中国MEMS传感器生产规模分析调研(5)

2019-08-20 19:26

蚀速率比为100:1。基于这种腐蚀特性,可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异性腐蚀剂一般分为两类,一类是有机腐蚀剂,包括EPW(乙二胺,邻苯二酸和水)和联胺等。另一类是无机腐蚀剂,包括碱性腐蚀液,如:KOH,NaOH,LiOH,CsOH和NH4OH等。

在硅的微结构的腐蚀中,不仅可以利用各向异性腐蚀技术控制理想的几何形状,而且还可以采用自停止技术来控制腐蚀的深度。比如阳极自停止腐蚀、PN结自停止腐蚀、异质自停止腐蚀、重掺杂自停止腐蚀、无电极自停止腐蚀还有利用光电效应实现自停止腐蚀等等。 (二)硅表面微机械加工技术

美国加州大学Berkeley分校的Sensor and Actuator小组首先完成了三层多晶硅表面微机械加工工艺,确立了硅表面微加工工艺的体系。

表面微机械加工是把MEMS的“机械”(运动或传感)部分制作在沉积于硅晶体的表面膜(如多晶硅、氮化硅等)上,然后使其局部与硅体部分分离,呈现可运动的机构。分离主要依靠牺牲层(Sacrifice Layer)技术,即在硅衬底上先沉积上一层最后要被腐蚀(牺牲)掉的膜(如SiO2可用HF腐蚀),再在其上淀积制造运动机构的膜,然后用光刻技术制造出机构图形和腐蚀下面膜的通道,待一切完成后就可以进行牺牲层腐蚀而使微机构自由释放出来。

硅表面微机械加工技术包括制膜工艺和薄膜腐蚀工艺。制膜工艺包括湿法制膜和干式制膜。湿法制膜包括电镀(LIGA工艺)、浇铸法和旋转涂层法、阳极氧化工艺。其中LIGA工艺是利用光制造工艺制作高宽比结构的方法,它利用同步辐射源发出的X射线照射到一种特殊的PMMA感光胶上获得高宽比的铸型,然后通过电镀或化学镀的方法得到所要的金属结构。干式制膜主要包括CVD

(Chemical Vapor Deposition)和PVD(Physical Vapor Deposition)。薄膜腐蚀工艺主要是采用湿法腐蚀,所以要选择合适的腐蚀液。

(三)结合技术

微加工工艺中有时需要将两块微加工后的基片粘结起来,可以获得复杂的结构,实现更多的功能。将基片结合起来的办法有焊接、融接、压接(固相结合)、粘接、阳极键合、硅直接键合、扩散键合等方法。

(四)逐次加工

逐次加工是同时加工工艺的补充,常用于模具等复杂形状的加工,其优点是容易制作自由形状,可对非平面加工,缺点是加工时间很长,属单件生产,成本

高。包括以下几种:

逐次除去加工:如用于硅片切割的砂轮加工;细微放电加工、激光束加工、离子束加工、STM(扫描隧道显微镜)加工。

逐次附着加工:如利用离子束CVD技术,可使仅被照射部分的材料堆积,形成某种结构。

逐次改质加工:比如可以利用电子束或激光照射的办法使基板表面局部改质的技术,它的应用有电子束掩膜制作、非平面光刻、局部掺杂等。

逐次结合加工:比如IC引线焊接、局部粘结等。

MEMS与IC工艺主要差别 光刻技术 MEMS工艺 需双面光刻技术 IC工艺 单面光刻技术 一般薄膜腐蚀 各向同性腐蚀、阳极腐蚀、电钝化腐蚀, 限于表面加工 干法(腐蚀技术) 深层、高深宽比腐蚀 湿法(腐蚀技术) 各向异性腐蚀、自停止技术、 深层体硅腐蚀 牺牲层技术 表面硅微加工工艺,与IC工艺兼容, 不常用 用于制造表面活动结构 键合 LIGA 硅硅直接键合、硅玻璃阳极键合 制作高深宽比结构,成本高 高温键合制作SOI材料 不用

2.1 薄膜(thin-film)

薄膜区间是尘积介电质或金属层的地方,介电质是用于隔离开各层金属的多为玻璃层,而金属层是集成电路中的导线,多采用铝或铜或铝铜合金,因此介电质和金属沉积也是集成电路的制程中的重要制程。薄膜技术有物理气象沉积(包括蒸镀既借着对被蒸镀物体加热,利用被蒸镀物在高温时所具备的饱和蒸气压,来进行薄膜的沉积.和溅镀既利用电浆所产生的离子,借着离子对被溅镀物体电极的轰击,使电浆的气相内具有被镀物的粒子,来产生沈积薄膜的.)和化学气象沈积既利用化学反应的方式,在反应器内将反应物(通常为气体)生成固态的生成物,并沉积在芯片表面的一种薄膜沉积技术。

2.2 黄光(Photo)

微影技术是制造集成电路的重要之一,通过暴光和显影的程序它可以将光罩上设计的图案转移到晶圆表面的光阻上,其主要过程包括光阻涂抹,烘拷,对准,暴光及显影等程序,由于

光学上的需要,此段制程之照明采用偏黄的可见光,因此习惯上将此区称为黄光区。在黄光区内,利用整合型的晶圆轨道机——步进机系统来完成这个过程,其利用紫外光线或深紫外光线来照射光阻,以引起化学反应,将设计的光罩上的图形印到晶圆或光阻上,这也是集成电路厂中最昂贵的工具,每台的价格都可达到数百万美元,因此也常成为生产中的瓶颈。

2.3 蚀刻(Etch)

Etch作为IC制程中的主要环节之一,其目的是化学物质的反应来去除wafer表面多余的物质,根据各stedp的目的不同有多种具体方式,但从其基本的原来可将其分为两种,既WetEtching(湿蚀刻)和DryEtching(干蚀刻),WetEtching是用将wafer放入化学溶液中,通过化学反应将要蚀刻掉的物质腐蚀掉,而干蚀刻是将化学气体吹到weafer表面上,与其发生反应,以实现蚀刻的目的。两者相比,后者的过程中的关键参数容易控制,用物理或化学的方法均可实现,且对图形的控制能力较强,而前者只能通过化学的方法实现,且对关键参数的控制能力较差,尤其是当线宽越来越细时,湿蚀刻将无法使用,但对于不同的蚀刻对象和环境,两者各有各自适合的范围,两种方法要根据工艺的要求不同来选择。

在湿蚀刻的过程中还有一个重要的技术过程是waferdrying,因为湿的wafer是无法进入到下一道工序的,必须通过一些方法使其干燥,常用的方法有:Down-FlowSpinDryer既是利用高速旋转的方法,靠离心力的作用干燥;和IPAVaporDryer,MarangoniDryer等,其中Down-FlowSpinDryer因为力的作用,易形成watermark,且增加wafer的应力,转动过程中还会形成摩擦,而IPAVaporDryer和MarangoniDryer可防止watermark但时间较长,且化学用量多。

2.4 扩散(Diffusion)

扩散区间是进行加热制程的区域,这些制程可能是用来添加制程或者是用来加热制程,如在晶圆表面生成氧化层,扩散掺杂等是添加制程,而离子植入后用于恢复晶体结构的热处理是加热制程。高温炉是这区域的批量制程工具,它能够同时处理150片的wafer,可以将这些预置在硅芯片表面上的掺质,藉高温扩散的原理,把他们趋进芯片表面的材质内。

LIGA是德文Lithographie,Galanoformung和Abformung三个词,即光刻、电铸和注塑的缩写。

LIGA技术

LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术(工艺流程如图所示),主要包括X光深度同步辐射光刻,电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱,使LIGA技术能够制造出高宽比达到500、厚度大于1500 μm、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。这是其它微制造技术所无法实现的。LIGA技术被视为微纳米制造技术中最有生命力、最有前途的加工技术。利用LIGA技术,不仅可制造微纳尺度结构,而且还能加工尺度为毫米级的Meso结构。

与其它微细加工方法相比,LIGA技术具有如下特点: (1)可制造较大高宽比的结构; (2)取材广泛,可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等; (3)可制作任意截面形状图形结构,加工精度高; (4)可重复复制,符合工业上大批量生产要求,制造成本相对较低等。

LIGA技术从首次报导至今,短短十多年飞速发展,引起人们极大的关注,发达国家纷纷投入人力、物力、财力开展研究,目前己研制成功或正在研制的LIGA产品有微传感器、微电机、微执行器、微机械零件和微光学元件、微型医疗器械和装置、微流体元件、纳米尺度元件及系统等。为了制造含有叠状、斜面、曲面等结构特征的三维微小元器件,通常采用

多掩模套刻、光刻时在线规律性移动掩模板、倾斜/移动承片台,背面倾斜光刻等措施来实现。

目前,国内新兴发展起来的使用SU-8负型胶代替PMMA正胶作光敏材料,以减少曝光时间和提高加工效率,是LIGA技术新的发展动向。这是,由于LIGA技术需要极其昂贵的X射线光源和制作复杂的掩模板,使其工艺成本非常高,限制该技术在工业上推广应用。于是出现了一类应用低成本光刻光源和(或)掩模制造工艺而制造性能与LIGA技术相当的新的加工技术,通称为准LIGA技术或LIGA-like技术。如,用紫外光源曝光的UV-LIGA技术,准分子激光光源的Laser-LIGA技术和用微细电火花加工技术制作掩模的MicroEDM-LIGA技术.用DRIE工艺制作掩模的DEM技术等等。其中,以SU-8光刻胶为光敏材料,紫外光为曝光源的UV-LIGA技术因有诸多优点而被广泛采用。

3 封装

3.1 3D封装

由于工程中MEMS具有复杂的3D结构,且在现今高密度组装、小型化、轻型化和薄型化的趋势下,对于有限的面积,封装工艺必然在2D基础上向Z方向发展,这就是3D封装。3D封装形式主要有三个:

·埋置型。将MEMS元器件埋置在基板多层布线内或埋置、制作在基板内部。

·有源基板型。指用硅圆片IC做基板,先将圆片用一般半导体IC制作方法作一次元器件集成,做成有源基板,然后再实施多层布线,顶层仍安装各种其他芯片和元器件,从而实现3D封装。这种封装方式用于较复杂及附加电路较多的MEMS传感器的3D封装中。 ·叠层式。把两个或多个裸片或封装芯片在垂直于芯片的方向上互连成3D结构。推广开来,可将已经过单面或双面组装的MCM叠装在一起,然后进行上、下多层互连,或者将多个圆片叠在一起形成3D结构,然后再进行互连以完成3D封装。

3.2倒装焊技术

倒装焊(FCB)是将芯片的正面朝下,并与封装基板键合的一种封装方式。焊接时在芯片有源面的铝压焊块上做出凸起的焊点,然后将芯片倒扣,直接与基板连接。由于芯片与基板直接相连,倒装焊实现了封装的小型化、轻便化,缩小了封装后器件的体积和重量。由于凸点可以布满整个管芯,所以有效增加了I/O互连密度。因连线缩短,引线电感减小,串扰变弱,信号传输时间缩短,所以电性能大为改善。鉴于其本身的一系列优点,它已经成为MEMS封装中颇有吸引力的一种选择。


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