第一講 表面微機(jī)械加工技術(shù)

硅表面微機(jī)械加工技術(shù)及其應(yīng)用概述表面微機(jī)械加工技術(shù)典型工藝示意圖■(Cjmlos3"CAiViPmodeM^U-UssiMEMSFtKKeis(MUMF勒Oade-2■(Cjmlos3"CAiViPmodeM^U-UssiMEMSFtKKeis(MUMF勒Oade-2詡沖MttalF'lfl-MlM F*oljr-JEarri佝Ultra-planar臨;J1Hec】MEMS(SUMMO)打FTTISurfeceMicromachining(O-epOsitPallcmThmFiJmLayors\硅表面微機(jī)械加工的典型結(jié)構(gòu)示意圖薄膜層材料常用多晶硅、氧化硅、氮化硅、玻璃和金屬等,為微結(jié)構(gòu)器件提供敏感元件、電接觸線、結(jié)構(gòu)層、掩模和犧牲層。犧牲層（常用SiO）做在淀積和光刻形成圖形的結(jié)構(gòu)層的2下面,可以選擇性刻蝕除去,使結(jié)構(gòu)層與基底隔開。該技術(shù)在硅片上用連續(xù)生長功能層、結(jié)構(gòu)層、犧牲層工藝來制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)，借助多次光刻－套刻實(shí)現(xiàn)圖形復(fù)制和層間對準(zhǔn)，依靠犧牲層技術(shù)控制結(jié)構(gòu)的分離與銜接，硅片本身并不被刻蝕,因而是一種平面加工或準(zhǔn)三維加工工藝,適用于制作厚度幾至幾十微米和深寬比為幾至十幾的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。該技術(shù)有別于傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝的本質(zhì)在于可以制作可活動(dòng)構(gòu)件,如懸臂梁、轉(zhuǎn)子、齒輪、振子等，這些都是MEMS器件的基本結(jié)構(gòu)單元。所以：構(gòu)成硅表面微機(jī)械加工技術(shù)的要素a犧牲層技術(shù)電子材料積累a犧牲層技術(shù)半導(dǎo)體微加工技術(shù)基礎(chǔ)總結(jié)：利用半導(dǎo)體技術(shù)的材料體系和微加工技術(shù)，將基于薄膜材料制備的機(jī)械結(jié)構(gòu)或者傳感部件，與填充介質(zhì)層組合，疊層定位制造在單晶硅襯底上，借助選擇性刻蝕技術(shù)控制部分結(jié)構(gòu)（或局部）脫離支撐而釋放，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的批量制造，也可以與控制部分的電路集成，這便是典型的硅表面微機(jī)械加工技術(shù)。迄今為止研究開發(fā)的多數(shù)微機(jī)電系統(tǒng)（器件）都包含硅表面微機(jī)械加工技術(shù)工藝的單元，或者說：幾乎所有的MEMS器件都有借助硅表面微機(jī)械工藝實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)形式。2.主要單元技術(shù)常用材料簡介：硅表面微機(jī)械加工技術(shù)主要采用半導(dǎo)體工業(yè)常用的部分硅基材料，如單晶硅：僅作為襯底使用，通常不會(huì)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加工，但是經(jīng)常需要進(jìn)行表面氧化以形成犧牲層或絕緣層，摻雜或注入以形成導(dǎo)電層或者阻擋層。單晶硅在微尺度下具有非常優(yōu)越的機(jī)械性能，那是在體硅加工中才能夠得到充分利用的性質(zhì)。研究者將SOI(silicononinsulator)硅片用作襯底可以得到一層以單晶硅為結(jié)構(gòu)材料的微結(jié)構(gòu)，所以，也有把SOI作為MEMS材料的說法。多晶硅：該工藝體系中最常用的結(jié)構(gòu)材料之一，可以摻雜成為半導(dǎo)體，作為結(jié)構(gòu)材料通常厚度在2微米左右,借助ACVD、LPCVD、PECVD都可以制備，但是以LPCVD工藝最常用，成膜條件通常取10-100Pa壓力，基片溫度600度,借助硅烷的分解沉積硅。多晶硅膜可以借助RIE方法精確圖形化。多晶硅的優(yōu)越特性：.Strongerthansteel(polysiliconhasastrengthof2-3GPa,whilesteelhasastrengthof200MPa-1GPa)Extremelyflexible(themaximumstrainbeforefractureis~0.5%)Resistsfatigueultra-low-stressmechanicalpolysiliconmaintainsdeviceintegrity.polysiliconisdirectlycompatiblewithmodernICfabricationprocesses.Infact,polysiliconiscurrentlyusedinvirtuallyallICfabs，Itsdepositionandetchpropertiesareverywellknown.氮化硅：同樣是常用的結(jié)構(gòu)材料之一，CVD制備，常借助RIE技術(shù)圖形化，有時(shí)也可以濕法加工。作為絕緣材料使用，厚度一般在1微米以下。不同條件下制備的CVD氮化硅薄膜性質(zhì)有很大差異，高溫工藝傾向于得到致密、高穩(wěn)定性的薄膜。低溫工藝通常借助PECVD實(shí)現(xiàn)。氧化硅：主要是作為犧牲層材料使用，與多晶硅和氮化硅擁有濕法刻蝕的選擇性；經(jīng)常作為絕緣材料使用，隔絕襯底與結(jié)構(gòu)材料之間的電接觸。有時(shí)也可以作為結(jié)構(gòu)材料使用，剛度大于多晶硅和氮化硅，透明度高，刻蝕選擇比高，是既可以用濕法加工，也可以用干法圖形化的薄膜。氧化硅在表面微機(jī)械加工技術(shù)體系中主要借助CVD方法制備，但是其它用途多采用基體氧化法在單晶硅表面生成，熱氧化膜性質(zhì)穩(wěn)定，內(nèi)應(yīng)力低，與基體結(jié)合牢固，但是厚度難以大幅度提高，所以，作為犧牲層的氧化硅對本體特性要求不多，多采用CVD制備。鋁薄膜：常用的金屬膜結(jié)構(gòu)材料和導(dǎo)電材料，特別適合RFMEMS器件中兼顧上述兩種功能的結(jié)構(gòu)采用，比金有更好的機(jī)械特性，質(zhì)輕而易于加工，通常采用蒸鍍或?yàn)R射方法制備，可以采用離子銑加工，但更多采用濕法刻蝕，刻蝕劑大多采用磷酸。金膜：導(dǎo)電或結(jié)構(gòu)材料，有時(shí)也會(huì)用作犧牲性材料或者鍵合過渡層。穩(wěn)定性好，可以采用蒸鍍、濺射或者電鍍方法制備，能夠采用離子銑和濕法刻蝕加工，更多采用后者，也可以采用掩膜電鍍直接圖形化成型。除了作為硅－硅鍵合過渡層使用，其它硅基體系中應(yīng)盡量避免后續(xù)高溫工序，以免造成擴(kuò)散污染等負(fù)作用。氧化鋯、氧化鉭介電絕緣材料，通常只在需要高介電常數(shù)絕緣膜的體系中采用，作為功能材料，厚度較薄，一般采用濺射方法制備，干法刻蝕圖形化。多孔硅膜：特殊的犧牲層介質(zhì)，借助硅的電極氧化形成，擁有高對比度選擇性刻蝕的特性，能夠提供比氧化硅更大的犧牲層空間（厚度），可以作為功能性襯底，同時(shí)也是體硅加工的一種手段。綜合上述幾種常用材料，可以看到以下幾個(gè)特點(diǎn)：材料均為薄膜形態(tài)，作為結(jié)構(gòu)材料的厚度通常較厚，一般要進(jìn)行微細(xì)加工，部分薄膜結(jié)構(gòu)最終會(huì)形成自支撐結(jié)構(gòu)。其中最后一點(diǎn)與半導(dǎo)體技術(shù)的差異最為

明顯，也是MEMS材料最為重要的關(guān)注因素。影響自支撐形態(tài)的主要因素是薄膜的內(nèi)應(yīng)力，因此，應(yīng)力控制是表面微機(jī)械加工的重要課題。單層膜體內(nèi)的應(yīng)力與一般體系沒有太多差別，但是，以多層膜結(jié)構(gòu)見長的表面微加工還要特別關(guān)注鄰近材料熱膨脹系數(shù)不同造成的內(nèi)應(yīng)力，特別是當(dāng)一種材料必須在高溫制備時(shí)。材料選擇盡量同種或同類，只在有意利用內(nèi)應(yīng)力的情況下才會(huì)選擇差MEMSThermalBimorph(CoohdtoRoomTefnjKratiire)PolysiIiconBecauseofitshighCTEtgoldwillcontractfasterthansillcan.Residua]我deformsanimeh^redcantileverbeam.^AWmodeDuringnianf]fauturc.goldisdepositedontopoiystlicon.MEMSThermalBimorph(CoohdtoRoomTefnjKratiire)PolysiIiconBecauseofitshighCTEtgoldwillcontractfasterthansillcan.Residua]我deformsanimeh^redcantileverbeam.^AWmodeDuringnianf]fauturc.goldisdepositedontopoiystlicon.(ElevatedTccnjicratiBc) “GoldPolysUkaiLGoldAirhor H過大的內(nèi)應(yīng)力會(huì)造成薄膜結(jié)構(gòu)破裂或變形。因此，需要對材料體系的設(shè)計(jì)給予充分重視，特別是材料制備技術(shù)。薄膜制備技術(shù)｛濕法干法濕法制備的薄膜在硅表面微機(jī)械加工技術(shù)體系中很少用到，主要是電鍍、濕氧化，用于制備金屬膜和多孔硅膜等，有時(shí)也采用濕法電化學(xué)氧化生長氧化硅。電鍍主要是制備金膜,將在LIGA/準(zhǔn)LIGA技術(shù)章節(jié)重點(diǎn)介紹。多孔硅膜的濕法氧化：在高濃度的氫氟酸溶液中,以硅為正極通小電流氧化，就可以在硅基體表層得到多孔硅，適當(dāng)改變制備條件就能夠使多孔層轉(zhuǎn)化成氧化硅，是更為理想的犧牲層。干法制備薄膜是主要技術(shù)手段，包括CVD、蒸鍍、濺射、擴(kuò)散、離子注入和熱氧化等，其中后三者實(shí)際上是對基體的表層進(jìn)行改性。CVD(化學(xué)氣相沉積):在有控制的氣相氛圍中，使包含目標(biāo)物質(zhì)的氣體原料在基板表面發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生所需要的物質(zhì)，沉積在基板表面，形成薄膜。有常壓CVD(ACVD),低壓CVD(LPCVD)等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD)之分。常壓CVD在常壓下工作，工作溫度多在1000度左右，工作區(qū)內(nèi)僅對基板加熱，沉積速度較快，鍍層調(diào)控能力較差。LPCVD：工作時(shí)對整個(gè)爐體加熱，并施加一高頻激勵(lì)電源，工作溫度一般略低，可以調(diào)控腔室壓力，擁有更多的調(diào)節(jié)手段，但是，沉積速度也低得多。國內(nèi)外對在此體系中進(jìn)行多晶硅薄膜沉積展開了深入的研究工作，LPCVD成為低應(yīng)力多晶硅主要制備手段。PECVD同樣在低氣壓下工作，但是，借助高頻放電所形成的等離子體，能夠在較低溫下成膜，通?？梢越档偷?00度左右。盡管有等離子體相助，不同溫度下沉積的薄膜還是有一定區(qū)別的，應(yīng)根據(jù)需要合理選擇薄膜制備方法?？傮w看來，CVD方法提供了更多選擇和更高的生產(chǎn)效率，在微電子工藝中已經(jīng)得到充分考驗(yàn)和驗(yàn)證，所以它的技術(shù)開發(fā)一直未有間斷,各種輔助措施的CVD方法和相應(yīng)的設(shè)備名目繁多，有興趣者可以參考相關(guān)專門資料進(jìn)一步學(xué)習(xí)。蒸鍍通常用于制備金屬膜，在真空系統(tǒng)中加熱金屬材料，使之蒸發(fā)，蒸汽原子運(yùn)動(dòng)到基片表面堆積成為薄膜。本地真空一般小于lmTorr,蒸汽壓力一般大于lOmTorr,蒸鍍的主要缺點(diǎn)是臺(tái)階覆蓋能力差，由于金屬化工藝通常是最后的一步，待加工表面有高低落差是難免的，所以常采用旋轉(zhuǎn)和基片加熱方法加以改進(jìn)。濺射方法與蒸鍍相比最突出的有時(shí)也在其臺(tái)階覆蓋能力上，濺射的金屬材料種類很多，其限制因素較少，所以，現(xiàn)在的金屬化大多數(shù)采用濺射方法。濺射不但能夠沉積金屬，采用射頻濺射還可以制備化合物薄膜，但以反應(yīng)濺射更為可取，因?yàn)榛衔锇胁牟煌煞莸臑R射產(chǎn)額差異濺射膜一般處于張應(yīng)力狀態(tài)，可以通過臺(tái)階儀測量沉積后的形變加以研究，調(diào)節(jié)濺射參數(shù)可以改進(jìn)該方面的性質(zhì)。離子注入和擴(kuò)散等更多是在體硅加工時(shí)有用，后面再講述。圖形復(fù)制技術(shù)：光刻-套刻借助光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形批量復(fù)制和轉(zhuǎn)移是微電子技術(shù)最重要的特征之一，MEMS技術(shù)完全繼承了這一點(diǎn)，但是追求的不只是納米化線寬，而是高深寬比結(jié)構(gòu)，它所要克服的困難更

多來自于曝光深度和高低落差所造成的空間一致性難題。更多內(nèi)容會(huì)在準(zhǔn)LIGA技術(shù)章節(jié)闡述，本節(jié)僅簡單介紹簡單工藝過要素。光刻必須具備的先決條件是光源、光刻膠和掩膜版。表面微機(jī)械加工繼承半導(dǎo)體加工的傳統(tǒng)以紫外光作光源。光源要盡量均勻平行。VVVVVVVVV掩膜版是設(shè)計(jì)成部分透光的玻璃板一系列這樣的模版所產(chǎn)生的圖案是VVVVVVVVV掩膜版要擁有盡量高的通透/隔斷對比度光刻膠要能夠準(zhǔn)確復(fù)制掩膜版的圖案，這就要求有高的感光靈敏度和對比度。加工的技術(shù)要求。光刻圖形復(fù)制的基本步驟包括：涂膠－前烘－曝光－顯影－后烘－圖形轉(zhuǎn)移－去膠，除卻必須嚴(yán)格遵守的技術(shù)參數(shù)取值范圍之外，經(jīng)驗(yàn)是非常重要的影響因素。本實(shí)驗(yàn)室所用雙面光刻機(jī)的光源波長是248nm,光刻膠是AZ系列的正膠，最小線寬可達(dá)1微米，套準(zhǔn)精度也在1微米左右。圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)――刻蝕把光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到目標(biāo)材料中形成微結(jié)