MEMS工藝前段制程的特點及設備

MEMS制造是基于半導體制造技術上發(fā)展起來的；它融合了擴散、薄膜（PVD/CVD）、光刻、刻蝕（干法刻蝕、濕法腐蝕）等工藝作為前段制程，繼以減薄、切割、封裝與測試為后段，輔以精密的檢測儀器來嚴格把控工藝要求，來實現(xiàn)其設計要求。

MEMS制程各工藝相關設備的極限能力又是限定器件尺寸的關鍵要素，且其相互之間的配套方能實現(xiàn)設備成本的最低；下面先簡要介紹一下前段制程的特點及涉及的設備。

擴散工藝：

MEMS生產(chǎn)中的擴散指工藝所需要的雜質在一定條件下對硅（或其他襯底）的摻雜。如在硅中摻磷、硼等。廣義上講，氧化與退火也是一種擴散；前者指氧氣在SiO2中的擴散，后者指雜質在硅（或其他襯底）中的擴散。其目的是要為了改變原材料的電學特性或化學特性。

如下圖是擴散爐，其三根管（上/中/下）的正常分配如FATRIUTC的分配：氧化爐，擴散爐，合金爐，分別用于形成SiO2，擴散雜質，鍵合后進行合金工藝。

爐管的主要關注技術數(shù)據(jù)且其通常的參數(shù)有（以FATRIUTC為例）：可加工硅片尺寸（4”6”圓片），可配石英管最大外徑（Φ220mm），工作溫度范圍（600℃~1200℃），恒溫區(qū)長度及精度【氧化/擴散（900℃~1200℃500mm/±0.5℃），退火合金（600℃~900℃500mm/±1℃）】，升溫時間（從室溫至1200℃≤90min），溫度斜變能力【最大可控升溫速度（600℃~1200℃15℃/min），最大降溫速度（1200℃~900℃5℃/min）】，送料裝置【行程（~1600mm），速度（30~1000mm/min），承載能力（≤12kg）】，凈化臺工作等級（靜態(tài)在10000級廠房達100級），氣體流量設定精度（±1%F.S.），氣路系統(tǒng)氣密性（1×10-7pa.m3/s），設備外形尺寸（5270×1140×2455L/W/Hmm），供電電源（三相五線~380V50Hz）。

如下是RTP機臺圖片及其特性參數(shù)；RTP（快速熱退火）是用各種熱輻照源，直接照射在樣品表面上，迅速將樣品加熱至700~1200℃左右在幾秒~幾十秒的時間內完成退火的工藝；如此可以極大地縮短工藝時間。

薄膜工藝：

MEMS生產(chǎn)中的薄膜指通過蒸鍍、濺射、沉積等工藝將所需物質覆蓋在基片的表層，根據(jù)其過程的氣相變化特性，可分為PVD與CVD兩大類。

PVD工藝涉及的機臺有電子束蒸鍍機（圖左）與磁控濺射機（圖右）

電子束蒸鍍利用電磁場的配合可以精準地實現(xiàn)利用高能電子轟擊坩堝內膜材，使膜材表面原子蒸發(fā)進而沉積在基片上；以FATRIUTC電子束蒸鍍機在MEMS制造過程的功用來說，其主要用來蒸鍍Pt、Ni、Au等。

而磁控濺射是在高真空（10-5Torr）的環(huán)境下，導入惰性氣體（通常是Ar）并在電極兩端加上高電壓、產(chǎn)生輝光放電（Glowdischarge）。Ar原子被電離成Ar+和電子。在電場作用下Ar+加速飛向靶材（target），與靶材發(fā)生碰撞，濺射出大量的靶材原子，靶材原子沉積在基片上。在FATRIUTC的MEMS生產(chǎn)過程中，其可濺射Al、C0、Fe、的合金等。

CVD工藝又可細分APCVD，LPCVD及PECVD；在MEMS制造中我們通常使用PECVD機臺（見下圖）來制造SiO2、Si3N4或SiC。其工藝是在較低的溫度下借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子體化學活性很強，很容易發(fā)生反應，在基片上沉積出所期望的薄膜。

光刻工藝：

光刻是通過一系列生產(chǎn)步驟（主要包含涂膠，曝光，顯影），將晶圓表面的薄膜與光刻板中的圖形做相同動作的選擇性的顯開或遮蔽（下左圖為涂膠與顯影機，右圖為曝光機）。而光刻機的圖形轉移能力（最小線寬）是整條工藝線的重要指標，這與設計時可做的集成度大小有直接關聯(lián)。就目前國內具備MEMS制程的各家制造中心來說，F(xiàn)ATRIUTC的光刻機處于較先進的水平。

刻蝕工藝：

在MEMS制程中，刻蝕就是用化學的、物理的或同時使用化學和物理的方法，在光刻的基礎上有選擇地進行圖形的轉移。刻蝕技術主要分為干法刻蝕與濕法刻蝕。

干法刻蝕主要利用反應氣體與等離子體進行刻蝕；以FATRIUTC為例，在MEMS制造中的ICP刻蝕機主要用來刻蝕Si、Si3N4、SiO2等

濕法刻蝕主要利用化學試劑與被刻蝕材料發(fā)生化學反應進行刻蝕；以FATRIUTC的MEMS制程為例，在濕法槽進行濕法刻蝕的對象有SiO2、Si3N4、金屬、光刻膠等，晶圓作業(yè)中的清洗步驟也需在濕法槽中進行。

如上，在MEMS制程的前段工藝中（以FATRIUTC為例），擴散，薄膜，光刻，刻蝕分別涉及了擴散爐、RTP、電子束蒸鍍機、磁控濺射機、涂膠光刻顯影機、ICP刻蝕機及濕法槽。它們各具其獨特的作用，以科學合理的組合流程制造出我們所需的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的優(yōu)勢是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成。且因為較傳統(tǒng)機械式加工，其可以批量化作業(yè)，極大提高了效益。
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