薄膜沉积工艺在线视频

以上介绍了光刻工艺

下面介绍薄膜沉积工艺

薄膜沉积就是将气态或液态物质

沉积在衬底表面形成固态薄膜的过程

MEMS是由薄膜和衬底构成的材料体系

在MEMS加工过程中

往往要在衬底上沉积不同材料的薄膜

例如这是一个硅衬底上的静电微马达

制备加工了氮化硅隔离层

多晶硅底电极

氧化硅牺牲层 多晶硅转子 定子和转轴

金属电极等薄膜结构

材料包括了金属 半导体和介质

薄膜厚度从几百纳米到几十微米

在MEMS加工中

薄膜沉积除了要考虑厚度均匀性

性能一致性 高纯度和高密度

与衬底良好的粘附性等基本特征外

由于MEMS加工的特殊性

还需要考虑台阶覆盖 间隙填充和残余应力等特殊问题

MEMS加工中

常常要在已经图形化的表面上沉积薄膜

有时需要沉积薄膜后

仍能保持原来的表面形貌

有时又会要求沉积的薄膜

能够完全填充表面的间隙或孔

这就是台阶覆盖和间隙填充问题

任何沉积工艺都会在薄膜中产生应力

应力来源主要包括薄膜生长过程中

产生的本征应力

以及由于薄膜与衬底的热膨胀系数不匹配

而导致的热应力

薄膜中存在残余应力会导致结构变形

影响结构的机械性能 甚至导致结构失效

因此必须采取措施消除或减小残余应力

薄膜沉积工艺

可以分为气相沉积和液相沉积两大类

气相沉积又分为物理气相沉积和化学气相沉积

液相沉积包括滴胶 溶胶凝胶 涂胶等方法

MEMS中涉及的绝大部分半导体 金属和介质材料

都可以用物理气相沉积或化学气相沉积工艺制备

但是MEMS器件有时要用到一些特殊的功能材料

比如压电材料 磁性材料 聚合物材料等

不能通过标准的物理气相沉积或化学气相沉积工艺制备

往往需要采用液相沉积工艺

下面我们简单介绍物理气相沉积和化学气相沉积的基本原理

对于特殊材料的制备 我们在讲到具体器件时再介绍

先来看物理气相沉积

物理气相沉积就是在薄膜沉积过程中

只有物理形态的变化

而没有化学反应的发生

它的基本过程是

固态或液态的源物质获得能量后成为气态

在真空或等离子体环境下迁移到达衬底

在衬底表面凝聚成为固态薄膜

物理气相沉积要提供两个基本条件

一是提供使物质气化

并具有一定动能的能量

二是气体迁移所需要的低压或等离子体环境

不同的物理气相沉积工艺

其气化或气体迁移的方式不同

但在衬底表面凝聚成膜的过程却是相同的

包括吸附 迁移 碰撞 成核 成岛 成膜

这个过程中也有一部分粒子会脱离表面重新气化

物理气相沉积按照气相物质的迁移方式

分为蒸发和溅射两种

蒸发是在真空腔中 即低压环境下进行的

按照能量提供方式分为热蒸发和电子束蒸发

溅射是在等离子体环境下进行的

按照等离子体产生和控制方式

又分为直流溅射 射频溅射和磁控溅射

物理气相沉积主要用于制备金属膜和合金膜

也可以沉积化合物 陶瓷 半导体 聚合物等薄膜

化学气相沉积是指一种或多种气体被某种能量激活后

在衬底表面或表面上方发生化学反应

最终在衬底表面沉积形成固态薄膜

生成薄膜的粒子来源于物质的化学气相分解或反应

激活反应气体的能量

包括热能 化学能 等离子体能 光子能等

化学气相沉积的过程是

化学反应首先在反应气体中进行

生成中间产物

中间产物借助扩散运动

穿过主气流与衬底之间的边界层到达衬底表面

反应中间产物吸附在衬底表面

并在衬底表面快速迁移以重新分布

中间产物接受衬底传来的热或其他能量进一步反应

生成固态的反应最终物以及其他气态副产物

反应最终物在衬底表面进行成核 成岛

并最终成为沉积薄膜的一部分

气体副产物从衬底表面解吸附后

同样利用扩散运动

通过边界层进入主气流并排出

化学气相沉积可用来制备介质 半导体和金属薄膜

但主要用于制备介质和半导体薄膜

常用的化学气相沉积工艺包括常压CVD

就是在大气压条件下进行的化学气相沉积

不需要真空系统

成本低 沉积速率高 但存在污染问题

低压CVD

是指反应腔压力降到100Torr以下的CVD

可以提高薄膜质量

但沉积速率较低

等离子体增强CVD

是利用等离子体来增强化学反应

从而降低沉积温度

可在低于350度的条件下进行

低温沉积工艺在MEMS加工中非常重要

因为在沉积生长了金属薄膜后

就不能再进行高温工艺了

而PECVD可以解决这个问题

表面牺牲层技术是在半导体平面工艺的基础上

发展出来的一种特殊的MEMS加工技术

它利用薄膜沉积技术

在衬底上依次制备牺牲层和结构层

在去除牺牲层后

就可以得到悬空和可动的薄膜微结构

目前已有单层和多层的标准工艺

可以在同一衬底上加工出各种微结构

实现器件的单片集成制造

在后面介绍具体器件的时候我们会详细介绍

当微结构的面积较大时

其下面的牺牲层往往不能腐蚀完全

一般要在微结构上加工通孔阵列

以使腐蚀液能够充分接触牺牲层

从而彻底去除牺牲层

在利用湿法腐蚀去除牺牲层时

由于微尺度下表面张力增强

薄膜结构释放后会粘附塌陷在衬底上

解决这个问题的方法包括

进行表面疏水处理

采用干法刻蚀技术去除牺牲层

或者制作防塌陷支撑结构

比如微小的凸起 来减小接触面积

在表面牺牲层工艺中

薄膜沉积不可避免地会产生残余应力

当结构释放后

残余应力会使结构发生弯曲甚至断裂

也会影响结构的工作性能

例如改变谐振频率 导致结构失稳

残余应力与薄膜沉积的温度关系密切

不同沉积温度 薄膜应力状态不同