MEMS文献综述报告

微机电系统（MEMS）的主要工艺

姓名：曹光浦

班级：02321202

学号：1120120403

指导老师：何光

前言

微电子机械系统（MEMS）的出现，极大地扩展了微电子领域的研究空间。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整系统。MEMS主要包含了微型传感器、执行器及相应的处理电路三部分。作为输入信号的自然界的各种信息，首先通过传感器转化成各种电信号，经过信号处理以后，再通过微执行器对外部世界发生作用。传感器可以把能量从一种形式转化成另一种形式，从而将现实世界的信号（如热、运动等信号）转化成系统可以处理的信号（如电信号）。执行器根据信号处理电路发出的指令完成人们所需要的操作。信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。

微机电系统（MEMS）的主要工艺

1、体加工工艺

1.1腐蚀工艺

腐蚀是指一种材料在它所处的环境中由于另一种材料的作用而造成的缓慢的损害的现象。然而在不同的科学领域对腐蚀这一概念则有完全不同的理解方式。在微加工工艺中，腐蚀工艺是用来“可控性”的“去除”材料的工艺。大部分的微加工工艺基于“Top-Down”的加工思想。“Top-Down”加工思想是通过去掉多余材料的方法，实现结构的加工。（雕刻——泥人）作为实现“去除”步骤的腐蚀工艺是形成特定平面及三维结构过程中，最为关键的一步。

腐蚀工艺简介图

1.2湿法腐蚀

湿法化学腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。所谓湿法腐蚀，就是将晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀，在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触的材

料通过化学反应逐步浸蚀溶掉。用于化学腐蚀的试剂很多，有酸性腐蚀剂，碱性腐蚀剂以及有机腐蚀剂等。根据所选择的腐蚀剂，又可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀剂。各向同性腐蚀的试剂很多，包括各种盐类(如CN基、NH 基等)和酸，但是由于受到能否获得高纯试剂，以及希望避免金属离子的玷污这两个因素的限制，因此广泛采用HF—HNO3腐蚀系统。各向异性腐蚀是指对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、邻苯二酚和水)和联胺等，另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如KOH、NaOH、NH4OH 等。

1.3干法腐蚀

干法腐蚀是指利用高能束与表面薄膜反应，形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。干法腐蚀能实现各向异性刻蚀，即纵向的刻蚀速率远大于横向刻蚀的速率，保证了细小图形转移后的高保真性。但工艺设备昂贵，不适用于生产。

就湿法和干法比较而言，湿法的腐蚀速率快、各向异性差、成本低，腐蚀厚度可以达到整个硅片的厚度，具有较高的机械灵敏度。但控制腐蚀厚度困难，且难以与集成电路进行集成。

湿法腐蚀和干法腐蚀的优缺点比较

2、硅片键合工艺

硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。硅片键合往往与表面硅加工和体硅加工相结合，用在MEMS 的加工工艺中。常见的硅片键合技术包括金硅共熔键合、硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等。

2.1阳极键合

阳极键合又称场助键合或静电键合。阳极键合技术是Wallis和Pomerantz于1969年提出的。它可以将玻璃与金属、合金或半导体键合在一起而不用任何粘结剂。这种键合温度低、键合界面牢固、长期稳定性好。阳极键合中，静电引力起着非常重要的作用。在比较高的温度下，紧密接触的硅/玻璃界面会发生化学反应，形成牢固的化学键，如Si-O-Si键等。如果硅接电源负极，则不能形成键合，这就是“阳极键合”名称的由来。

2.2硅-硅直接键合

两硅片通过高温处理可以直接键合在一起，不需要任何粘结剂和外加电场，工艺简单。这种键合技术称为硅-硅直接键合技术。直接键合工艺是由Lasky首先提出的。

硅-硅直接键合工艺如下：

（1）将两抛光硅片（氧化或未氧化均可）先经含OH-的溶液浸泡处理；

（2）在室温下将两硅片抛光面贴合在一起；

（3）贴合好的硅片在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理，这样就形成了良好的键合。

直接键合工艺相当简单。键合的机理可用三个阶段的键合过程加以描述。

第一阶段，从室温到200°C，两硅片表面吸附OH团，在相互接触区产生氢键。在200°C时，形成氢键的两硅片的硅醇键之间发生聚合反应，产生水及硅氧键，即

Si-OH+HO-Si→Si-O-Si+H2O。

到400°C时，聚合反应基本完成。

第二阶段温度在500~800°C范围内，在形成硅氧键时产生的水向SiO2中的扩散不明显，而OH团可以破坏桥接氧原子的一个键使其转变为非桥接氧原子，即：

HOH+Si-O-Si=2 +2Si- 。

第三阶段，温度高于800°C后，水向SiO2中扩散变得显著，而且随温度的升高扩散量成指数增大。键合界面的空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散进入四周SiO2中，从而产生局部真空，这样硅片会发生塑性变形使空洞消除。同时，此温度下的SiO2粘度降低，会发生粘滞流动，从而消除了微间隙。超过1000°C 时，邻近原子间相互反应产生共价键，使键合得以完成。

在键合前，对硅片进行表面处理，使其表面吸附是至关重要的。对于热氧化的镜面抛光的硅片而言，热氧化的SiO2具有无定型的石英玻璃网格结构。在SiO2膜的表面和体内，有一些氧原子处于不稳定状态。在一定条件下，它们可得到能量而离开硅原子，使表面产生悬挂键。有许多种方法可以增加热氧化的硅表面的悬挂键。等离子体表面活化处理就是一种方法。对于原始抛光硅片，纯净的的硅片表面是疏水性的，若将其浸入在含有氧化剂的溶液中，瞬间会在硅片表面吸附一层单氧层。随着溶液温度的提高（75°C~110°C），单氧层会向一氧化物、二氧化物过渡。由化学溶液形成的硅氧化物表面有非桥键的羟基存在，所以这有利于硅片的室温键合。常用的亲水液有硫酸双氧水、稀硝酸、氨水等。

键合良好的硅片，其键合强度可高达12MPa以上，这需要良好的键合条件。首先是温度，两硅片的键合最终是靠加热来实现的，因此，温度在键合过程中起着关键的作用。其次是硅片表面的平整度。抛光硅片或热氧化硅片表面并不是理想的镜面，而总是有一定的起伏和表面粗糙度。如果硅片有较小的粗糙度，则在键合过程中，会由于硅片的弹性形变或者高温下的粘滞回流，使两键合片完全结合在一起，界面不存在孔洞。若表面粗糙度很大，键合后就会使界面产生孔洞。

最后，就是表面的清洁度。如果键合工艺不是在超净环境中进行的，则硅片表面就会有一些尘埃颗粒，尘埃颗粒是键合硅片产生孔洞的主要根源之一。例如，若硅片厚350μm，颗粒直径1μm，则引起的孔洞直径为4.2mm。可见，粘污粒子对键合的影响程度。此外，室温下贴合时陷入界面的气体也会引起孔洞。

硅-硅直接键合工艺不仅可以实现Si-Si、Si-SiO2和SiO2-SiO2键合，而且还可以实现Si-石英、Si-GaAs或InP、Ti-Ti和Ti-SiO2键合。另外，在键合硅片之间夹杂一层中间层，如低熔点的硼硅玻璃等，还可以实现较低温度的键合，并且也能达到一定的键合强度，这种低温键合可与硅半导体器件常规工艺兼容。

2.3金属共熔键合

金硅共熔键合常用于微电子器件的封装中，用金硅焊料将管芯烧结在管座上。1979年这一技术用在了压力变送器上。金硅焊料是金硅二相系（硅含量为

19at.%），熔点为363°C，要比纯金或纯硅的熔点低得多（见图1）。在工艺上使用时，它一般被用作中间过渡层，置于欲键合的两片之间，将它们加热到稍高