天津大学 CMOS MEMS技术与应用 秦玉香 考试复习版

MEMS—微电子机械系统--微机电系统
Micro Electro Mechanical Systems
特点：微型化、多样化、稳定性、集成化、批量化、广义化
应用：军事国防、环境保护、工厂维修（压力传感器、微加速度计、微喷）
体硅腐蚀包括: 各向异性腐蚀和各向同性腐蚀
体硅各向异性腐蚀：
是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向腐蚀速率不同的特性，使用抗蚀材料作掩膜，用光刻、干法腐蚀和湿法腐蚀等手段制作掩膜图形后进行的较大深度的腐蚀。

机理：腐蚀液发射空穴给硅，形成氧化态Si+，而羟基OH-与Si+形成可溶解的硅氢氧化物的过程。

体硅各向异性腐蚀：各向异性腐蚀液通常对单晶硅(111)面的腐蚀速率与(100)面的腐蚀速率之比很大((100)面与(111)面的腐蚀速率比为100:1)，因为：(111)面有较高的原子密度，表面预钝化层更容易生长；(100)面每个原子具有两个悬挂键，而(111) 面每个原子只有一个悬挂键，移去(111)面的原子所需的能量比(100)面要高。

自停止腐蚀技术：在硅微结构的腐蚀中，不仅利用各向异性腐蚀技术控制理想的几何形状，还要严格控制腐蚀的深度，特别对于制造硅薄膜、梁结构时。

膜和梁的厚度与精度对传感器的性能有主要影响严格地控制膜厚将由自停止腐蚀技术解决。

自停止腐蚀技术：重掺杂自停止腐蚀和电化学自停止腐蚀
重掺杂自停止腐蚀技术利用各向异性腐蚀液对重掺杂硅的腐蚀速率较小来实现腐蚀自停。

干法刻蚀有三种实用技术：
等离子刻蚀ICP
离子研磨
反应离子刻蚀RIE
等离子刻蚀主要特点：
（1）速率高
（2）环境清洁，工艺兼容性好。

（3）掩膜选择性好>300：1
（4）表面形貌好，无应力集中现象
（5）无晶向限制
反应离子刻蚀（RIE）
DRIE（深度反应离子刻蚀）延伸了体硅工艺技术，使MEMS产品获得较高的深宽比，并且腔壁完全垂直。

DRIE是利用高浓度的等离子源，使基底材料的等离子刻蚀过程与在侧壁上刻蚀保护材料的淀积过程交替进行。

DRIE过程与干法等离子体腐蚀的不同之处在于DRIE在腐蚀过程中可以在侧壁生成几毫米厚的保护掩膜。

表面微加工技术
表面微加工：是对淀积在基底表面上的薄膜层进行加工，利用类似IC制造中的各种标准方法，以硅片为基底，通过多层薄膜的淀积和图形加工制备三维微机械结构化学气相淀积分类：
常压化学气相淀积（APCVD)
低压化学气相淀积（LPCVD)
等离子增强化学气相淀积（PECVD)
APCVD特点产量低，成膜厚度的均匀性不够理想。

LPCVD特点压强的降低意味着减少载气气体，而生成薄膜所要的反应气体量和大气压下相同，从而使反应室内的反应气体相对增加，致使反应气体向衬底表面的扩散能进行更均匀PEVCD特点反应温度低
SiO2作牺牲层
多晶硅做结构层
氮化硅是在基底表面牺牲层和结构层之前做，对基底进行保护。

惰性材料，抗腐蚀强金属合金薄膜做结构薄膜使用
多晶硅的淀积方法：低压化学气相淀积（LPCVD）常压化学气相淀积（APCVD）等离子体增强化学气相淀积（PECVD）分子束淀积
二氧化硅的制备：热氧化、SiO2淀积（CVD）
金属淀积工艺有许多种，包括电热蒸镀、电子束蒸镀、溅射沉积、金属CVD、激光辅助CVD和电淀积
表面微加工技术存在着三个主要的力学问题：⑴层间黏附；⑵界面应力；⑶静态阻力界面应力：热应力、残余应力、薄膜结构中本身的应力
SI外延技术就是生长一层类似超晶格的一层表面加工中核心技术是牺牲层，制作悬空可以活动的微结构，悬臂工艺流程去除牺牲层用HF。

LIGA 工艺
LIGA工艺是一种基于x射线光刻技术的三维微结构加工技术，主要包括x光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个最主要工艺步骤。

X光深层光刻工艺（深度X射线曝光）
LIGA 技术的主要特点：
(1)可制作高度达数百至1000um，高宽比大于200，侧壁平行线偏离在亚微米范围内的三维立体微结构；
(2)对微结构的横向形状没有限制，横向尺寸可小到0.5um加工精度可达0.1；
(3)用材广泛，金属、合金、陶瓷、聚合物、玻璃都可作为LIGA加工的对象；
(4)与微电铸、注塑巧妙结合可实现大批量复制生产，成本低。

电镀和电铸的区别：
(1)电铸的镀层通常相当厚。

一般电镀镀层厚度大约在1～50μm 之间,
而电铸镀层厚度一般明显大于数十微米,甚至经常达到几个毫米以上。

(2) 在电沉积之后,电铸形成的物件都能从基体上自然分离。

因此在电铸中镀
层必须与基体之间结合力很低以至能够分开。

相反地,在传统的电镀过程中,镀层经常
用来保护金属基体或者作为装饰之用,所以镀层与阴极必须结合得很好, 以免剥落。

(3) 镀层的机械性能和尺寸控制精度在电铸工艺中是相当关键的,这就要求严格控制镀层的组分、结构和内应力。

电铸件的自身性能与基体是无关的,但电镀得到的镀层的性能则与基体金属是互为补充的。

准LIGA技术是利用紫外线或激光光刻工艺来代替同步辐射X光深层光刻工艺
LIGA技术与准LIGA技术比较：
LIGA技术已经在微传感器、微致动器、微光学器件及其他微机械加工中显示出无可比拟的优点。

但不足的是，LIGA工艺需要昂贵的同步辐射X光源和制作复杂的X线掩膜，而且与集成电路工艺兼容性不好。

准LIGA技术对设备条件要求低，与集成电路工艺具有很好的兼容性，具有更高的灵活性和实用性。

在制作高深宽比微金属结构时，准LIGA工艺虽然不能完全达到LIGA工艺的性能，但也能满足微机械制作中的许多需要。

目前对该方法的研究较LIGA技术要更加广泛。

牺牲层LIGA技术（SLIGA技术）：
在微机械制造领域，很多情况下需要制造可活动的零部件，例如微阀、微马达和微加速度计等。

LIGA技术只能制作没有活动的3维微结构。

为了能制出含有可活动的3维微结构，把牺牲层技术应用于LIGA技术中--SLIGA技术。

牺牲层LIGA技术是首先在需运动的部件下溅射一层牺牲层（例如金属钛），而在需固定的部件下溅射一层金属银，然后利用同步辐射套刻工艺获得所需的光刻胶微结构，经过微电铸工艺，将牺牲层用化学方法去除，这样就可获得可活动的零部件。

LIGA套刻技术：在LIGA技术中，可利用套刻技术获得含有台阶的微结构，该技术在第一次光刻、微电铸的基础上进行第二次套刻和微电铸，获得含有台阶的微结构。

阳极键合：阳极键合又称静电键合或场助键合。

阳极键合技术可将硅与玻璃、金属及合金在静电场作用下键合在一起，中间务需任何粘接剂。

特点：键合界面具有良好的气密性和长期的稳定性。

硅与硼硅酸玻璃阳极键合停止过程：在阳极键合过程中，加上电压后，即刻有一电流脉冲产生；稍候，电流几乎降为0，表明此时键合已经完成。

所以可以通过观察外电路中电流的变化，判断键合是否已经完成。

Si-Si直接键合(SDB)：两片硅片通过高温处理，可直接键合在一起，中间勿需任何粘接剂和夹层，也勿需外加辅助电场。

优点：硅-硅直接键合可以获得硅-硅界面，实现材料的热膨胀系数、弹性系数等的最佳匹配，得到硅一体化结构。

有利于提高产品的长期稳定性和温度稳定性。

缺点：需要在高温（700-1000）下才能完成，而高温处理过程难以控制，且不便操作；Si-Si熔融键合,加热形成近似熔融状态，缺点温度要求高，优点没有任何杂质存在
室温下SI -SI直接键合，对硅片表面用氩气在真空中处理
玻璃料粘合剂，加温
SI和金属连接，共融键合，加一薄层AU或者AL。