MEMS三維芯片集成技術

第1部分 導論 1 第1章概述2 參考文獻8 第2部分 片上系統(tǒng)（SoC） 9 第2章體微加工10 2.1體微加工技術的工藝基礎11 2.2基于晶圓鍵合的體微加工技術14 2.2.1SOI MEMS14 2.2.2空腔SOI技術19 2.2.3玻璃上硅工藝：溶片工藝（DWP）20 2.3單晶圓單面加工工藝24 2.3.1單晶反應刻蝕及金屬化工藝（SCREAM）24 2.3.2犧牲體微加工（SBM）27 2.3.3空腔上硅（SON）28 參考文獻32 第3章基于MIS工藝的增強體微加工技術36 3.1多層3D結構或多傳感器集成的重復MIS循環(huán)36 3.1.1PS3型結構的壓力傳感器36 3.1.2P+G集成傳感器39 3.2壓力傳感器制備：從MIS更新到TUB41 3.3用于各種先進MEMS器件的MIS擴展工藝43 參考文獻44 第4章外延多晶硅表面微加工46 4.1外延多晶硅的工藝條件46 4.2采用外延多晶硅的MEMS器件46 參考文獻51 第5章多晶SiGe表面微加工53 5.1介紹53 5.1.1SiGe在IC芯片和MEMS上的應用53 5.1.2MEMS所需的SiGe特性54 5.2SiGe沉積54 5.2.1沉積方法54 5.2.2材料性能對比54 5.2.3成本分析55 5.3LPCVD多晶SiGe56 5.3.1立式爐56 5.3.2顆粒控制57 5.3.3過程監(jiān)測和維護57 5.3.4在線測量薄膜厚度和鍺含量58 5.3.5工藝空間映射59 5.4CMEMS?k加工60 5.4.1CMOS接口問題61 5.4.2CMEMS工藝流程62 5.4.3釋放67 5.4.4微蓋的Al-Ge鍵合68 5.5多晶SiGe應用69 5.5.1電子定時諧振器/振蕩器69 5.5.2納米機電開關71 參考文獻74 第6章金屬表面微加工78 6.1表面微加工的背景78 6.2靜態(tài)器件79 6.3單次運動后固定的靜態(tài)結構80 6.4動態(tài)器件81 6.4.1MEMS開關81 6.4.2數(shù)字微鏡器件83 6.5總結86 參考文獻87 第7章異構集成氮化鋁MEMS諧振器和濾波器88 7.1集成氮化鋁MEMS概述88 7.2氮化鋁MEMS諧振器與CMOS電路的異構集成89 7.2.1氮化鋁MEMS工藝流程90 7.2.2氮化鋁MEMS諧振器和濾波器的封裝91 7.2.3封裝氮化鋁MEMS的重布線層92 7.2.4選擇單個諧振器和濾波器頻率響應93 7.2.5氮化鋁MEMS與CMOS的倒裝芯片鍵合94 7.3異構集成自愈濾波器96 7.3.1統(tǒng)計元素選擇（SES）在CMOS電路AlN MEMS濾波器中的應用96 7.3.2三維混合集成芯片的測量98 參考文獻99 第8章使用CMOS晶圓的MEMS102 8.1CMOS MEMS的架構及優(yōu)勢簡介102 8.2CMOS MEMS工藝模塊107 8.2.1薄膜工藝模塊109 8.2.2基底工藝模塊113 8.32P4M CMOS平臺（0.35μm）115 8.3.1加速度計115 8.3.2壓力傳感器116 8.3.3諧振器117 8.3.4其他120 8.41P6M CMOS平臺（0.18μm）120 8.4.1觸覺傳感器120 8.4.2紅外傳感器122 8.4.3諧振器124 8.4.4其他127 8.5帶有附加材料的CMOS MEMS129 8.5.1氣體和濕度傳感器129 8.5.2生化傳感器135 8.5.3壓力和聲學傳感器137 8.6電路和傳感器的單片集成141 8.6.1多傳感器集成141 8.6.2讀出電路集成143 8.7問題與思考150 8.7.1殘余應力、CTE失配和薄膜蠕變150 8.7.2品質因數(shù)、材料損失和溫度穩(wěn)定性156 8.7.3電介質充電158 8.7.4振蕩器中的非線性和相位噪聲159 8.8總結160 參考文獻162 第9章晶圓轉移175 9.1介紹175 9.2薄膜轉移177 9.3器件轉移（后通孔）180 9.4器件轉移（先通孔）183 9.5芯片級轉移188 參考文獻190 第10章壓電微機電系統(tǒng)192 10.1導言192 10.1.1基本原則192 10.1.2作為執(zhí)行器的PZT薄膜特性192 10.1.3PZT薄膜成分和取向193 10.2PZT薄膜沉積194 10.2.1濺射194 10.2.2溶膠-凝膠196 10.2.3PZT薄膜的電極材料和壽命199 10.3PZT-MEMS制造工藝199 10.3.1懸臂和微掃描儀199 10.3.2極化201 參考文獻201 第3部分 鍵合、密封和互連 203 第11章陽極鍵合204 11.1原理204 11.2變形206 11.3陽極鍵合對電路的影響208 11.4各種材料、結構和條件的陽極鍵合210 11.4.1各種組合210 11.4.2中間薄膜的陽極鍵合213 11.4.3陽極鍵合的變化213 11.4.4玻璃回流工藝215 參考文獻216 第12章直接鍵合218 12.1晶圓直接鍵合218 12.2親水晶圓鍵合219 12.3室溫下的表面活化鍵合221 參考文獻223 第13章金屬鍵合226 13.1固液互擴散鍵合（SLID）227 13.1.1Au/In和Cu/In228 13.1.2Au/Ga和Cu/Ga229 13.1.3Au/Sn和Cu/Sn230 13.1.4孔洞的形成230 13.2金屬熱壓鍵合231 13.3共晶鍵合233 13.3.1Au/Si233 13.3.2Al/Ge234 13.3.3Au/Sn235 參考文獻235 第14章反應鍵合239 14.1動力239 14.2反應鍵合的基本原理239 14.3材料體系241 14.4技術前沿242 14.5反應材料體系的沉積概念242 14.5.1物理氣相沉積242 14.5.2反應材料體系的電化學沉積244 14.5.3具有一維周期性的垂直反應材料體系247 14.6與RMS鍵合250 14.7結論252 參考文獻252 第15章聚合物鍵合255 15.1引言255 15.2聚合物晶圓鍵合材料256 15.2.1聚合物的黏附機理256 15.2.2用于晶圓鍵合的聚合物性能257 15.2.3用于晶圓鍵合的聚合物259 15.3聚合物晶圓鍵合技術262 15.3.1聚合物晶圓鍵合中的工藝參數(shù)262 15.3.2局部聚合物晶圓鍵合266 15.4聚合物晶圓鍵合中晶圓對晶圓的精確對準267 15.5聚合物晶圓鍵合工藝實例268 15.6總結與結論270 參考文獻270 第16章局部加熱釬焊275 16.1MEMS封裝釬焊275 16.2激光釬焊275 16.3電阻加熱和釬焊278 16.4感應加熱和釬焊280 16.5其他局部釬焊工藝282 16.5.1自蔓延反應加熱282 16.5.2超聲波摩擦加熱283 參考文獻285 第17章封裝、密封和互連287 17.1晶圓級封裝287 17.2密封288 17.2.1反應密封288 17.2.2沉積密封(殼體封裝)291 17.2.3金屬壓縮密封293 17.3互連296 17.3.1垂直饋通互連296 17.3.2橫向饋通互連301 17.3.3電鍍互連304 參考文獻306 第18章真空封裝310 18.1真空封裝的問題310 18.2陽極鍵合真空封裝310 18.3控制腔壓的陽極鍵合封裝314 18.4金屬鍵合真空封裝315 18.5沉積真空封裝315 18.6氣密性測試317 參考文獻318 第19章單片硅埋溝320 19.1LSI和MEMS中的埋溝/埋腔技術320 19.2單片SON技術及相關技術322 19.3SON的應用330 參考文獻333 第20章基底通孔（TSV）336 20.1TSV的配置336 20.1.1實心TSV337 20.1.2空心TSV337 20.1.3氣隙TSV338 20.2TSV在MEMS中的應用338 20.2.1信號傳導至晶圓背面338 20.2.2CMOS-MEMS 3D集成338 20.2.3MEMS和CMOS 2.5D集成339 20.2.4晶圓級真空封裝340 20.2.5其他應用341 20.3對MEMS中TSV的探討341 20.4基本TSV制備技術342 20.4.1深孔刻蝕342 20.4.2絕緣體形成344 20.4.3導體形成345 20.5多晶硅TSV349 20.5.1實心多晶硅TSV349 20.5.2氣隙多晶硅TSV352 20.6硅TSV353 20.6.1實心硅TSV353 20.6.2氣隙硅TSV355 20.7金屬TSV356 20.7.1實心金屬TSV357 20.7.2空心金屬TSV360 20.7.3氣隙金屬TSV365 參考文獻366 附錄376 附錄1術語對照376 附錄2單位換算384