攝氏度或更高的溫度)下與氧原子發(fā)生反應,在圓片表面生成一層氧化層。這層氧化層將內部硅原子和氧原子隔開,隨著厚度增加,氧化速率會降低。大多數應用中,熱氧化層的厚度在1.5μm以下。

4.濕法刻蝕

用濕法化學反應來去除材料,常用于去除半導體、聚合物、電介質、金屬以及功能材料。其關鍵指標包括刻蝕速率、溫度以及均勻性。對目標材料、掩膜材料和襯底的選擇性刻蝕是MEMS設計過程中至關重要的內容??涛g率定義為垂直方向,但刻蝕劑實際上也會與薄膜的側壁發(fā)生反應。在事件t范圍內,側壁的刻蝕長度稱為鉆蝕。鉆蝕的數量影響著圖形轉移過程中的精度。

5.硅的各向異性刻蝕

硅的各向異性刻蝕是微機械加工過程中獨特的工藝,可用于生產各種不同的三維結構。

6.等離子刻蝕和反應離子刻蝕

等離子刻蝕常被稱作干法刻蝕,因為整個過程不包括濕法化學反應。它通常在等離子體刻蝕機中進行,用于從硅片表面去除材料。刻蝕過程中,等離子體刻蝕機產生的電場會擊穿空腔中的化學活性氣體,形成帶電的活性氣態(tài)電子團。帶電原子團不僅會與圓片發(fā)生化學反應,還會在電場的加速作用下與圓片發(fā)生物理反應。兩種反應各有優(yōu)點,化學刻蝕的各向同性和材料選擇性比較好,而物理刻蝕定向性和各向異性會比較好。

若與圓片相連的電極是接地的,則稱之為等離子體刻蝕;若圓片與通有交流偏壓的電極相連,則稱之為反應離子刻蝕。反應離子刻蝕與等離子刻蝕相比,更偏向于物理反應,因此刻蝕各向異性。其中一種特殊的工藝名為深反應離子刻蝕,能夠在在圓片上產生較深的溝槽和光滑的側壁。

7.摻雜

摻雜工藝是將摻雜原子注入到半導體晶格之中,從而改變襯底材料的電學特性。摻雜源可以放置在圓片表面或利用離子注入精確地注入到硅原子的晶格之中。摻雜原子在圓片中的運動是隨機的,但總體而言是從高濃度向低濃度運動。這個過程稱為熱擴散,遵循菲克定律,濃度C是時間t和位置x的函數,即

其中,J(x,t)是在位置x和時間t時單位面積上流過的摻雜原子。參數D是擴散效率,取決于溫度,即

求解上式得

8.圓片劃片

圓片劃片是一個機械過程,用于將裸芯片從圓片上切下。

9.圓片鍵合

圓片鍵合是指在適當的物理和化學條件下,將兩個圓片接觸對準,形成永久性的黏合。根據鍵合溫度高低分為三類:室溫鍵合、低溫鍵合(低于100攝氏度)和高溫鍵合(高于100攝氏度)。

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