表面微加工

MEMS的制造技术主要包括两类：体微加工和表面微加工。这两类加工技术的基本材料都用硅，而加工工艺的基础都是集成电路制造技术。从20世纪80年代开始，人们对于硅在微加工中的应用才有了进一步的认识，从而使得二维集成电路制造技术发展到目前的准三维微加工制造技术。

硅的体微加工技术主要有光刻掩模技术、硅刻蚀自终止技术及湿法和干法技术。其中硅的各向异性刻蚀和刻蚀自终止技术是体微加工的两大支柱技术。

表面微加工技术来自金属膜的概念。在硅腐蚀的基础上，采用不同薄膜淀积腐蚀方法，在硅片表面形成不同形状的层状微结构。它的特点是能够加工三维尺寸的微器件，而且所用的材料 （如多晶硅、二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃等）和加工方法 （如光刻、电镀、溅射等微加工方法）与集成电路的制作有较好的兼容性，但该技术只能对硅材料进行微加工，从而使得微加工材料受到严格的限制。

图6－9为MEMS与IC兼容工艺简图，图中的矩形框为MEMS主要工序，圆角框为集成电路和表面加工主要工序。

图6－9 MEMS与IC兼容工艺简图

1.体微加工工艺

体微加工工艺包括去加工 （腐蚀）、附着加工 （镀膜）、改质加工 （掺杂）和结合加工（键合）。这里主要介绍腐蚀技术。

腐蚀技术主要包括干法腐蚀和湿法腐蚀，也可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。

（1）干法腐蚀是利用反应性气体或离子流进行的腐蚀。干法腐蚀可以腐蚀多种金属，也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性刻蚀，又可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或MEMS工艺的常用方法。按刻蚀原理，可分为等离子体刻蚀 （PE：Plasma Etching）、反应离子刻蚀 （RIE：Reaction Ion Etching）和电感耦合等离子体刻蚀 （ICP：Induction Couple Plasma Etching）。通过等离子气体腐蚀，可以实现各向同性的腐蚀。通过离子流腐蚀，可以实现方向性腐蚀。

（2）湿法腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液体里进行的腐蚀。硅的各向同性腐蚀是在硅的各个腐蚀方向上的腐蚀速度相等，比如化学抛光等。常用的腐蚀液是HF－HNO3腐蚀液，一般在HF和HNO3中加H2O或者CH3COOH。与H2O相比，CH3COOH可以在更广泛的范围内稀释而保持HNO3的氧化能力，因此腐蚀液的氧化能力在使用期内相当稳定。硅的各向异性腐蚀，是指在硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW（乙二胺、邻苯二酸和水）和联胺等。另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如KOH、Na OH、Li OH、Cs OH和NH4OH等。

在硅的微结构腐蚀中，不仅可以利用各向异性腐蚀技术控制理想的几何形状，还可以采用自停止技术来控制腐蚀的深度。例如阳极自停止腐蚀、PN结自停止腐蚀、异质自停止腐蚀、重掺杂自停止腐蚀、无电极自停止腐蚀，还有利用光电效应实现自停止腐蚀，等等。

图6－10显示了体硅微机械的几种基本结构。

图6－10 体硅微机械的基本结构

2.硅表面微机械加工技术

表面微机械加工是把MEMS的 “机械”（运动或传感）部分制作在沉积于硅晶体的表面膜 （如多晶硅、氮化硅等）上，然后使其局部与硅体部分分离，呈现可运动的机构。分离主要依靠牺牲层技术，即在硅衬底上先沉积上一层最后要被腐蚀（牺牲）掉的膜（如Si O2可用HF腐蚀），再在其上淀积制造运动机构的膜，然后用光刻技术制造出机构图形和腐蚀下面膜的通道，待一切完成后就可以进行牺牲层腐蚀而使微机构自由释放出来。该技术适用于制作厚度几微米至几十微米和深宽比为几至十几的微机械结构。

图6－11给出了表面微加工的基本过程：首先在硅片上淀积一隔离层，用于电绝缘或基体保护层；然后淀积牺牲层和图形加工，再淀积结构层并加工图形；最后溶解牺牲层，形成一个悬臂梁的微结构。

图6－11 表面微加工原理图

表面微加工技术有别于传统半导体工艺的本质在于可以制作可活动构件，如悬臂梁、转子、齿轮、振子等，这些都是MEMS器件的基本结构单元。迄今为止研究开发的多数微机电系统 （器件）都包含硅表面微机械加工技术工艺的单元，或者说，几乎所有的MEMS器件都有借助硅表面微机械工艺实现的设计形式。图6－12为采用表面微加工技术制作的梳状叉指电容和硅微转子。

图6－12 表面微加工应用

构成硅表面微机械加工技术的要素有：电子材料积累；半导体微加工技术基础；自支持结构单元设计；牺牲层技术。

硅表面微机械加工技术包括制膜工艺和薄膜腐蚀工艺。制膜工艺包括湿法制膜和干式制膜。湿法制膜包括电镀法（LIGA工艺）、浇铸法和旋转涂层法、阳极氧化工艺。其中LIGA工艺是利用光制造工艺制作高宽比结构的方法，它利用同步辐射源发出的X射线照射到一种特殊的PMMA感光胶上获得高宽比的铸型，然后通过电镀或化学镀的方法得到所要的金属结构。干式制膜主要包括化学气相沉积CVD（Chemical Vapor Deposition）和物理气相沉积PVD （Physical Vapor Deposition）。薄膜腐蚀工艺主要是采用湿法腐蚀，所以要选择合适的腐蚀液。

总之，利用半导体技术的材料体系和微加工技术，将基于薄膜材料制备的机械结构或者传感部件，与填充介质层组合，叠层定位制造在单晶硅衬底上，借助选择性刻蚀技术控制部分结构 （或局部）脱离支撑而释放，从而实现机械结构的批量制造，也可以与控制部分的电路集成，这便是典型的硅表面微机械加工技术。

3.键合技术

微加工工艺中有时需要将两块微加工后的基片黏结起来，可以获得复杂的结构，实现更多的功能。将基片结合起来有焊接、融接、压接 （固相结合）、黏结、键合等方法。

键合技术包括有阳极键合技术、硅－硅基片直接键合技术、其他硅－硅间接键合技术等。阳极键合又称静电键合或协助键合，具有键合温度较低、与其他工艺相容性较好、键合强度及稳定性高、键合设备简单等优点，广泛应用于硅－硅基片之间的键合、非硅材料与硅材料，以及玻璃、金属、半导体、陶瓷之间的互相键合。

阳极静电键合的机理：在强大的静电力作用下，先将两个被键合的表面紧压在一起，然后在一定温度下，通过氧－硅化学价键合，将硅及淀积有玻璃的硅基片牢固地键合在一起。硅－硅阳极键合的许多实例是在微电子器件中制造SOI（Silicon On Insulate）结构，此处介绍一种具体工艺流程，如图6－13所示。

（1）在第一块硅基片上用各向异性刻蚀技术刻出U形沟槽，并作氧化处理。

（2）在上述氧化处理的表面上沉积100μm厚的多晶硅。

（3）将多晶硅表面磨平、抛光后再氧化，或者在此抛光的表面上溅射沉积0.5～20μm厚的Corning7740玻璃层。

（4）选择合适的阳极键合工艺参数，将该基片与另一硅基片进行阳极键合。

（5）对第一块硅片进行减薄，SOI结构基本完成，可用作专用器件的制造。

阳极键合技术还大量应用于微加工，如微泵、微阀、微压力传感器和加速度传感器，以及微机电系统的组封装技术。同时还可以利用阳极键合技术将金属钨与玻璃键合起来，以制备大面积场发射阵列。

图6－13 阳极键合应用

（a）刻沟槽后氧化；（b）沉积多晶硅；（c）磨平、抛光后再氧化；（d）与另一硅基片键合；（e）减薄，抛光