MEMS工艺讲述

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MEMS工艺
1. 当今重要的机械和电子系统进一步向微小型化和多功能化 方向发展，进而对相当于感觉器官的传感器和运动器官的 执行器提出了微小型化和多功能化的要求 2. 半导体硅微细加工技术的日益成熟和完善为这一发展提供 了技术基础 3. 在这种情况下诞生了微电子机械系统(MEMS)这一新型学 科 4. MEMS是微电子技术与机械、光学领域结合而产生的，是 20世纪90年代初兴起的新技术，是微电子技术应用的又 一次革命。
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键合机理：预键合时硅与硅表面之间产生的键合力是由于亲水表 面的OH-之间吸引力的作用形成了氢键。进一步的高温处理可以 产生脱水效应，而在硅片之间形成氧键，键合强度增大。
接触前硅片表面有OH基
预键合形成氢键
高温处理脱水形成氢键
压力传感器芯片
P型(100)硅片 外延n型硅膜 n型(100)硅片
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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
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• •
LIGA技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的限 制，较硅材料加工技术有一个很大的飞跃 LIGA技术可以制造具有很大纵横比的平面图形复杂的三维 结构，尺寸精度达亚微米级，有很高的垂直度、平行度和 重复精度，设备投资大 能实现高深宽比的三维结构，其关键是深层光刻技术。为 实现高深宽比，纵向尺寸达到数百微米的深度刻蚀，并且 侧壁光滑，垂直，要求：
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MEMS加工工艺

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
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MEMS加工技术的种类
SFx+ F Bulk micromachining ~1960 Deep reactiveion etching ~1995
电阻
抛光削薄第二片硅，形成压力传感器芯片
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其他

电子束光刻
提供了小至纳米尺寸分辩力的聚合物抗蚀剂图形转印的一 种灵活的曝光设备，远远地超过了目前光学系统的分辨力 范围

聚焦离子束光刻
利用聚焦离子束设备修复光掩模和集成电路芯片

扫描探针加工技术（SPL）
一种无掩模的加工手段，可以作刻蚀或者淀积加工，甚至 可以用来操纵单个原子和分子
4. 与集成电路工艺兼容性差
5. 硅片两个表面上的图形通常要求有严格的几何对 应关系，形成一个完整的立体结构
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分类
• 体硅腐蚀技术是体硅微机械加工技术的核心 • 可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀两大类 • 按腐蚀剂是液体或气体又可分为湿法和干法腐蚀。
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硅的湿法腐蚀
1) 硅的各向同性腐蚀 腐蚀液对硅的腐蚀作用基本上不具有晶向依赖性 .

表面微机械加工技术


复合微机械加工(如键合技术)

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体硅微机械加工技术
硅园片
腐蚀硅片
淀积光刻胶
去掉光刻胶 刻蚀光刻胶
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特点：
1. 通过腐蚀的方法对衬底硅进行加工，形成三维立 体微结构的方法 2. 加工对象通常就是单晶硅本身 3. 加工深度通常为几十微米、几百微米，甚至穿透 整个硅片。
最好在界面处形成Si-O健
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材料要求：
• 硅片和玻璃片表面要抛光成镜面 • 玻璃片中要含有足够量的Na+ • 玻璃的热膨胀系数与硅相近。Pgrex7740，95#玻璃
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硅—硅直接键合技术 指两硅片通过高温处理直接键合在一起的技术 键合工艺步骤：
1). 将两抛光的硅片（氧化或未氧化）先经含OH-的溶液浸泡处理 2).在室温下将亲水的两硅片面对面贴合在一起，称为预键合 3).在O2或N2环境中经数小时高温（800oC以上）处理后，就形成 了牢固的键合。
Surface micromachining ~1986
LIGA ~1978
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MEMS加工技术的种类

硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺

美国为代表，伴随硅固态传感器的研究、开发而在集成电路平面 加工工艺基础上发展起来的三维加工技术。具有批量生产，成本 低、加工技术可从IC成熟工艺转化且易于与电路集成
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关键技术
牺牲层技术 薄膜应力控制技术 防粘连技术
牺牲层技术
表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺
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基本思路为：在衬底上淀积牺牲层材料→利用光刻、
刻蚀形成一定的图形→淀积作为机械结构的材料并光刻 出所需要的图形→将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉→ 形成了悬浮的可动的微机械结构部件。 要求在腐蚀牺牲层的同时几乎不腐蚀上面的结构层和下 面的衬底。牺牲层技术的关键在于选择牺牲层的材料和 腐蚀液
将其显影制成初级模板。
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同步辐射X射线优点：
波长短、分辨率高、穿透力强 几乎是完全平行的X射线辐射
高辐射强度
宽的发射频带 曝光时间短，生产率高，时间上具有准均匀辐射特性
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2. 电铸成形
1. 2. 3. 电铸成形是根据电镀原理，在胎膜上沉积相当厚度金属以形成 零件的方法。胎膜为阴极、要电铸的金属作阳极。 利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具。 在LIGA工艺技术中，把初级模板（抗蚀剂结构）膜腔底面上利 用电镀法形成一层镍或其他金属层，形成金属基底作为阴极， 所要成形的微结构金属的供应材料（如镍、铜、银）作为阳极 电铸时，直到电铸形成的结构刚好把抗蚀剂模板的型腔填满 将整个浸入剥离溶剂中，对抗蚀剂形成的初级模板进行腐蚀剥 离，剩下的金属结构即为所需求的微结构件
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硅—玻璃静电键合技术
静电键合（阳极键合、场助键合）主要是利用玻璃在电场作 用下在表面形成的电荷积累原理而实现的一种键合方式。
V Si 加热板
玻璃
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设高阻层厚度为d，电压为V，则高阻层内电场强度：
E V / d
硅片与玻璃之间单位面积的静电吸引力为
F 1 0V / 2d
2
2
当高阻层厚度d小于1um时，硅与玻璃间的吸引力 达几百公斤/平方厘米
LIGA 工艺基本流程图
工艺流程图
同步辐射X光(波长<1nm) Au掩膜版 PMMA光刻胶(厚达1000um)
光刻
电铸
生产周期较长
生产成本高
塑铸
深宽比可超过100 亚微米精度的微结构
准LIGA 工艺基本流程图
常规紫外光(波长几百nm)
标准Cr掩膜版
聚酰亚胺光刻胶(厚300um)
光刻
电铸
生产周期较短
凸起点
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薄膜应力控制技术
薄膜的内应力和应力梯度是表面微机械中的重要参数， 对机械结构的性能和形变影响很大，往往是表面微结构 制作失败的原因
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防粘连技术
粘连是指牺牲层腐蚀后，在硅片干燥过程中，应该悬空的梁、 膜或者可动部件等表面微结构，受液体流动产生的表面张力、 静电力、范得华力等作用而与衬底发生牢固得直接接触，从 而导致器件失效 防止方法： • 设计特殊结构
撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电 学连接。 在MEMS工艺中，最常用的是硅/硅直接键合和硅/玻璃静电键合技术， 最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。 固相键合是将两块固态材料键合在一起，其间不用液态的粘结剂，键 合过程中材料始终处于固态，键合界面有很好的气密性和长期稳定性。
一方面需要高强度，平行性很好的光源，这样的光源只有用同步辐射 Ｘ光才能满足； 另一方面要求用于ＬＩＧＡ技术的抗蚀剂必须有很好的分辩力，机械 强度，低应力，同时还要求基片粘附性好
•
1. 2.
三步关键工艺:
1. 深层同步辐射X射线光刻
利用同步辐射Ｘ射线透过掩膜对固定于金属基底上的厚度可 高达几百微米的X射线抗蚀层进行曝光。
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体硅的干法刻蚀
• 干法刻蚀体硅的专用设备:电感 耦合等离子刻蚀机(ICP)
• 主要工作气体：SF6, C4F8 • 刻蚀速率：2~3.5µ m/min • 深宽比：>10:1
• 刻蚀角度：90o±1o
• 掩膜：SiO2、Al、光刻胶
表面微机械加工技术
硅园片 刻蚀牺牲层 淀积结构层 淀积结构层 刻蚀结构层 刻蚀结构层
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非硅基微机械加工技术
• LIGA加工技术
• 激光微机械加工技术 • 深等离子体刻蚀技术 • 紫外线厚胶刻蚀技术
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LIGA工艺
1. LIthograpie（制版术），Gavanoformung(电铸)， Abformung(塑铸)
2. LIGA工艺于20世纪80年代初创于德国的卡尔斯鲁厄 原子核研究所，是为制造微喷嘴而开发出来的 3. LIGA技术开创者Wolfgang Ehrfeld领导的研究小 组曾提出，可以用LIGA制作厚度超高其长宽尺寸的 各种微型构件。
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常用的牺牲层材料、腐蚀液及结构材料
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一种最简单的悬臂梁工艺
在硅衬底上淀积一层牺牲层 （横截面）
在牺牲层上部淀积一层结构层 （横截面）
按设计方案蚀刻结构层
顶视图
释放后的悬臂梁
锚接区 悬臂梁
横截面
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工艺过程示意图
淀积牺牲层
确定锚接区域
锚接在衬底上
溶掉牺牲层后
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附加凸起点工艺
与凸点匹配 的凹坑
来自百度文库
4. 5.
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3.注塑
1. 利用微塑铸制备微结构 2. 将电铸制成的金属微结构作为二级模板
3. 将塑性材料注入二级模板的膜腔，形成微结构塑性件， 从金属模中提出
4. 也可用形成的塑性件作为模板再进行电铸，利用LIGA 技术进行三维微结构件的批量生产
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优势
1. 深宽比大，准确度高。所加工的图形准确度小于0.5μ ｍ，表面粗 糙度仅10nm，侧壁垂直度>89.9°，纵向高度可达500μ ｍ以上 2.用材广泛。从塑料（PMMA、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等） 到金属（Au、Ag、Ni、Cu）到陶瓷（ZnO2）等，都可以用 LIGA技术实现三维结构 3.由于采用微复制技术，可降低成本，进行批量生产
硅基微机械加工技术

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体硅微机械加工技术

硅各向异性化学湿法腐蚀技术 熔接硅片技术 反应离子深刻蚀技术
利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置 整个工艺都基于集成电路制造技术 与IC工艺完全兼容，制造的机械结构基本上都是二维的 体硅微机械加工技术和表面微机械加工技术的结合，具有两 者的优点，同时也克服了二者的不足
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淀积牺牲层
释放结构
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• 微加工过程都是在硅片表面的一些薄膜上进行的，形 成的是各种表面微结构，又称牺牲层腐蚀技术。 • 特点：在薄膜淀积的基础上，利用光刻，刻蚀等IC常 用工艺制备多层膜微结构，最终利用不同材料在同一腐 蚀液中腐蚀速率的巨大差异，选择性的腐蚀去掉结构层 之间的牺牲层材料，从而形成由结构层材料组成的空腔 或悬空及可动结构。 • 优点：与常规IC工艺的兼容性好; 器件可以做得很小 • 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。
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2)硅的各向异性腐蚀
腐蚀液对硅的不同晶面有明显的晶向依赖性，不同晶面 具有不同的腐蚀速率
EPW腐蚀液，晶向依赖性(100):(111)=35:1
TMAH腐蚀液，(100):(111)=10~35:1
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3)硅的各向异性停蚀技术
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各向异性腐蚀特点：有完整的表平面和定义明确的锐角
• 影响各向异性腐蚀的主要因素
•
•
改进释放方法
做表面处理
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键合(bonding)技术
在微型机械的制作工艺中，键合技术十分重要。
键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片
与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。 键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有
着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支
(1) 溶液及配比 (2) 温度 (3) 掺杂浓度 例如：当硅片中掺B浓度增加到1020cm-3时，KOH溶液的 腐蚀速率要降低到低掺杂浓度时的1/20,这样实际上就可 利用高B掺杂区作为腐蚀阻挡层。
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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。
生产成本较低
塑铸 深宽比常为几十 微米精度微结构
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需要用产品： 一根管子
镀金区
光刻胶(PMMA)
掩膜(Si3N4),1~1.5um
X射线
基底
光刻胶(PMMA)
基底
工艺流程
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PMMA胶(X光刻图)
电铸镍 附着层 钛分离层 基片