MEMS工艺表面微机械加工技术
微机电系统(mems)工程技术 半导体制造工艺技术
微机电系统(mems)工程技术半导体制造工艺技术微机电系统（MEMS）是一种融合微电子技术、机械工艺和微纳米加工技术的新型技术，具有微小体积、高性能和低功耗等优点，被广泛应用于传感器、执行器、微机械系统等领域。
MEMS制造工艺技术作为其核心技术之一，在MEMS设备的设计、生产和测试过程中起着至关重要的作用。
一、MEMS制造工艺技术的基本原理MEMS制造工艺技术是利用微纳米加工技术对微电子元件进行加工，实现微小尺寸的器件。
其基本原理包括光刻、薄膜沉积、刻蚀、清洗和包装等步骤。
在制造过程中，需要考虑到器件的性能、成本和效率等因素，并采用不同的工艺流程进行处理。
二、MEMS制造工艺技术的工艺流程1.设计阶段：确定MEMS器件的功能和结构，并进行软件仿真和电路设计，制定完整的器件设计方案。
2.掩膜光刻：利用掩膜和紫外光曝光的技术，将器件的图形准确转移到光敏材料上，形成所需的图形。
3.薄膜沉积：采用物理气相沉积、化学气相沉积等技术，在衬底表面沉积一层或多层薄膜，用于制备MEMS器件的功能部件。
4.刻蚀工艺：采用干法或湿法刻蚀技术，将多余的材料去除，形成所需的器件结构。
5.清洗和检测：在制造过程中，需要对器件进行清洗和检测，确保器件的质量和性能。
6.包装封装：将制备好的器件封装在封装体中，保护器件免受外部环境的影响。
三、MEMS制造工艺技术的发展趋势1.纳米加工技术：随着纳米加工技术的发展，MEMS器件的尺寸将进一步减小，性能将得到显著提升。
2.多功能集成：未来的MEMS器件将具有多功能集成的特点，可以同时实现多种功能，提高器件的综合性能。
3.自组装技术：自组装技术的应用将使MEMS制造工艺更加灵活和高效，降低成本，提高生产效率。
4.高可靠性设计：随着MEMS器件在汽车、医疗等领域的广泛应用，高可靠性设计将成为MEMS制造工艺技术的重要发展方向。
四、结语MEMS制造工艺技术是一项复杂而重要的工艺技术，对MEMS器件的性能和质量起着决定性的作用。
第九讲2MEMS
devices have been developed. Efforts include approaches to build devices in ceramics, metals, and polymers. In addition, research is active into building high aspect ratio (2.5-D) structures and true 3-D micro-machining techniques.
后产生强大的残余应力
粘连
• 两个分离薄片粘附在一起的现象称为
粘连； • 粘连是表面微加工中最严重的问题； • 在牺牲层从被分离的材料层中去除时 发生
解决方法
1、最简单的方法式在漂洗和吹干期间，尽量 防止微器件与基体的接触，从液体中抽出器 件时尽量减少器件上的作用力，在最后一道 工序中采用低表面张力的液体。 2、超临界干燥 3、低于三相点
• IC工艺中，SiO2是一种多用途的基本材料 • 在多晶硅表面微机械中，SiO2的应用主要
是作为牺牲层材料，另一个用途是作为多 晶硅厚膜图形的刻蚀掩模 • 二氧化硅在较大的波长范围内具有透光性
二氧化硅的制备
• 在表面微机械中，广泛采用的SiO2生
长和淀积方式是热氧化和LPCVD。
3、氮化硅
• 氮化硅只能用沸腾的磷酸（H3PO4混合物）
晶硅那样通过生长、扩散或离子注入 进行掺杂 • 由于生长的膜厚可以较好的控制，与 其他薄膜有良好的相容性，有利于制 造多层膜结构 • 生长工艺的进步使得多晶硅薄膜可以 大批量生长，且可以大面积生长
2）、多晶硅的淀积
mems制造工艺及技术
MEMS制造工艺及技术的深度解析一、引言微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）是一种将微型机械结构与电子元件集成在同一芯片上的技术。
由于其体积小、功耗低、性能高等特点，MEMS技术已被广泛应用于各种领域，如汽车、医疗、消费电子、通信等。
本文将详细介绍MEMS的制造工艺及技术，以帮助读者更深入地了解这一领域。
二、MEMS制造工艺1. 硅片准备MEMS制造通常开始于一片硅片。
根据所需的设备特性，可以选择不同晶向、电阻率和厚度的硅片。
硅片的质量对最终设备的性能有着至关重要的影响。
2. 沉积沉积是制造MEMS设备的一个关键步骤。
它涉及到在硅片上添加各种材料，如多晶硅、氮化硅、氧化铝等。
这些材料可以用于形成机械结构、电路元件或牺牲层。
沉积方法有多种，包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和电镀等。
3. 光刻光刻是一种利用光敏材料和模板来转移图案到硅片上的技术。
通过光刻，我们可以在硅片上形成复杂的机械结构和电路图案。
光刻的精度和分辨率对最终设备的性能有着重要影响。
4. 刻蚀刻蚀是一种通过化学或物理方法来去除硅片上未被光刻胶保护的部分的技术。
它可以用来形成机械结构、电路元件或通孔。
刻蚀方法有湿法刻蚀和干法刻蚀两种。
湿法刻蚀使用化学溶液来去除材料，而干法刻蚀则使用等离子体或反应离子刻蚀（RIE）来去除材料。
5. 键合与封装键合是将两个或多个硅片通过化学键连接在一起的过程。
它可以用于制造多层MEMS设备或将MEMS设备与电路芯片集成在一起。
封装是将MEMS设备封装在一个保护壳内以防止环境对其造成损害的过程。
封装材料可以是陶瓷、塑料或金属。
三、MEMS制造技术挑战与发展趋势1. 尺寸效应与可靠性问题随着MEMS设备的尺寸不断减小，尺寸效应和可靠性问题日益突出。
例如，微小的机械结构可能因热膨胀系数不匹配或残余应力而导致失效。
为了解决这些问题，研究人员正在开发新型材料和制造工艺以提高MEMS设备的可靠性。
mems工艺技术路线
mems工艺技术路线MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种将微电子技术与微机械技术相结合的新型技术，它能够在微米级别上制造出微小尺寸的机械结构。
MEMS技术在传感器、光学、生物医学等领域起着重要作用，因此MEMS技术的研究和发展受到了广泛关注。
MEMS工艺技术路线主要包括六个步骤：定义、制作图形、加工、建立结构、封装和测试。
首先是定义阶段，需要在硅片的表面上制作出所需的图形。
这一步主要依靠光刻技术，通过在硅片表面涂覆光刻胶，然后利用掩膜进行光阻曝光，再进行光刻胶的显影和刻蚀，最终形成所需图形。
这一步骤非常重要，也是MEMS工艺技术的核心。
接下来是制作图形阶段，即利用显影和刻蚀技术将所需图形转化为凹槽或凸起的结构。
这一步骤主要依靠湿法腐蚀和干法腐蚀技术来进行刻蚀，以形成所需的结构。
然后是加工阶段，需要对硅片进行剩余的加工处理。
这一步骤包括掺杂、扩散、沉积等工艺，以获得所需要的电学、磁学和光学特性。
建立结构阶段是通过层叠和结合不同材料形成完整的MEMS器件。
这一步骤需要利用薄膜沉积和刻蚀等工艺，将不同材料的层叠结合成为一体。
封装是将MEMS器件封装到特定的封装中，保护器件并提供良好的电气和机械性能。
这一步骤主要包括背面研磨、切割、粘接等工艺。
最后是测试阶段，对制造好的MEMS器件进行各种测试。
这一步骤主要包括电学测试、机械测试、光学测试等，以确保器件的性能符合设计要求。
总的来说，MEMS工艺技术路线是一个复杂而精细的过程，需要运用各种微加工和微细结构制造技术。
这一技术路线的研究与发展为MEMS技术的进一步应用和推广提供了重要的支持。
同时，MEMS工艺技术路线也需要不断地进行改进和创新，以适应不断发展的科技需求。
MEMS的制造技术
4.1. 体微加工
硅的体微加工技术包含硅的湿法和干法技术，硅 刻蚀自终止技术、LIGA技术、以及DEM技术。
4.1.1. 湿法刻蚀技术 技术原理：硅表面点作为随机分布的局部区域的阳 极与阴极。由于这些局部区域化电解电池的作用，硅 表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流，一般 超过100A/cm2。 硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液所含的杂质、 腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附过程等因素 对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大的影响。
图4.2表面取向对腐蚀速率的影响与温度的关系
图4.3 腐蚀速率与温度的关系（高HF区，无稀释） 自下而上每族曲线对应的配比为：95%HF+5% HNO3， 90%HF+10% HNO3，85%HF+1F+20% HNO3+15%H2O， 20%HF+60% HNH3+20%H2O
硝酸硅发生氧化反应生成二氧化硅，然后由HF将 二氧化硅溶解 Si+HNO3+HF=H2SiF6+HNO2+H2O+H2
水和乙酸（CH3COOH）通常作为稀释剂，在HNO3 溶液中，HNO3几乎全部电离，因此H+浓度较高， 而CH3COOH是弱酸，电离度较小，它的电离反应 为
CH3COOH=CH3COO-+H+
图4.5腐蚀速率与成分的关系
下图给出分别用H2O和CH3COOH作为稀释剂的HF+ HNO3，系统腐蚀 硅的等腐蚀线（常用的浓酸的重量百分比是49.2%HF和69.5% HNO3）。
H2O和CH3COOH作为稀释剂的功能相似，共同特 点： （1）在低HNO3及高HF浓度区（见图4.6的顶角区）， 等腐蚀曲线平行于等HNO3浓度线，由于该区有过量 的HF可溶解反应产物SiO2，所以腐蚀速率受HNO3的 浓度所控制。 （2）在低HF高HNO3区（见图4.6的右下角），等腐 蚀线平行于HF浓度线。 （3）当HF HNO3=1 1，稀释液浓度百分比小于 10%时，随稀释液的增加对腐蚀速率影响较大草原稀 释液从10% 30%，腐蚀速率随秋耕释液的增加呈减 小；稀释液大于30%后，稀释的微小变化会引起腐蚀 速率的很大变化。
MEMS加工工艺及表面加工
32
硅各向异性湿法腐蚀的缺点 • 图形受晶向限制 • 深宽比较差, 结构不能太小 • 倾斜侧壁 • 难以获得高精度的细线条。
33
干腐蚀
气体中利用反应性气体或离子流进行的腐蚀称 为干腐蚀。干腐蚀刻蚀既可以刻蚀多种金属， 也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性 腐蚀，也可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺 或MEMS常用工艺。
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1
MEMS加工工艺
MEMS加工工艺分类
2
部件及子系统制造工艺
半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加 工工艺等
封装工艺
硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃 封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯 片组件工艺
3
MEMS加工技术的种类
大机械制造小机械，小机械制造微机械
日本为代表，与集成电路技术几乎无法兼容
LIGA工艺
Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸) 德国为代表，利用同步辐射X射线光刻技术，通过电铸成型和塑
铸形成高深宽比微结构的方法。设备昂贵，需特制的X射线掩模 版，加工周期长，与集成电路兼容性差
• 优点：与常规IC工艺兼容性好; 器件可做得很小
• 缺点：这种技术本身属于二维平面工艺，它限 制了设计的灵活性。
47
48
关键技术
牺牲层技术 薄膜应力控制技术 防粘连技术
硅腐蚀速率与晶体取向的关系
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与{100}、{110}相比，{111}面有慢的腐 蚀速率，所以经过一段时间腐蚀后，所 腐蚀的孔腔边界就是{111}面
各向异性腐蚀剂腐蚀出微结构的特点 29
MEMS工艺体硅微加工工艺
MEMS工艺体硅微加工工艺1. 简介MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems），即微电子机械系统，是一种集成了电子、机械和光学等技术的微型设备。
MEMS工艺体硅微加工工艺是MEMS制造中最常用的一种工艺。
本文将介绍MEMS工艺体硅微加工的基本原理、工序以及常见的应用领域。
2. 工艺原理MEMS工艺体硅微加工工艺以单晶硅片作为主要材料，通过一系列的加工工序，制造出具有复杂结构和微尺寸的器件。
其工艺原理主要包括以下几个方面：2.1 单晶硅片制备单晶硅片是MEMS工艺体硅微加工的基础材料。
通过化学气相沉积（CVD）或磁控溅射等方法，在硅熔体中生长出单晶硅片。
然后，通过切割和抛光等工艺，将单晶硅片制备成规定尺寸和厚度的硅衬底。
2.2 光刻工艺光刻工艺是MEMS工艺体硅微加工中的重要步骤。
首先，将光刻胶覆盖在硅片表面。
然后，使用掩膜板，通过紫外光照射，使光刻胶发生化学反应，形成图案。
接着，将硅片浸泡在显影液中，去除未曝光的光刻胶。
最后，通过加热或暴露于紫外光下，固化已经显影的光刻胶。
2.3 甜蜜刻蚀甜蜜刻蚀是MEMS工艺体硅微加工中的关键步骤。
将制备好的硅片放置在刻蚀室中，通过控制刻蚀气体的流量、温度和压力等参数，使硅片表面发生化学刻蚀。
根据刻蚀深度和刻蚀特性的要求，可以选择不同的刻蚀方法，如湿法刻蚀、干法刻蚀等。
2.4 互连与封装互连与封装是MEMS工艺体硅微加工的最后环节。
通过金属薄膜沉积、光刻和腐蚀等工艺，将金属导线、引线等结构制作在硅片上，并与芯片上的电极进行连接。
同时，为了保护MEMS器件免受机械损伤和环境腐蚀，常常需要对其进行封装，通常采用薄膜封装或微结构封装等方法。
3. 工序流程MEMS工艺体硅微加工的工序流程会因具体的器件设计和制造要求而有所差异。
下面是一个典型的MEMS工艺体硅微加工的工序流程：1.单晶硅制备：通过CVD或磁控溅射等方法，制备出单晶硅片。
MEMS工艺
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MEMS工艺
Ø 表面微加工过程特点：
Ø添加——图形——去除 Ø添加：薄膜沉积技术 Ø图形：光刻 Ø去除：腐蚀技术
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MEMS工艺
2.残余应力
在微机械加工中是固有的
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MEMS工艺
3.存在于薄膜结构中本身的应力
Ø由微加工过程中原子结构局部变化产 生的
Ø例如，过量掺杂会导致结构在表面微 加工后产生很大的残余应力
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MEMS工艺
粘连
Ø两个分离薄片粘附在一起的现象称为 粘连；
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MEMS工艺
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MEMS工艺
表面微机械加工的特点
Ø 1、在表面微机械加工中，硅片本身不被刻 蚀，没有穿过硅片，硅片背面也无凹坑。
Ø 2、表面微机械加工适用于微小构件的加工， 结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的 反应离子刻蚀工艺。
Ø 3、形成层状结构的特点为微器件设计提供 较大的灵活性。
Ø酒精、液态CO2置换水； Ø依靠支撑结构防止塌陷。
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MEMS工艺
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典型牺牲层腐蚀工艺
Ø 氧化，做体硅腐蚀掩膜层； Ø 光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口； Ø 体硅腐蚀出所需底层结构； Ø 去除SiO2； Ø 生长或淀积牺牲层材料； Ø 光刻牺牲层材料成所需结构； Ø 生长结构材料； Ø 光刻结构材料； Ø 牺牲层腐蚀，释放结构层； Ø 防粘结处理。
MEMS工艺
MEMS工艺表面硅加工技术
基本概念
➢在微机械加工中，通常将两层薄膜中的下 面一层腐蚀掉，只保留上面的一层，这种 技术称为牺牲层腐蚀，又称为分离层腐蚀。
➢利用牺牲层腐蚀技术直接在衬底表面制作 微机械元件结构的技术被称为“硅表面微 机械加工技术”。
MEMS 器件的加工
➢硅表面微机械加工是微机械器件完全制 作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种 加工技术。
➢一般来讲，微机械结构常用薄膜材料层 来制作，常用的薄膜层材料有：多晶硅、 氮化硅、氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、 硼硅酸玻璃(BSG)和金属。
表面微加工
➢表面微加工技术主要靠在基底上逐 层添加材料而构造微结构
➢1、最简单的方法式在漂洗和吹干期间，尽 量防止微器件与基体的接触，从液体中抽 出器件时尽量减少器件上的作用力，在最 后一道工序中采用低表面张力的液体。
➢2、超临界干燥 ➢3、低于三相点
表面微机械加工的特点
➢1、在表面微机械加工中，硅片本身不被刻 蚀，没有穿过硅片，硅片背面也无凹坑。
➢2、表面微机械加工适用于微小构件的加工， 结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的 反应离子刻蚀工艺。
小（精确控制膜厚，典 型尺寸为几个um）
单面工艺（正面） 材料选择性刻蚀 刻蚀：各向同性 残余应力（取决于淀积、 掺杂、退火）
牺牲层技术
➢属硅表面加工技术。
➢是加工悬空和活动结构的有效途径。
➢采用此种方法可无组装一次制成具有活
动部件的微机械结构。
70
➢牺牲层材料 60
热氧化 SiO2 低氧扩磷SiO2 低氧淀积SiO2
➢3、形成层状结构的特点为微器件设计提供 较大的灵活性。
第四章 MEMS制造技术
更明显，所以工艺中常用重掺杂硼的硅作为硅腐蚀的自停 止层材料。图4.15为重掺杂硼硅腐蚀的自停止腐蚀工艺。其 工艺流程为：
图4.15 重掺杂硼的硅自停止腐蚀工艺
具有的高选择性和物理腐蚀所具有的各向异性，目 前主要是将这两种方法组合起来使用。 4.2.2 （111）面自停止腐蚀技术 图4.16为（111）面自停止腐蚀工艺。其工艺流程为： 4.2.3 p-n结腐蚀自停止技术 p-n结腐蚀自停止是一种使用硅的各向异性腐蚀剂如氢 氧化钾的电化学腐蚀自停止技术，它利用了N型硅和P 型硅在各向异怀腐蚀液中的钝化电位不同这一现象。 图 4.17 给 出 了 在 氢 氧 化 钾 腐 蚀 液 （ 65℃ ， 40% ） 中 （100）晶向P型硅和N型硅样品的电流一电压特性。
4.1. 体微加工
硅的体微加工技术包含硅的湿法和干法技术， 硅刻蚀自终止技术、LIGA技术、以及DEM技术。 4.1.1. 湿法刻蚀技术 技术原理：硅表面点作为随机分布的局部区域的阳 极与阴极。由于这些局部区域化电解电池的作用， 硅表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流， 一般超过100A/cm2。 硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液所含的杂质、 腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附过程等因 素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大的影响。
）
图4.13
离子束腐蚀装置结构原理
图4.14
在纯物理离子腐蚀中出现的制造物的原理示意图
4.1.4.2 物理和化学腐蚀过程相结合 化学腐蚀高选择性+物理腐蚀所具有的各向异性 （1）等离子体腐蚀（Plasma Etcing, PE） （2）反应离子腐蚀（Reactive Ion Etching,，RIE） （3）反应离子束腐蚀 4.2 硅体刻蚀自停止技术 硅体刻蚀自停止技术是体微加工中关键技术之一。 它利用不同晶格取向的硅和掺杂浓度不同，使硅在不 同的腐蚀液中表现出不同的腐蚀性能。 4.2.1重掺杂自停止腐蚀技术 可以认为KOH溶液对重掺杂硅基本上不腐蚀；同时又 知道，重掺杂硼的硅腐蚀自停止效应比重掺杂磷的硅
典型MEMS工艺流程
典型MEMS工艺流程
MEMS表面微机械加工工艺是指所有工艺都是在圆片表面进行的MEMS制造工艺。
表面微加工中，采用低压化学气相淀积(LPCVD)这一类方法来获得作为结构单元的薄膜。
表面微加工工艺采用若干淀积层来制作结构，然后释放部件，允许它们做横向和纵向的运动，从而形成MEMS执行器。
最常见的表面微机械结构材料是LPVCD淀积的多晶硅，多晶硅性能稳定且各向同性，通过仔细控制淀积工艺可以很好的控制薄膜应力。
此外，表面微加工工艺与集成电路生产工艺兼容，且集成度较高。
下面结合北京大学微系统所的MEMS标准工艺，以一个MEMS中最主要的结构梁为例介绍一下MEMS表面加工工艺的具体流程。
1.硅片准备
2.热氧生长二氧化硅(SiO2)作为绝缘层
3.LPCVD淀积氮化硅(Si3N4)作为绝缘及抗蚀层。
MEMS工艺(5表面硅加工技术)
表面微加工
表面微加工技术主要靠在基底上逐 层添加材料而构造微结构
表面微加工器件是由三种典型的部 件组成：⑴牺牲层；⑵微结构层； ⑶绝缘层部分
基本概念
在微机械加工中，通常将两层薄膜中的下 面一层腐蚀掉，只保留上面的一层，这种 技术称为牺牲层腐蚀，又称为分离层腐蚀。 利用牺牲层腐蚀技术直接在衬底表面制作 微机械元件结构的技术被称为“硅表面微 机械加工技术”。
不同淀积方法生成的二氧化硅性质表
。）
PECVD 200℃ SiO1。9（H） 可变(Adams 说 不一致) 失氢 2．3 1．47 300（压）到300 （拉） 3到6
淀积类型 典型温度 成分 台阶覆盖率 热稳定性 密度(g/cm3) 折射率 应力（Mpa） 电介质强度 (106V/cm或 102V/μm) 腐蚀速率 (nm/min)(H2O: HF=100:1)
多晶硅材料的主要特点 （2）多晶硅薄膜对生长衬底的选择不 苛刻。衬底只要有一定的硬度、平整度 及能耐受住生长工艺温度即可。 （3）可以通过对生长条件及后工艺的 控制来调整多晶硅薄膜的电阻率，使它 成为绝缘体、导体或半导体，从而适应 不同器件或器件不同部分的需要。
多晶硅材料的主要特点
（4）多晶硅薄膜作为半导体材料 可以像单晶硅那样通过生长、扩散 或离子注入进行掺杂，形成N型或 P型半导体，制成p-n结；可以采用 硅平面工艺进行氧化、光刻、腐蚀 等加工。
二氧化硅当然是硅加工实验室中最常用的 介质。它可以自身生长，也可以淀积，有 无掺杂剂都行，既使掺杂后仍然绝缘。
热生长型SiO2常用作MOS门绝缘层。如 果淀积的SiO2 中掺入磷，那就叫做磷硅 玻璃、“P玻璃”或PSG，它常用作最终 钝化层；
如果掺入硼，那就叫做硼硅玻璃或BSG；如 果在玻璃中掺入磷和硼的混合物，则常称为 BPSG或低温氧化物（LTO），它具有良好 的低温回流特性，可使高深宽比表面结构 “光洁化”或平面化。 在IC工艺中，SiO2是一种多用途的基本材料， 它通过热氧化生长和为满足不同要求采用不 同工艺淀积获得。
mems主要工艺
mems主要工艺MEMS（微机电系统）主要工艺是一种将微型机械结构与电子元件集成在一起的技术。
它通过制造微米级的机械结构和集成电路，实现了传感器、执行器和微型系统的功能。
MEMS主要工艺包括以下几个方面。
首先是材料选择和加工。
MEMS主要使用的材料有硅、玻璃、陶瓷、金属等。
这些材料具有良好的机械性能和化学稳定性，适合微型加工。
MEMS的加工技术主要包括光刻、薄膜沉积、湿法腐蚀、离子注入等。
这些技术能够实现微米级的结构制造。
其次是微加工技术。
MEMS的制造过程主要是通过微加工技术来实现的。
微加工技术包括光刻、薄膜沉积、湿法腐蚀、离子注入等。
光刻是将光敏材料暴露在紫外线下，通过光影效应形成图案，然后进行腐蚀或沉积等处理。
薄膜沉积是将薄膜材料沉积在基底上，形成所需的结构。
湿法腐蚀是通过溶液对材料进行腐蚀，形成微结构。
离子注入是将离子注入材料中，改变材料的性能。
其次是封装技术。
MEMS器件制造完成后，需要进行封装，以保护器件并提供连接接口。
封装技术主要包括封装材料的选择和封装工艺的设计。
常用的封装材料有环氧树脂、硅胶等。
封装工艺包括封装结构设计、封装材料的选择、封装工艺的优化等。
最后是测试和可靠性验证。
制造完成的MEMS器件需要进行测试和可靠性验证，以确保其正常工作和长期稳定性。
测试主要包括功能测试、性能测试和可靠性测试。
功能测试是检测器件是否能够实现设计的功能。
性能测试是评估器件的性能指标。
可靠性测试是评估器件在长期使用过程中的稳定性和可靠性。
MEMS主要工艺包括材料选择和加工、微加工技术、封装技术以及测试和可靠性验证。
这些工艺的应用使得MEMS能够实现微型化、集成化和高性能化的特点，广泛应用于传感器、执行器和微型系统等领域。
通过不断改进工艺技术，可以进一步提高MEMS器件的性能和可靠性，推动MEMS技术的发展。
MEMS微机电系统总结
一，简答题1，微机电制造工艺及每种工艺的用途、技术特征或者步骤微电子集成工艺是基础。
此外，它们主要是体微加工技术、微表面加工技术、高深度比微加工技术、组装与键合技术、超微精密加工技术。
（1），体微加工技术是为制造三维结构而发展起来的，即按照设计图形在硅片上有选择的去除一部分硅材料，形成微机械结构。
体微加工技术的关键技术是刻蚀，它包括干法和湿法刻蚀。
（2），表面微加工技术是以硅为基片，通过淀积与光刻形成多层薄膜图形，再把下层的牺牲层经刻蚀去除，保留上面的结构图形的加工方法。
表面微加工不同于体加工，它不对基片本身进行加工。
在基片上有淀积的薄膜，它们被有选择的保留或者去除以形成所需的图形。
表面微加工的主要工艺是湿法刻蚀、干法刻蚀和薄膜淀积。
牺牲层的刻蚀是表面微加工的基础。
表面微加工技术的步骤：首先在基片上淀积绝缘层和牺牲层，然后淀积结构层，经光刻得到微结构图形。
对此进行湿法刻蚀，把牺牲层sio2去除，便可得到无支撑的微结构。
（3），高深度比微加工技术LIGA技术被认为是最佳高深度比的微加工技术，加工宽度为几微米，深度高达1000um.且可实现微器件的批量生产。
该技术的优点是能制造三维微结构器件，获得的微结构具有较大的深度比和精细的结构，侧壁陡峭，表面平整，它是X光深层光刻、微电铸和微塑铸三种工艺的有机结合。
LIGA技术的主要工艺：X光掩膜制造、X光深度光刻技术和微铸电技术。
(4).键合技术上述工艺制造的微构件都是通过键合技术来制成微机械的器件，键合技术组要分为硅熔融键合和静电键合两种2．微机电制造过程中常用的材料及其优缺点。
陶瓷、金属、硅材料。
常用的是硅。
硅的优点？回答出主要特征。
根据应用场所，微机电系统的制作材料分为微结构材料、微制动材料和微传感器材料。
根据材料性能，微机电系统的制作材料分为结构材料功能材料智能材料MEMS 常用材料半导体材料：硅及其化合物等。
硅：特殊的晶体结构使其具有各项异性，通过掺杂获得的p型硅和n型硅具有不同的导电性能和机械性能。
MEMS的主要工艺类型与流程
MEMS的主要工艺类型与流程MEMS（微机电系统）是一种将微型机械结构与微电子技术相结合的技术，具有广泛的应用前景，在传感器、加速度计、微流体器件等领域有重要的作用。
MEMS的制备过程包括几个主要的工艺类型和相应的流程，本文将详细介绍这些工艺类型和流程。
1.半导体工艺半导体工艺是MEMS制备中最常用的工艺类型之一、它借鉴了集成电路制造的技术，将MEMS结构与电路结构集成在一起。
半导体工艺的制备流程主要包括以下几个步骤：（1）硅片准备：选择高纯度的单晶硅片作为基底材料，通常使用化学机械抛光（CMP）等方式使其表面光滑。
（2）掩膜和光刻：使用光刻胶将掩膜图形转移到硅片表面，形成所需的结构图案。
（3）蚀刻：使用干法或湿法蚀刻技术去除光刻胶外部的硅片，仅保留需要的结构。
（4）沉积：在蚀刻后的硅片表面沉积不同材料，如金属、氧化物等，形成MEMS结构的各个层次。
（5）光刻：重复进行掩膜和光刻步骤，形成更多的结构图案。
（6）终结：最后，进行退火、切割等步骤，完成MEMS器件的制备。
2.软件工艺软件工艺是MEMS制备中的另一种主要工艺类型。
与半导体工艺不同，软件工艺使用聚合物材料作为主要基底材料，并采用热压、激光加工等方式形成MEMS结构。
软件工艺的制备流程主要包括以下几个步骤：（1）选择聚合物材料：根据应用需求选择合适的聚合物材料作为基底材料。
（2）模具制备：根据设计要求制作好所需的模具。
（3）热压：将聚合物材料放置在模具中，通过加热和压力使其形成所需的结构。
（4）取模：待聚合物冷却后，从模具中取出完成的MEMS结构。
3.LIGA工艺LIGA（德语为"Lithographie, Galvanoformung, Abformung"的首字母缩写）工艺是一种利用光刻、电沉积和模具制备的工艺方法，主要适用于高纵深结构的制备。
LIGA工艺的制备流程主要包括以下几个步骤：（1）光刻：使用光刻胶将掩膜图形转移到聚合物或金属表面，形成结构图案。
mems 加工工艺
mems 加工工艺
MEMS（微机电系统）加工工艺是一种高精度、高效率的制造技术，用于生产微型机械和电子设备。
这种技术结合了微电子和微机械加工技术，使得在微米级别上制造复杂的三维结构和器件成为可能。
MEMS加工工艺主要包括表面微机械加工、体微机械加工和特殊微机械加工等几种类型。
表面微机械加工是一种“添加”工艺，通过在单晶片表层的一边沉析出若干由不同材料构成的薄层，然后有选择地蚀刻这些薄层，形成“隆起”结构，最终转变为附着在晶片衬底之上的、可动的微机械结构。
体微机械加工则是一种“去除”加工过程，通过从晶体基底去除某种物质，形成诸如空洞、凹槽、薄膜和一些复杂三维结构。
在MEMS加工工艺中，光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光等微电子工艺技术也被广泛应用。
光刻技术用于在硅片上制作精细的图形，薄膜沉积技术则用于在硅片上沉积各种材料的薄膜，掺杂技术用于改变硅片的电学性质，刻蚀技术用于将硅片上不需要的部分去除，而化学机械抛光技术则用于使硅片表面更加光滑。
此外，MEMS加工工艺还涉及许多特殊的微加工方法，如键合、LIGA、电镀、软光刻、微模铸、微立体光刻与微电火花加工等。
这些方法各具特色，可根据具体需求选择合适的工艺组合。
总的来说，MEMS加工工艺是一种高度复杂且精密的制造技术，它结合了微电子和微机械加工技术的优势，为微型机械和电子设备的制造提供了强大的支持。
MEMS工艺(表面硅加工技术)
D、横向腐蚀形成空腔
腐蚀掉SiO2形成空腔，即得到多晶硅桥式可活动 的硅梁
五、影响牺牲层腐蚀 的因素
牺牲层厚度 腐蚀孔阵列
多晶
LT
塌陷和粘连及防止方法
酒精、液态 置换水； 酒精、液态CO2置换水； 依靠支撑结构防止塌陷。 依靠支撑结构防止塌陷。
六、表面微加工特点及关键 技术
表面微加工过程特点：
绝缘层部分淀积薄膜利用光刻图形化淀积牺牲层膜图形化牺牲层淀积机结构械薄膜图形化释放结构表面微机械加工原理示意图结构层和牺牲层牺牲层结构层四典型牺牲层腐蚀工艺二氧化硅多晶硅利用牺牲层制造硅梁的过程a淀积si并刻窗口在硅衬底上淀积一层si膜作为多晶硅梁的绝缘支撑并有选择地腐蚀出窗口b局部氧化生成sio作为牺牲层
硅 二氧化硅 多晶硅
利用牺牲层制造硅梁的过程
A、淀积Si3N4并刻窗口 在硅衬底上淀积一层Si3N4膜，作为多晶硅梁 的绝缘支撑，并有选择地腐蚀出窗口
B、局部氧化生成SiO2
利用局部氧化技术，在窗口处生成一层SiO2膜， 作为牺牲层。
C、淀积多晶硅并刻微梁
在SiO2层及剩下的Si3N4层上淀积一层多晶硅膜， 厚约2um
MEMS工艺—— 面硅加工技术
一、典型微加工工艺
硅工艺
体硅工艺 表面工艺 两者结合
非硅工艺
LIGA工艺 DEM工艺 其他工艺：超精密加工 、非切削加工、特种加 工技术
二、表面微加工技术
表面微机械加工以硅片为基体，通 过多层膜淀积和图形加工制备三维 微机械结构。 硅表面微机械加工是微机械器件完 全制作在晶片表面而不穿透晶片表 面的一种加工技术。
添加——图形——去除 添加：薄膜沉积技术 图形：光刻 去除：腐蚀技术 表面微加工和IC工艺的区别：形成机械结构！ 形成机械结构！ 形成机械结构
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体微机械加工 表面微机械加工 复合微机械加工
定义：能够制造附着于衬底表面附近的微结构的工艺。 与体微机械加工不同，表面微机械加工没有移除或刻蚀 体衬底材料。
•表面微机械加工和体微机械加工工艺特点：
表面微机械加工
体微机械加工
充分利用了现有的IC生产工艺，对 可以相对容易地 制造
优点 机械零部件尺度的控制与IC一样好, 出大质量的零部 件。 因此这种技术和IC完全兼容。
三、结构层材料和牺牲层材料
工艺材料选择标准：
理想工艺规则： 1. 将结构层淀积在牺牲层上时，不能导致牺牲层熔化、溶解、开裂、
分解、变得不稳定或其他形式毁坏。 2. 用于结构层图形化的工艺不能破坏牺牲层和衬底上已有的其他薄层。 3. 用于除去牺牲层的工艺不能侵蚀、溶解、损坏结构层和衬底。
多重结构层和牺牲层规则（如前述微型马达工艺流程）： 1. 淀积的材料层不能破坏其底层材料。 2. 牺牲层刻蚀工艺中不能破坏硅片上的其他任何材料。 3. 将牺牲层或者结构层图形化的任何工艺过程，不能刻蚀损坏现存硅
综上，可以看出，刻蚀选择性应当尽可能地大。
•结构层和牺牲层材料的制备方法
实际中广泛应用到的结构层和牺牲层材料的淀积方法是化学气相沉积（CVD）， 根据提供能量不同有如下分类：
能量仅由热能提供且 反应在低压中进行
能量由等离子能源提供
低压化学气相沉积 （LPCVD）
等离子体增强化学 气相沉积（PECVD）
LPCVD沉积腔（多 个温度区用于提高材 料生长的均匀性）
在MEMS中应用的LPCVD材料主要有三种：多晶硅、氮化硅和二氧化硅：
LPCVD 反应
材料
温度
580℃ 多晶硅 ~
620℃
氮化硅 800℃
二氧化硅 500℃
化学反应 方程式
其他性质及其他
保形性 保形覆盖的目的是覆盖三维结构的图形
SiH4=Si+2H2
1.机械加工层越 多微 型元件的布局 1.很难制造精细灵敏 问题、平面化问题 和减小残余应力 的悬挂系统。 问题也更难解决。
缺点
2.它制造的机械结构基本上都是二 维，因为机械 结构的厚度完全受限 于沉积薄膜的厚度。
2.由于体微机械加工 工艺无法做到零部件 的平面化布局，因此 它不能够和微电子线 路直接兼容。
片上的其它层材料。
上述原则适用于LPCVD材料，而在使用其他材料时，还要考虑一些 其他因素： 1. 刻蚀速率和刻蚀选择性。 2. 可达到的薄膜厚度。 3. 材料的沉积温度。 4. 结构层本征内应力。 5. 表面光滑度。 6. 材料和工艺的成本。
在进行牺牲层刻蚀时，有一个重要的参数：即
刻蚀选择性=
rs a rs t
除LPCVD外的 其他方法：
PECVD 溅射
硅、氧化硅、氮化硅 多晶硅
•其他表面微机械加工材料与工艺：
其他材料及其优点： 锗硅及多晶锗： 1. 较低的加工温度（多晶硅580℃，锗硅工艺温度只有450℃） 2. 与多晶硅相比，锗硅的生长速率更高。 聚合物及金属薄膜： 1. 在更低的温度下加工。 加工
微机械加工技术是加工微米量级机械的技术，即是为微传感 器、微执 行器和微电子机械系统制作微机械部件和结构的加工技术。
•分类方法
按加工材料分类
硅基微机械加工
非硅基微机械加工
按加工类型分类
体微机械加工 表面微机械加工 复合微机械加工
在工艺中经常 同时使用
•表面微机械加工的定义
应力
对于螺母结构：会引起扣住的现象 对于悬臂梁结构：厚度方向的梯度应力会引起形变
刻蚀速率 在氢氟酸刻蚀牺牲层时的低刻蚀速率
3SiH4+4NH3 绝缘的电解质，具有本征张应力。 =Si3N4+24H
SiH4+O2 =SiO2+2H2
附加的磷化氢气体掺入LTO（低温氧化硅，即没有被掺杂的二氧化 硅），可生成磷硅玻璃（PSG），掺入磷原子可加速二氧化硅在氢 氟酸中的刻蚀速率。
LPCVD 二氧化硅） e) 加工出与衬底相连的锚区窗口（为了制造定子，限制转子的侧向平移） f) 沉积第二层结构层，该结构层通过锚区窗口与衬底相连（制造定子） g) 再次涂敷光刻胶用于光刻第二层结构形状。 h) 浸入氢氟酸刻蚀液以除去两层牺牲层。
•方案一带来的问题：
定子 转子 衬底
1. 转子在重力作用下很容易落在衬底上，产生大面积接触。 2. 转子在高速转动过程中会与定子产生接触，产生额外的摩
第11章 表面微机械加工
汇报人：胡文艳 时 间：2017.6.10
Contents
目录
01 - 相关基本概念介绍 02 - 表面微机械加工基本工艺介绍 03 - 结构层材料和牺牲层材料的选择 04 - 加速牺牲层刻蚀的方法——钻蚀释放速度的技术 05 - 粘附机制和抗粘附的方法——与烘干工艺相关的失效以及改进方法
二、基本工艺流程
在硅片上淀积一层牺牲层 光刻定义图形层 淀积结构层薄膜
图形化结构层薄膜 去除牺牲层，释放结构层
形成最终结构
•举例：方案一 —— 微型马达基本制造工艺流程
a) 在硅片上淀积一层牺牲层。 b) 淀积多晶硅作为结构层材料，制造转子。 c) 光刻胶作掩膜，反应离子刻蚀使图形转移到多晶硅结构层上。 d) 硅片表面沉积另一层氧化物牺牲层（材料可能与前一层不同，常选择
擦和磨损。
方案二 —— 微型马达制造工艺流程改进
淀积第二 层结构
和方案一最主要的不同之处是第二层结构层(定子)的材料用氮化硅取代了多晶硅。
产生的问题：转子和衬底仍有可能粘连，但接触的可能性减小到微小的凸
点上。
方案三 —— 微型马达制造工艺流程改进
为了解决上述由于转子和定子的接触而产生额外摩擦问题，这里采用氮化硅 作为接触面以降低转子和定子间的摩擦系数。 定子的侧壁具有摩擦控制层，底槽区域内沉积的氮化硅可以防止定子落到衬 底表面。
刻蚀剂对牺牲层的刻蚀速率 刻蚀剂对结构层的刻蚀速率
Q&A：这个比值应该尽可能的大还是小？
刻蚀选择性=
rs a rs t
理想情况下，较高的牺牲层刻蚀速率rsa意味着完成牺牲层刻蚀过程的
时间减少。 如果两种备选方案具有相同的刻蚀选择性，那么具有较高牺牲层刻蚀
速率rsa的方案更受青睐。
如果其中的一种方案对牺牲层的刻蚀速率较慢但是比另一种方案的刻 蚀选择性高，那么在选择方案时应考虑其他因素。