微机电系统基础与应用Lecture3_4

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1、《微机电系统基础与应用》讲稿Lecture3讲授：甘志银编制：甘志银ganzhiyin@gmail.com1、集成电路与微系统：（1）整个项目流程比较；（2）工艺的比较；（3）MEMS典型器件2、微系统中的材料；3、光刻工艺；4、体加工工艺；5、LIGA工艺；6、平面加工工艺；（1）薄膜沉积与薄膜刻蚀；（2）典型3D结构的工艺事例MUMPS工厂与设计规则；（3）关于牺牲层工艺其他问题的讨论;体加工回顾体加工与各种可能的结构表面牺牲层工艺1）悬臂梁的如何制作？2）表面牺牲层工艺给MEMS提供了更丰富的内容悬臂梁制作牺牲层

2、结构层牺牲层刻蚀平面牺牲层工艺发展简介1965年，HarveyNathanson与WilliamNewell制作的振动栅极三极1984Howe和Miller在气体传感器中制作悬臂梁振荡器1988年：制作出薄膜弹簧、齿轮、静电马达等1989年：制作出横向梳状驱动器1991年：制作出多晶硅铰链1992年：MCNC开始提供Fundry服务1、集成电路与微系统：（1）整个项目流程比较；（2）工艺的比较；（3）MEMS典型器件2、微系统中的材料；3、光刻工艺；4、体加工工艺；5、LIGA工艺；6、平面加工工艺；（1）

3、薄膜沉积与薄膜刻蚀；（2）典型3D结构的工艺事例MUMPS工厂与设计规则；（3）关于牺牲层工艺其他问题的讨论;结构层－多晶硅在表面工艺中关键的是结构层的制备、结构层的材料的选择，目前大多数采用的是多晶硅（Poly）作为结构层，多晶硅的特性：断裂强度为：2－3GPa，而不锈钢只有0.2-1GPa；杨式模量（Y’dYoung’smoudllus）140-190GPa；有延展性：最大应变－0.5%；不容易疲劳；与IC加工工艺兼容；常用的牺牲层材料有SiO2与Si3N4；横向振荡器薄膜沉积技术化学气相沉积：多晶硅（P

4、oly）SiO2／PSG／BPSGSi3N4／SixNx高温氧化：SiO2物理气相沉积：蒸发各种金属溅射金属或介质材料。化学气相沉积的基本原理气体流过热的固体表面形成薄膜；气体的平均分子自由程影响气体的扩散与粒子的迁移率；化学反应的能量可以通过热量或等离子方式提供；气体分子的平均自由程定义：气体分子在相继两次碰撞之间依惯性运动所经过的路程，称为自由程；自由程的统计平均值称为平均分子自由程；11kTkmiij21i[[(1())nj]2222nddP1mj276060oTorr40

5、nm0.76Torr40um767.6mTorr4mm7.6uTorr4m几种典型的CVD设备APCVD100－760Torr350－400℃LPCVD100－500mTorr500—800℃PECVD2-5TorrPlasma＋300-400℃实际LPCVD设备工作菜单CVD的膜层均匀性与台阶覆盖沉积的粒子的能量与迁移率影响薄膜的台阶覆盖性；a)粒子的迁移率与能量大，台阶覆盖比较好；b)c)粒子的能量比较小，台阶覆盖比较差，薄膜的沉积与气体沉积的方向与角度有关；LPCVD－多晶硅用途：多晶硅在IC里作短程的电性

6、连接；LPCVD配置：1）硅烷（SiH4或SiH2Cl2)在高温下分解；2）温度：500－700℃；3）压力：100mTorr;4)在630℃，沉积速率10nm/min70010nm/min,700℃时70nm/min;多晶硅沉积在深宽比10以下时，能保证膜层比较均匀；大的应力（500MPa）与应力梯度；掺杂多晶硅掺杂多晶硅有三种方法：Instu方法：1）在沉积多晶硅的同时，加入1％体积的PH3或B2H6；2）掺杂气体会影响沉积速率，对于N型掺杂，沉积速率下降；对于P型掺杂，沉积速率上升；3）掺杂浓度为1020／c

7、m3，同时电阻能达到1－10mΩ/cm;4）掺杂的多晶硅也存在较大应力（500MPa）。扩散的方法：1）使用PSG－Poly－PSG层；2）900－1000℃，数小时；3）能重掺杂，电阻能达到0.1mΩ/cm；离子注入方法：采用粒子注入的方法，能准确地引入说需要的掺杂浓度，同时，对材料会造成一定的损伤。膜层存在很大的应力（500MPa)残余应力残余应力的产生1）膜层生长过程（不均衡等）；2）热应力：热膨胀系数不匹配；压应力与拉应力应力梯度在沉积薄膜时，不仅存在应力，而且在Z方向上存在应力梯度，薄膜会产生向上或向下

8、的弯曲。多晶硅应力当沉积温度<600℃时，沉积是不定型硅产生拉应力，使得基底向上弯曲；沉积温度>600℃时，在界面处的晶粒向垂直方向生长产生压应力，使得基底向下弯曲；残余应力对器件的功能的影响314EtWy24rtWf0325MLML控制残余应力的方法在900－1150℃下高温退火；晶粒的