MEMS工藝(4體硅微加工技術(shù))梁庭(2)

1、濕法腐蝕的缺點(diǎn)：圖形受晶向限制，深寬比較差，傾斜側(cè)壁，小結(jié)構(gòu)粘附。四、干法腐蝕狹義的干法刻蝕主要是指利用等離子體放電產(chǎn)生的化學(xué)過(guò)程對(duì)材料表面的加工廣義上的干法刻蝕則還包括除等離子體刻蝕外的其它物理和化學(xué)加工方法，例如激光加工、火花放電加工、化學(xué)蒸汽加工以及噴粉加工等。干法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)：具有分辨率高、各向異性腐蝕能力強(qiáng)、腐蝕的選擇比大、能進(jìn)行自動(dòng)化操作等干法刻蝕的過(guò)程：腐蝕性氣體離子的產(chǎn)生離子向襯底的傳輸吸附及反應(yīng)襯底表面的腐蝕鈍化及去除腐蝕反應(yīng)物的排除干法腐蝕的主要形式：*純化學(xué)過(guò)程：（等離子體腐蝕 )*純物理過(guò)程： (離子刻蝕、離子束腐蝕）*物理化學(xué)過(guò)程：反應(yīng)離子腐蝕RIE ，感應(yīng)耦合等離子體

2、刻蝕ICP.在物理腐蝕方法中，利用放電時(shí)所產(chǎn)生的高能惰性氣體離子對(duì)材料進(jìn)行轟擊，腐蝕速率與轟擊粒子的能量、通量密度以及入射角有關(guān)；在化學(xué)腐蝕中，惰性氣體（如四氟化碳）在高頻或直流電場(chǎng)中受到激發(fā)并分解（如形成氟離子），然后與被腐蝕材料起反應(yīng)形成揮發(fā)性物質(zhì)；在物理化學(xué)結(jié)合的方法中，既有粒子與被腐蝕材料的碰撞，又有惰性氣體與被腐蝕材料的反應(yīng)。反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)離子刻蝕（Reactive ion etch）是在等離子中發(fā)生的。隨著材料表層的“反應(yīng)剝離排放”周期循環(huán)，材料被逐層刻蝕到制定深度。衡量反應(yīng)離子刻蝕的指標(biāo)：掩模的刻蝕比刻蝕的各向異性程度其它：刻蝕速率、刻蝕均勻性等等離子腐蝕利用氣體輝光放電電離和

3、分解穩(wěn)定的原子所形成的離子和活性物質(zhì)，與被腐蝕的固體材料作用，產(chǎn)生揮發(fā)性的物質(zhì)或氣態(tài)產(chǎn)品。刻蝕過(guò)程主要是化學(xué)反應(yīng)刻蝕，是各向同性的，主要作為表面干法清洗工藝。 離子轟擊的作用： 1.將被刻蝕材料表面的原子鍵破壞； 2.將再淀積于被刻蝕表面的產(chǎn)物或聚合物打掉DRIE、ICP刻蝕工藝刻蝕工藝1.現(xiàn)象現(xiàn)象（1）各向同性腐蝕（2）各向異性腐蝕（3）濺射腐蝕等離子體腐蝕的主要現(xiàn)象和特點(diǎn) （1）速率高 （2）環(huán)境清潔，工藝兼容性好。（3）掩膜選擇性好 30：1（4）表面光潔度好，應(yīng)力集中少（5）無(wú)晶向限制主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)min/7:mER（1）好的截面形狀，易于滿(mǎn)足鑄模要求。（2）高的腐蝕速率，適于體硅要

4、求。（3）利用各向同性腐蝕，滿(mǎn)足犧牲層腐蝕要求。（4）可用于活動(dòng)結(jié)構(gòu)制作。（5）可用于高深寬比結(jié)構(gòu)制作。適應(yīng)性適應(yīng)性反應(yīng)離子深刻蝕改善刻蝕的方向性，即各向異性，一直是反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)發(fā)展過(guò)程中不懈追求的目標(biāo)。完全化學(xué)刻蝕是各向同性的，完全的物理刻蝕雖然有很好的方向性，但有很差的選擇性，即掩模本身經(jīng)受不了長(zhǎng)時(shí)間的刻蝕。電感耦合等離子體（ICP），Bosch工藝反應(yīng)離子深刻蝕的要求：需要較高的刻蝕速率，否則刻穿500um厚的硅片需要太長(zhǎng)的時(shí)間；需要極好的各向異性，即刻蝕的邊壁垂直。除了離子物理濺射之外，反應(yīng)離子刻蝕從本質(zhì)上是各向同性，為了阻止或減弱側(cè)向刻蝕，只有設(shè)法在刻蝕的側(cè)向邊壁沉積一層抗刻蝕的

5、膜。Bosch工藝和Cryogenic工藝工藝所謂Bosch工藝就是在反應(yīng)離子刻蝕的過(guò)程中，不斷在邊壁上沉積抗刻蝕層或邊壁鈍化八氟環(huán)丁烷離化后在底面和側(cè)壁形成聚合物鈍化層。通入刻蝕氣體SF6刻蝕掉底部鈍化層，并進(jìn)一步刻蝕硅。新暴露的側(cè)壁被新的鈍化層覆蓋。離子濺射刻蝕離子濺射刻蝕是純粹的物理刻蝕過(guò)程，氬氣是最通用的離子源氣體。反應(yīng)氣體刻蝕利用二氟化氙XeF2在氣態(tài)可以直接與硅反應(yīng)生成揮發(fā)性SiF4產(chǎn)物的性質(zhì)，可以對(duì)硅表面進(jìn)行各向同性刻蝕。參數(shù)參數(shù)干法腐蝕干法腐蝕濕法腐蝕濕法腐蝕方向性對(duì)大多數(shù)材料好僅對(duì)單晶材料（深寬比高達(dá)100）生產(chǎn)自動(dòng)化程度好差環(huán)境影響低高掩模層粘附特性不是關(guān)鍵因素非常關(guān)鍵選擇

6、性相對(duì)差非常好待腐蝕材料僅特定材料所有工藝規(guī)模擴(kuò)大困難容易清潔度有條件地清潔好到非常好臨界尺寸控制非常好（0.1m）差裝置成本昂貴較昂貴典型的腐蝕率慢（0.1m/min）到快（6m/min）快（1m/min以上）操作參數(shù)多很少腐蝕速率控制在緩慢腐蝕時(shí)好困難干法刻蝕與濕法腐蝕對(duì)比其它物理刻蝕技術(shù)激光微加工技術(shù)飛秒激光對(duì)材料表面的輻照時(shí)間如此之短，激光的能量沒(méi)有時(shí)間轉(zhuǎn)化為熱量擴(kuò)散到相鄰區(qū)域；激光微加工是一種快速成型技術(shù)，不需要曝光、顯影、刻蝕的中間步驟，不受材料形狀與大小的限制；噴墨打印頭上的孔q 工作原理電源Real混合氣體：氦約80%，氮約15%， CO2 約5%通過(guò)高壓直流放電進(jìn)行激勵(lì)波長(zhǎng)1

7、0.6m，為不可見(jiàn)光能量效率5% 15%反射凹鏡反射平鏡電極放電管CO2氣體冷卻水進(jìn)口冷卻水出口激光高壓直流電源CO2激光器示意圖q 激光器q 激光加工特點(diǎn)q 激光加工應(yīng)用焦點(diǎn)位置對(duì)孔形狀影響圖7-74 激光焊接車(chē)身圖7-73 激光切割電火花加工利用兩個(gè)電極間的火花放電產(chǎn)生的高熱使火花放電區(qū)的材料熔化；對(duì)材料的要求是導(dǎo)電特點(diǎn)：可加工導(dǎo)體或半導(dǎo)體超硬材料非接觸加工可制作高深寬比結(jié)構(gòu)q 工作原理：利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，工件材料被熔化和氣化。同時(shí)，該處絕緣液體也被局部加熱，急速氣化，體積發(fā)生膨脹，隨之產(chǎn)生很高的壓力。在這種高壓作用下，已經(jīng)熔化、氣化的材料就從工件的表

8、面迅速被除去。 4個(gè)階段： 1）介質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道； 2）火花放電產(chǎn)生熔化、氣化、熱膨脹； 3）拋出蝕除物； 4）間隙介質(zhì)消電離（恢復(fù)絕緣狀態(tài)）。 電火花加工原理圖進(jìn)給系統(tǒng)放電間隙工具電極工件電極直流脈沖電源工作液Real電火花加工機(jī)床q 工作要素q 電火花加工類(lèi)型電火花線(xiàn)切割原理圖XY儲(chǔ)絲筒導(dǎo)輪電極絲工件電火花線(xiàn)切割機(jī)床電火花線(xiàn)切割加工加工過(guò)程顯示q 電火花加工特點(diǎn)q 電火花加工應(yīng)用工作原理：工件接陽(yáng)極，工具（銅或不銹鋼）接陰極，兩極間加直流電壓624V，極間保持0.11mm間隙。在間隙處通以 660m/S高速流動(dòng)電解液，形成極間導(dǎo)電通路，工件表面材料不斷溶解，溶解物及時(shí)被電解液沖

9、走。工具陰極不斷進(jìn)給，保持極間間隙。 電解加工原理圖電解液直流電源泵工件陽(yáng)極陰極進(jìn)給工具陰極q 電解加工特點(diǎn)q 電解加工應(yīng)用 導(dǎo)電磨輪電解液電刷工作臺(tái)工件絕緣板導(dǎo)電基體磨料陽(yáng)極膜q 電解磨削電子束加工電子束加工 電子束加工是近年來(lái)得到較大發(fā)展的特種加工方法，在精密微細(xì)加工方面，尤其是在微電子學(xué)領(lǐng)域中得到較多的應(yīng)用。電子束加工主要用于打孔、焊接等的精加工和電子束光刻化學(xué)加工。電子束加工原理圖控制柵極加速陽(yáng)極電子束斑點(diǎn)旁熱陰極聚焦系統(tǒng)工件工作臺(tái)工作原理q 特點(diǎn)及應(yīng)用離子束加工離子束加工 離子束加工與電子束加工的原理基本相同，不同的只是離子質(zhì)量比電子質(zhì)量大數(shù)千、數(shù)萬(wàn)倍，經(jīng)過(guò)聚焦加速后，靠離子打擊加工

10、件的動(dòng)能，或?qū)⒐ぜ脑幼矒舫鰜?lái)(撞擊效應(yīng))，或?qū)胁牡脑幼渤龊箫w濺沉積到工件表面上（濺射效應(yīng)），或直接將離子束中的離子打入工件表層之內(nèi)(注入效應(yīng))?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)材料的“毫微米級(jí)”或“原子級(jí)”加工。超聲波加工超聲波加工一、超聲波加工的基本原理一、超聲波加工的基本原理 聲波頻率超過(guò)16000Hz被稱(chēng)為超聲波。超聲波加工是利用超聲波振動(dòng)的沖擊磨料對(duì)工件進(jìn)行加工的一種方法，它不僅能加工脆硬金屬材料而且適合于加工不導(dǎo)電的脆硬非金屬材料，如玻璃、陶瓷等。同時(shí)超聲波還可用于清洗、焊接和探傷等。q 工作原理 變幅桿超聲波發(fā)生器超聲波加工原理圖振動(dòng)方向工具換能器工作液噴嘴工件超聲波加工超聲波加工二、超聲波加工的

11、特點(diǎn)、方法及應(yīng)用二、超聲波加工的特點(diǎn)、方法及應(yīng)用1、超聲波加工適合于加工各種脆硬材料，材料越是脆硬，越適宜超聲波加工；2、超聲波可用于加工薄壁、薄片等易變形零件，加工精度高；3、超聲波加工設(shè)備簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)效率低。 加工方法加工方法可采用超聲波直接加工、超聲波旋轉(zhuǎn)加工、超聲波機(jī)械復(fù)合加工、超聲波焊接、涂覆、清洗等。圖7-76 超聲波加工機(jī)床圖7-77 超聲波加工樣件q 超聲波加工特點(diǎn)及應(yīng)用q 工作原理：q 加工裝置（圖7-78）q 噴嘴材料及工作條件（表7-11） 項(xiàng)目 材料 孔徑/mm 至工件距離/mm 噴射角度/ 參數(shù)金剛石，藍(lán)寶石，淬火鋼0.0750.42.550030表7-11 噴嘴材料

12、及工作條件圖7-78 水噴射加工裝置示意圖噴嘴閥控制器蓄能器供水器過(guò)濾器泵增壓器液壓裝置排水器工件射流d利用超高壓水（或水與磨料的混合液）對(duì) 工 件 進(jìn) 行 切 割（或打孔），又稱(chēng)高 壓 水 切 割 ， 或“水刀”。q 工藝參數(shù)（表7-12，表7-13） 表7-12 水噴射加工常用工藝參數(shù) 工藝參數(shù) 常用值 工藝參數(shù) 常用值 壓力/MPa 70450 噴射力/N 45135 流速/m/s 300900 功率/kW 1040 流量/L/s 2.5 7.5 磨料耗量/kg/min 0.10.3工藝參數(shù)、效率、精度 石材 玻璃 ABS塑料 皮革 工件厚度/mm 25 12 2.8 4.45 噴嘴孔徑/mm 0.3 0.3 0.1 0.1 流體壓力/MPa 400 400 258 300 切割速度/m/min 0.1 0.1 0.85 0.55 切縫寬度/mm 0.5 0.5 0.2 0.2 切割精度/mm 0.05 0.05 表面粗糙度/m Ra12.5 Ra12.5 表7-13 幾種材料高壓水