硅MEMS工艺与设备基础PDF电子书下载

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第1章 MEMS技术与器件发展概述 1

1.1 概述 1

1.2 MEMS器件 2

1.2.1 MEMS振荡器 2

1.2.2 MEMS麦克风 4

1.2.3 MEMS微镜头 6

1.2.4 数字微镜器件／数字光学投影技术 7

1.2.5 MEMS压力传感器 8

1.2.6 MEMS运动测量器件 9

1.2.7 微能源器件 10

1.2.8 MEMS片上实验室／微流控器件 13

1.2.9 其他MEMS器件 14

1.3 MEMS商业产品（系统） 14

1.3.1 医疗健康 15

1.3.2 运动信息检测 20

1.3.3 消费类电子 22

1.3.4 汽车工业 24

1.3.5 其他应用 24

1.4 产业分析 25

1.4.1 三波应用高潮 25

1.4.2 MEMS产业发展趋势 26

参考文献 27

第2章 MEMS工艺与设计规则简介 28

2.1 硅MEMS工艺 29

2.1.1 湿法清洗工艺 30

2.1.2 氧化工艺 30

2.1.3 光刻工艺 30

2.1.4 薄膜淀积工艺 31

2.1.5 掺杂工艺 31

2.1.6 刻蚀工艺 32

2.1.7 键合工艺 32

2.1.8 测试封装工艺 33

2.2 MEMS器件中的新材料 33

2.2.1 敏感材料的本质和特点 33

2.2.2 敏感材料的分类 34

2.2.3 敏感材料最新研究进展 37

2.2.4 敏感材料未来发展前景 39

2.3 光刻版图设计 39

2.3.1 光刻版图设计规则类型 40

2.3.2 同一图层内图形几何尺寸规则 42

2.3.3 不同层间包含及覆盖几何尺寸规则 42

2.3.4 版图设计尺寸规则 43

2.3.5 版图对准标记设计要求 44

2.3.6 版图设计中的注意事项 48

2.4 测试结构设计 49

2.5 制造工艺误差 53

2.5.1 误差分类 53

2.5.2 在制造中的实际误差 55

2.6 典型体硅标准工艺 65

2.6.1 SOI工艺 65

2.6.2 SOG工艺 65

2.7 典型体硅标准工艺扩展 68

2.8 压阻工艺 70

2.9 悬臂梁工艺 73

2.9.1 悬臂梁的基本原理 73

2.9.2 悬臂梁的制造工艺 76

参考文献 77

第3章 湿法清洗 79

3.1 相关概念与清洗的基本原理 79

3.1.1 洁净度 79

3.1.2 污染源分类 80

3.1.3 污染源控制 83

3.1.4 清洗的基本原理 84

3.2 湿法清洗常用方法与技术 85

3.2.1 RCA清洗技术 87

3.2.2 改进RCA清洗技术 88

3.3 常用清洗设备 89

3.3.1 RCA清洗设备 89

3.3.2 其他清洗设备 90

3.4 质量控制 94

3.4.1 硅片表面的平行光束检查 94

3.4.2 暗场显微镜检查 94

3.4.3 出水电阻率检查 94

3.5 案例分析 95

3.5.1 湿法去胶清洗案例分析 95

3.5.2 湿法释放案例分析 95

3.5.3 湿法工艺形成多孔硅案例分析 96

参考文献 97

第4章 氧化 99

4.1 基本理论 99

4.1.1 氧化的原理 99

4.1.2 氧化的作用 101

4.2 热氧化工艺 102

4.2.1 干氧氧化 102

4.2.2 水汽氧化 103

4.2.3 湿氧氧化 103

4.3 热氧化工艺影响因素 103

4.4 氧化设备 104

4.4.1 氧化设备简介 104

4.4.2 氧化设备的结构 105

4.4.3 氧化设备的工艺原理 106

4.5 氧化工艺案例分析 107

4.5.1 干氧制备氧化膜案例分析 107

4.5.2 氢氧合成制备氧化膜案例分析 108

参考文献 108

第5章 光刻与图形化 110

5.1 光刻概述 110

5.2 光刻工艺流程 111

5.2.1 气相淀积膜 111

5.2.2 光刻涂胶 112

5.2.3 曝光 126

5.2.4 投影掩模版 129

5.2.5 对准 129

5.2.6 曝光 130

5.2.7 显影 131

5.3 双面光刻 137

5.3.1 双面对准技术的工作原理 137

5.3.2 双面对准的基本过程 138

5.4 纳米压印 139

5.4.1 纳米压印光刻原理 139

5.4.2 热压印法 139

5.4.3 紫外硬化压印光刻技术 140

5.4.4 闪光压印 140

5.4.5 微接触压印光刻 141

5.5 灰度光刻 141

5.6 电子束光刻 142

5.6.1 电子束光刻的发展 142

5.6.2 电子束光刻技术目前存在的问题 144

5.6.3 邻近效应 144

5.6.4 电子束光刻系统的效率 145

5.6.5 抗蚀剂 146

5.7 光刻设备 146

5.7.1 光刻机 146

5.7.2 光刻机发展 148

5.7.3 光刻技术主要指标 151

5.7.4 步进式光刻机 152

5.7.5 极紫外光刻 155

5.8 光刻工艺案例分析 155

5.8.1 AZ P4620光刻胶厚胶工艺 155

5.8.2 AZ 5214E光刻胶反转工艺 158

参考文献 160

第6章 薄膜淀积 162

6.1 薄膜生长 162

6.2 化学气相沉积 163

6.2.1 基本理论 163

6.2.2 CVD的分类 165

6.2.3 不同CVD技术之间的对比 167

6.2.4 典型CVD设备 167

6.3 物理气相沉积 170

6.3.1 真空蒸发镀膜 171

6.3.2 溅射镀膜 174

6.4 其他成膜方式 178

6.4.1 金属有机物化学气相沉积 178

6.4.2 原子层沉积 180

6.4.3 外延 182

6.5 薄膜淀积工艺案例分析 182

6.5.1 LPCVD沉积氮化硅案例分析 182

6.5.2 蒸发钛／铂／金／（Ti/Pt/Au）电极案例分析 183

6.5.3 反应溅射氮化铝（AIN）薄膜案例分析 184

参考文献 185

第7章 掺杂 186

7.1 掺杂的基本理论 186

7.2 掺杂工艺 187

7.2.1 原位掺杂 187

7.2.2 热扩散 187

7.2.3 离子注入 189

7.2.4 等离子体掺杂工艺 191

7.2.5 常用掺杂工艺的对比 192

7.3 退火 193

7.3.1 传统热退火 193

7.3.2 快速热退火 193

7.3.3 低温激活 194

7.3.4 几种退火方式的比较 194

7.4 掺杂设备 194

7.4.1 离子源 195

7.4.2 吸极和离子质量分析器 195

7.4.3 加速系统 196

7.4.4 扫描系统 196

7.4.5 工作室 197

7.5 掺杂的质量测量 197

7.6 掺杂工艺案例分析 197

7.6.1 离子注入案例分析 197

7.6.2 离子注入后快速退火案例分析 198

参考文献 201

第8章 刻蚀工艺 202

8.1 典型刻蚀工艺及对比 202

8.1.1 干法刻蚀 202

8.1.2 湿法腐蚀 208

8.1.3 干法刻蚀与湿法腐蚀的对比 209

8.2 刻蚀的主要技术指标 210

8.2.1 刻蚀速率 210

8.2.2 刻蚀的剖面形貌 210

8.2.3 刻蚀偏差 211

8.2.4 选择比 212

8.2.5 深宽比 213

8.2.6 均匀性 214

8.2.7 负载效应 215

8.2.8 颗粒污染 215

8.2.9 残留物 216

8.2.10 刻蚀终止 216

8.3 干法刻蚀机理 216

8.3.1 物理刻蚀 216

8.3.2 化学刻蚀 217

8.3.3 物理和化学刻蚀 218

8.4 干法刻蚀设备、工艺原理和工艺能力 219

8.4.1 干法刻蚀设备的基本组成 219

8.4.2 反应离子刻蚀机 220

8.4.3 电感耦合等离子体刻蚀机 222

8.4.4 深反应离子刻蚀机 223

8.4.5 二氟化氙干法刻蚀机 226

8.4.6 金属ICP刻蚀机 228

8.4.7 离子铣刻蚀机 229

8.5 不同材质的干法刻蚀机理 230

8.5.1 硅的刻蚀 230

8.5.2 二氧化硅的刻蚀 230

8.5.3 氮化硅的刻蚀 230

8.5.4 铝的刻蚀 230

8.5.5 光刻胶的去除 231

8.6 干法刻蚀工艺案例分析 231

8.6.1 硅的各向异性刻蚀案例分析 231

8.6.2 硅的各向同性刻蚀案例分析 234

8.6.3 二氧化硅刻蚀案例分析 235

8.6.4 氮化硅刻蚀案例分析 238

8.7 常用物质的湿法腐蚀工艺原理 240

8.7.1 硅的腐蚀 240

8.7.2 绝缘膜腐蚀 247

8.7.3 金属的腐蚀 249

8.8 湿法腐蚀工艺能力 251

8.8.1 氢氟酸缓冲液腐蚀玻璃工艺 251

8.8.2 金属腐蚀工艺能力 251

8.9 常用腐蚀设备 252

8.9.1 设备特点 252

8.9.2 设备单元及功能 252

8.10 湿法腐蚀案例分析 252

8.10.1 腐蚀单晶硅制备硅尖、硅柱、凹槽案例分析 252

8.10.2 氢氧化钾腐蚀硅减薄案例分析 255

8.10.3 自停止腐蚀案例分析 255

参考文献 258

第9章 MEMS结构工艺 259

9.1 典型MEMS结构工艺 259

9.1.1 硅尖和硅柱 259

9.1.2 双台阶 261

9.1.3 硅孔（湿法腐蚀） 262

9.2 TSV技术 263

9.2.1 TSV技术简介 263

9.2.2 TSV关键工艺技术 264

9.2.3 TSV在MEMS硅片级封装中的应用 269

9.3 电镀技术 269

9.3.1 电镀铜填充关键因素 270

9.3.2 电镀铜填充生长机理 271

9.3.3 电镀铜反应动力学概要 274

9.3.4 电镀铜中的化学品 275

9.3.5 用于微制造中的电镀工艺 277

9.4 化学机械平坦化 278

9.4.1 技术简介 278

9.4.2 传统的平坦化技术 280

9.4.3 化学机械抛光 282

9.4.4 CMP的机理 284

9.4.5 CMP设备 285

9.5 硅曲面加工 287

9.6 单面外延形成空腔技术 289

9.6.1 二氧化硅半球壳加工工艺 289

9.6.2 无硅结构（Silicon-on-nothing）加工工艺 290

参考文献 292

第10章 晶圆键合 294

10.1 晶圆键合基本理论 295

10.2 晶圆键合工艺 296

10.2.1 直接键合 296

10.2.2 阳极键合 306

10.2.3 共晶键合 313

10.2.4 黏结剂键合 319

10.2.5 玻璃浆键合 323

10.2.6 不同键合技术的比较 326

10.3 晶圆键合质量检测 327

10.3.1 晶圆键合空洞的检测 327

10.3.2 晶圆键合强度的检测 330

10.4 键合设备与工艺能力 335

10.4.1 晶圆键合机的基本组成部分 335

10.4.2 晶圆键合设备的基本操作原理 336

10.5 晶圆键合工艺案例分析 340

10.5.1 异质化合物的键合案例分析 340

10.5.2 碳化硅材料的键合案例分析 341

参考文献 343

第11章 MEMS封装 346

11.1 MEMS封装简介 347

11.1.1 MEMS封装的基本类型 347

11.1.2 MEMS封装的特点 349

11.1.3 MEMS封装的功能 351

11.2 MEMS封装的基本工艺 352

11.2.1 划片工艺 353

11.2.2 贴片工艺 355

11.2.3 引线键合 356

11.2.4 封帽工艺 360

11.2.5 检漏 363

11.3 MEMS封装的质量和可靠性 365

11.3.1 MEMS封装可靠性 367

11.4 MEMS封装技术 368

11.4.1 倒装焊封装技术 368

11.4.2 多芯片封装技术 369

11.4.3 微盖封装 369

11.4.4 圆片级芯片尺寸封装 371

11.4.5 三维（3D）封装 371

11.5 MEMS封装面临的挑战 372

11.6 封装工艺案例分析 373

11.6.1 陀螺仪的封装工艺案例分析 373

11.6.2 压力传感器的封装工艺案例分析 375

参考文献 377

第12章 检测 378

12.1 微纳几何量测试技术 378

12.1.1 光学显微镜技术 378

12.1.2 白光干涉形貌检测技术 380

12.1.3 激光共聚焦显微测量技术 383

12.1.4 红外透射显微镜技术 386

12.1.5 光学仪器效果比较 390

12.1.6 扫描电子显微镜技术 393

12.1.7 薄膜厚度测试技术 402

12.2 薄膜材料的力学性能测试技术 405

12.2.1 弹性性能 405

12.2.2 内应力 405

12.2.3 强度 406

12.2.4 疲劳 407

12.3 晶圆电学参数测量技术 408

12.3.1 电阻率和薄层电阻（方块电阻）测量 408

12.3.2 四探针测量法 408

参考文献 410

附录A 硅MEMS工艺常用化学品与安全 412

A.1 危险化学品的概念、分类及其危险特性 412

A.1.1 危险化学品的概念及分类 412

A.1.2 危险化学品的危险特性 412

A.2 危险化学品使用过程中的个人防护及应急处置 413

A.2.1 化学防护服的使用 413

A.2.2 危险化学品使用过程中的应急处置 413

A.3 硅MEMS工艺常用危险化学品 415

A.3.1 液态化学品的主要特征及其输送 415

A.3.2 气态化学品的主要特征及其输送 427

附录B 真空系统介绍 450

B.1 真空的定义 450

B.2 真空压力 450

B.3 真空中的气流形态 451

B.3.1 气体分子的平均自由程 451

B.3.2 黏滞性气流 451

B.3.3 过渡气流 451

B.3.4 分子气流 451

B.4 气体理论 452

B.4.1 理想气体定理 453

B.4.2 玻意耳定理 453

B.5 真空技术的基本量 453

B.6 真空应用 454

B.7 真空的产生方式 455

B.7.1 真空泵的分类 455

B.7.2 真空泵性能参量 456

B.7.3 粗真空到中度真空用泵 457

B.7.4 高真空到超高真空用泵 458

B.8 检漏技术与清洁维护 459

B.8.1 真空系统的漏气 459

B.8.2 检漏 460

B.8.3 真空系统的污染 461

B.9 常见故障与排除 461

B.10 清洁方法 462

B.11 维修注意事项 463

B.12 定期检查 463

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