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的制造工艺

时间:2022-02-12 理论教育 版权反馈
【摘要】:面向MEMS微传感器与微执行器的工艺技术,包括集成电路制造技术和微机械加工技术。为了解决微机械结构件的制造,在IC制造技术的基础上形成了体微加工技术、表面微加工技术以及键合技术等MEMS的制造技术。由于主要是对表面的一些薄膜进行加工,而且形状控制主要采用平面二维方法,因此被称为表面机械处理技术。

MEMS制造工艺 (Microfabrication Process)是建立在微米/纳米技术基础上的前沿技术,是指对下至纳米尺度、上至毫米尺度的微结构进行加工制造的通称,它可将机械构件、驱动部件、光学系统、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。面向MEMS微传感器与微执行器的工艺技术,包括集成电路制造技术和微机械加工技术。

自从20世纪60年代第一块集成电路 (Integrated Circuit,IC)问世以来,集成电路制造技术发展迅速。到20世纪80年代,电路线间距离由几微米发展到小于1μm。1mm2硅片面积内容量不断地增大,使得人们在各个方面几乎都离不开集成电路的应用。同时,集成电路微细加工技术的日趋成熟,奠定了对硅材料体微加工的基础。微机械的许多零部件结构性能差异大、范围广,如连杆、槽沟、梁、孔、棱锥、针、弹簧、齿轮、链环和微马达等,都需要纵向高度加工。为了解决微机械结构件的制造,在IC制造技术的基础上形成了体微加工技术、表面微加工技术以及键合技术等MEMS的制造技术。因此,要掌握MEMS的制造技术必须要熟悉集成电路制造技术,包括硅材料、薄膜制备、外延、氧化、掺杂、淀积、掩模制造、光刻、切割及封装等技术。图6-5为融合了集成电路制造的MEMS器件的典型生产流程。

微机械加工技术又可分为体微机械加工技术和表面微机械处理技术、LIGA技术和准LI-GA技术等。

1.体微机械加工技术

加工对象以体硅 (单晶)为主,加工厚度为几十微米到几百微米,主要技术为腐蚀技术和键合技术。其中腐蚀技术包括硅各向异性化学腐蚀技术和硅各向同性腐蚀技术。

硅各向异性腐蚀就是基于单晶硅不同晶向的物理化学性质不同,而使某些化学腐蚀液对不同晶向硅的腐蚀速率不同,即腐蚀速率存在各向异性。在硅压力传感器的制作工艺中重点采用硅各向异性腐蚀技术,为X形硅压阻式压力传感器的实现提供了可靠的技术保证。

图6-5 MEMS器件的典型生产流程

固相键合技术是不用液态胶黏剂,而将两块相似或不相似的固态材料键合在一起,且键合过程中材料始终处于固相状态的方法。它相当于传统机械加工中的焊接、黏结或紧固作用。目前广泛应用的固相键合技术分为硅-玻璃静电键合和硅-硅直接键合两种。

2.表面微机械处理技术

表面微机械处理技术一般采用光刻等手段,使得硅片表面淀积或生长而成的多层薄膜分别具有一定的图形,然后去除某些不需要的薄膜层,从而形成三维结构。由于主要是对表面的一些薄膜进行加工,而且形状控制主要采用平面二维方法,因此被称为表面机械处理技术。最终被去掉的薄膜部分被称为牺牲层 (Sacrificial Layer),而将其去除,仅保留其余薄膜所形成的结构的过程有时也称为结构释放。表面微机械加工技术以IC工艺为主,如氧化、扩散、光刻、薄膜沉积(PSG、Si O2、Si3N4多晶硅、金属膜等)和一些专门技术(如剥离技术和牺牲层技术等)。所以表面微机械处理技术与IC有较好的兼容。

3.LIGA技术

LIGA技术,即深层刻蚀技术、微电铸技术和微塑铸技术。LIGA技术最初是为了批量生产微型机械部件,但它的厚膜光刻和电镀成形工艺也为MEMS技术提供了有利的新手段。因此,在20世纪80年代问世后受到了很大重视。为了加工可动微机械部件,又移植了牺牲层技术。

4.准LIGA技术

准LIGA技术是改进的LIGA技术。该技术采用传统的深紫外线曝光、厚型光刻胶 (或其他聚合物)作掩模,以及金属材料的电铸工艺,可制备厚度数微米至数十微米的微结构。准LIGA与IC工艺兼容,尤其适用于同芯片集成的后续传感器与微机械结构的制备。

5.其他微机械加工工艺

除了上述四种加工工艺之外,还有许多制作微结构的工艺,例如放电加工、微细电火花加工 (EDM)、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形和微型立体加工技术等。这些技术是根据微机械的需要发展起来的,各自具有自身的特点,是上述四种基本技术的补充。

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