1、第3章 傳感器工藝 圖3-1 應用不同的加工方法所能得到的加工精度 典型的微傳感器加工技術 以美國為代表的利用化學腐蝕或集成電路工藝技術對硅材料進行加工，形成硅基微傳感器； 以日本為代表的利用傳統機械加工手段，即利用大機器制造出小機器，再利用小機器制造出微機器的方法； 以德國為代表的LIGA技術，它是利用X射線光刻技術，通過電鑄成型和塑鑄形成深層微結構的方法。 微傳感器制造工藝從工藝上講，微傳感器制造技術分為部件及子系統制造工藝和封裝工藝。前者包括半導體工藝、集成光學工藝、厚薄膜工藝、微機械加工工藝等，后者包括硅加工技術、激光加工技術、粘接、共熔接合、玻璃封裝、靜電鍵合、壓焊、倒裝焊、帶式自動

2、焊、多芯片組件工藝等。 典型材料的微加工工藝 注：人頭發的直徑大約是7080m。頭發與MEMS蜘蛛腿與MEMS 火柴與微汽車 3.1 分離加工 3.1.1 腐蝕工藝 主要有化學腐蝕（濕法）和離子刻蝕（干法）兩大類。 濕法腐蝕：包括各向異性化學腐蝕、電化學腐蝕、摻雜控制的選擇性腐蝕等。 干法腐蝕 它是利用粒子轟擊對材料的某些部位進行選擇性地剔除的一種工藝方法。它包括等離子刻蝕、反應離子刻蝕(RIE)、離子束化學刻蝕(CAIBE)、反應離子刻蝕(RIBE)和離子研磨等。 圖3-2 濕法腐蝕 圖3-3 離子刻蝕 3.1.2 犧牲層技術 圖3-4 犧牲層技術 圖3-5 硅微機械麥克風敏感膜片結構的一角

3、 3.2 附加加工 3.2.1 薄膜工藝 在微型傳感器中，利用真空蒸鍍、濺射成膜、物理氣相沉積、化學氣相沉積（CVD）、等離子化學氣相沉積等工藝，形成各種薄膜，如多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、金屬（合金）膜 化學氣相沉積 化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD)技術是利用氣態物質在固體表面進行化學反應，生成固態沉積物的工藝過程。它一般包括三個步驟:產生揮發性物質；將揮發性物質輸運到沉積區； 于基體上發生化學反應而生成固態產物。 圖3-6 開管法CVD反應器 圖3-7 封管法CVD反應器 真空蒸鍍 真空蒸鍍是在高真空環境中，將蒸發材料加熱至蒸發溫度蒸發后而

4、冷凝在要鍍膜的基體上的過程。大型蒸鍍設備主要由鍍膜室、工作架、真空系統、電器控制四部分組成。濺射成膜工藝 濺射方式有射頻濺射、直流濺射和反應濺射等多種，其中射頻濺射應用廣泛。 圖3-8 射頻磁控濺射設備示意圖 圖3-9 磁控濺射原理示意圖圖3-10 激光層裂法測量薄膜附著力實驗方案示意圖1.約束層 2.能量 3.基體 4.薄膜3.2.2 光刻技術 為了實現向特征尺寸為0.1的跨越，出現了下一代光刻技術，如深紫外光刻(DUV)、電子束投影光刻(EBL)、X射線光刻(XRL)、離子束投影光刻(IBL)、極紫外光刻(EUV)和壓印光刻技術(NIL)。 深紫外光刻 圖3-11 深紫外光刻工藝 電子束光

5、刻 圖3-12 電子束投影光刻系統X射線光刻 射線源 圖3-13 三種點射線源 射線光刻的曝光方式 接近式曝光 X射線接近式曝光中的關鍵工藝是掩膜版的制備，由于接近式曝光采用的是1:1掩膜，即掩膜版的圖形和芯片上的圖形是一樣大的，因此要比投影縮小光刻需要的掩膜版的制備要困難的多。 投影式曝光 在投影光刻中，掩膜圖形投影成像在晶片平面上，由于常采用投影縮小的曝光方式，因此可提供比接近式曝光更高的分辨率，并且掩膜版圖形大于實際電路圖形也使掩膜版制作起來較為容易。 壓印光刻 圖3-14 壓印工藝原理 3.2.3 LIGA技術 圖3-15 典型的LIGA工藝過程 3.3 輔助工藝 軟封接、硬封接和裝配

6、工藝。 3.3.1粘接粘接 目前，大多應用有溶劑的雙組分環氧樹脂粘接劑，固化后在-65到150使用，便有足夠的機械強度。環氧樹脂粘接劑被稱為“萬能膠”，它具有粘接強度高，耐化學介質性能好，耐穩性好，膠層收縮率小，可室溫固化，施工工藝簡單等優點。但未經改性的環氧樹脂粘接劑脆性大，耐沖擊性能差，耐熱性能不夠理想等缺點，常需通過改性方法提高產品性能。 3.3.2共晶鍵合共晶鍵合固體時無溶解度或只有部分溶解度的二元系相圖中往往有一個共晶點。共晶點時三相共存。共晶成份的液相具有最低熔點。也就是說共晶點的溫度比兩種固體的熔點都低。在共晶點溫度下將能形成共晶的兩種固體相互接觸，經過互擴散后便可在其間形成具有

7、共晶成份的液相合金。隨時間延長，液層不斷增厚。冷卻后液層又不斷交替析出兩種固相。每種固體一般又以自己的原始固相為基礎而發展壯大、結晶析出。因此兩種固體之間的共晶能將兩種固體緊密的鍵合在一起。3.3.3玻璃密封玻璃密封玻璃密封廣泛的應用于電子真空管中。玻璃封接的溫度取決于密封玻璃的成份，一般在415和650之間。3.3.4陽極鍵合陽極鍵合圖3-16 靜電鍵合設備 3.3.5冷焊冷焊冷焊是指兩種金屬層在高壓、低溫下不熔融而相互連接起來。所需壓力隨層厚降低和溫度升高而降低。連接的質量和持久性強烈依賴于表面的清潔度和加工質量。3.3.6釬焊釬焊與共晶鍵合相反，用軟焊料釬焊連接芯片時，硅不發生熔化。釬焊

8、時，參與金屬化連接的兩金屬被焊劑浸潤再連接起來。釬焊時，原始的硅表面不能被焊劑所浸潤，因此必須對硅表面進行金屬化處理。3.3.7硅硅-硅直接鍵合硅直接鍵合硅-硅直接鍵合是硅片在高溫下的平面接合過程。鍵合時，將兩塊經去離子水充分清洗干凈的硅拋光圓片再用處理，在無塵條件下接觸迭合在一起，放入1050的管式爐中加熱1小時后取出。于是兩個圓片便自然的連接在一起。3.3.8微裝配微裝配圖3-17 Schematic diagram of microassembly system 3.4封裝技術封裝技術對于微電子來說，封裝的功能是對芯片和引線等內部結構提供支持和保護，使之不受外部環境的干擾和腐蝕破壞；而對

9、于微傳感器封裝來說，除了要具備以上功能以外，更重要的是微傳感器要和外部環境之間形成一個接觸界面而獲取非電信號。一般說來，微傳感器封裝比集成電路封裝昂貴得多，僅封裝成本就占總成本的70%以上。 封裝層次結構圖3-18 給出了機器或系統的封裝層次結構 據中國電子報2009年7月9日報道， 經國家發改委批準，以國內集成電路封測領軍企業江蘇長電科技股份公司為依托，聯合中科院微電子研究所、清華大學微電子所，深圳微電子所、深南電路有限公司等5家機構，共同組建的我國首家“高密度集成電路封裝技術國家工程實驗室”，日前在位于無錫江陰的長電科技掛牌，這標志著國家重點扶持的集成電路封裝技術產學研相結合的工程實驗平臺

10、正式啟動。 3.4.1芯片級封裝芯片級封裝引線鍵合是半導體工業中應用最多、最廣泛的一種互連工藝。引線鍵合是將半導體芯片焊區與電子封裝外殼的輸入/輸出引線或基板上技術布線用金屬細絲連接起來的工藝技術。焊接方式主要有熱壓焊、超聲鍵合焊和金絲球焊。倒裝焊芯片生產工藝流程 圖3-19 倒裝焊芯片生產工藝流程示意圖3.4.2 圓片級封裝圓片級封裝圓片級封裝（Wafer Level Package，簡稱WLP）是一種全新的封裝思想，和傳統的工藝將封裝的各個步驟分開來加工不同，WLP 用傳統的IC 工藝一次性完成后道幾乎所有的步驟，包括裝片、電連接、封裝、測試、老化，所有過程均在圓片加工過程中完成，之后再劃

11、片，劃完的單個芯片即是已經封裝好的成品；然后利用該芯片成品上的焊球陣列，倒裝焊到PCB 板上實現組裝。 3.4.3系統級封裝系統級封裝所謂系統級封裝，是指將多個具有不同功能的有源組件與無源組件，以及諸如微機電系統（MEMS）、光學（Optics）元件等其它元件組合在同一封裝中，成為可提供多種功能的單顆標準封裝組件，形成一個系統或子系統。實現SIP的方法很多，主要包括多芯片組件技術和3D封裝兩大技術。3.4 質量控制質量控制微傳感器的失效分析技術主要包括：光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、掃描激光顯微鏡、原子力顯微鏡、聚焦離子束、紅外顯微鏡等。微傳感器是電子和機械的有機結合，其可靠性主要包括機械、電子

12、、材料以及機械與電子部分相互作用時的可靠性等，其失效分析手段比集成電路更為復雜。3.4.1 微測試技術微測試技術二維微幾何量檢測可以采用普通光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）。由于具有較高的分辨率，SEM目前已成為微傳感器設計、制造中最常用的觀測儀器之一。三維微幾何量測試的方法可以概括為兩類：一類是從傳統的幾何量檢測技術發展和改進而來；另一類則是根據被測件的材料和結構特點專門設計的，如基于計算機視覺的硅片厚度測量、實時蝕刻深度檢測等。目前在微傳感器設計、制造中比較常見的材料特性測量包括測量材料的斷裂模數、彈性模量、應力應變等。 3.4.2 可靠性技術可靠性技術微傳感器的可靠性是設計出來的、生

13、產出來的、使用出來的。選用合適的加工材料提高器件的可靠性；采用模擬仿真等技術來加強可靠性設計與仿真；根據質量塊的大小，選擇合適的支撐和微鉚合固定結構；保持清潔、良好的加工環境，嚴防塵埃等微小顆粒對器件的影響；防止電壓部件的短路等。3.5 潔凈室 潔凈室系指應用空氣凈化技術改善生產、科研及其它工作環境，對空氣質量及塵埃粒子、溫度、濕度、壓力、噪聲、照度、風速和浮游菌等微環境進行有效控制的相對密閉空間，分為百級區（潔凈度高） 、千級區、萬級區和10萬級區（潔凈度低） 。人凈、物凈設施 空氣吹淋室:高速潔凈氣流吹落、清除人員表面附著的微粒；設在潔凈室人員入口處，并與潔凈服更衣室相鄰。氣閘室、緩沖間:垂直單向流潔凈室入口；阻隔室外或鄰室的污染氣流、壓差控制；潔凈室（區）與非潔凈室（區）之間必須設；潔凈室（區）的物料出入口設置，并配置清潔措施；物料傳遞用潔凈室專用傳遞窗。潔凈工作服:各類、各等級的潔凈服不得混用，并應分別清洗、整理；質地光滑、不產生靜電、不脫落纖維和顆粒；無菌潔凈服必須包蓋全部頭發、