MEMS加工工艺及表面加工

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加工工艺路线
驱动部分：可根据各种不同的结构采用 高掺杂的硅膜、形状记忆合金、金属膜 薄片等。 腔体制备：采用双面氧化的硅片，首先 在硅片背面开出窗口（正面用光刻胶保 护），放入HF，去除SiO2，去掉光刻胶， 放入KOH，腐蚀Si，直到要求的膜厚为止 阀膜制备
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阀膜制备
对双面氧化的硅片进行双面光刻 腐蚀SiO2、去除光刻胶、清洗 用KOH腐蚀硅片双面，腐蚀深度10～15微米 去除浅腐蚀面的SiO2（将深腐蚀面保护） 去浅腐蚀面用于键合的金属层 用密闭良好的夹具将有金属的一面保护，再用 KOH进行深度腐蚀，直到腐蚀穿透整个硅片。 剩下的硅膜即为阀膜厚度 最后将三部分键合到一起
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静电微泵结构
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思考与讨论
1.各向异性腐蚀剂如何选择？ 2. 影响各向异性腐蚀剂刻蚀的关键因素？
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表面工艺
表面微机械加工以硅片微基体，通过多 层膜淀积和图形加工制备三维微机械结 构。硅片本身不被加工，器件的结构部 分由淀积的薄膜层加工而成，结构和基 体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用 是支持结构层，并形成所需要的形状的 空腔尺寸，在微器件制备的最后工艺中 溶解牺牲层
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3. 加工深度通常为几十微米、几百微米，甚至穿 透整个硅片。
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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在以硅为基础的MEMS加工技术中，最关键的加工 工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合 技术和表面牺牲层技术等。 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。

表面微机械加工技术


复合微机械加工(如键合技术)

IC工艺与MEMS硅工艺的联系
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硅是最基本的微机械材料，微细加工技术一般 都要涉及硅材料。针对微机械的微细加工也常 被称为硅微细加工(Silicon Micromachining)， 它是微传感器、微致动器乃至MEMS迅速发展 的基础技术。作为硅集成电路制造技术的延伸， 硅微细加工主要是指以硅材料为基础制作各种 微机械零部件。 它总体上可分为体加工和表面加工两大类
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思考与讨论
1.如何选择腐蚀剂？
2.刻蚀的物理化学过程及优化方法？
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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
各向异性腐蚀原理
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KOH腐蚀系统常用KOH、H2O和（CH3） 2CHOH（异丙醇，缩写IPA）的混合液 除KOH外，类似的腐蚀剂还有NaOH、 LiOH、CsOH和NH4OH腐蚀剂
腐蚀反应（KOH）
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硅在KOH 系统中的腐蚀机理，其腐蚀的 反应式如下： KOH＋H2O＝K＋2OH－＋H＋ Si＋2OH－＋4H2O＝Si（OH）62－
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体与表面微机械技术的比较
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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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。
HF的作用
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显然，HF的作用在于促进阳极反应，使 阳极反应产物SiO2溶解掉，不然，所生 成的SiO2就会阻碍硅与H2O的电极反应。
H＋离子 浓度的影响
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HF、HNO3可用H2O或CH3COOH稀释。在HNO3溶 液中HNO3几乎全部电离，因此H＋浓度很高，而 CH3COOH是弱酸，电离度较小，HNO3＋ CH3COOH的溶液中，H＋与CH3COO－发生作用， 生成CH3COOH分子，而且CH3COOH的介电场数 （6.15）低于水的介电场数（81），因此在HNO3 ＋CH3COOH混合液中H＋离子浓度低。 与水相比，CH3COOH可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。同时减少H＋离子使阴极反应 变慢，整个腐蚀速率也随之变慢，有利于显示。
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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
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体硅工艺的典型应用
微泵：具有两个单向阀，当电压施加到 极板上时，变形膜向上运动，此时泵室 体积增加，压力减小，进水阀打开，液 体流进腔室。断电后，相反。泵的基本 参数：变形膜面积4×4mm2，厚度25微 米，间隙4微米，工作频率1～100Hz， 典型值为25Hz，流量为70mL/min
即首先将硅氧化成含水的硅化物。
EPW系统
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乙二胺（NH2（CH2）2 NH2）、邻苯二 酸（C6H4（OH）2）和水（H2O），简称 EPW
硅的腐蚀过程反应
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电离过程：
NH2（CH2）2 NH2 ＋H2O——> NH2（CH2） +＋（OH）－ NH 2 3
氧化－还原过程：
Si＋（OH）－＋4 H2O——>Si（OH）62－＋ 2H2
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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。
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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。 按照原理来分，可分为等离子体刻蚀（PE： Plasma Etching）、反应离子刻蚀（RIE： Reaction Ion Etching）和感应等离子体刻蚀 （ICP：Inductive Coupling PlasmaEtching）等 几种。
IC工艺路线
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光刻工艺过程图
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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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体硅加工涉及的加工方法
硅的体加工技术包括：
去除加工（腐蚀） 附着加工（镀膜） 改质加工（掺杂） 结合加工（键合）
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
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
这里e＋表示空穴，即Si得到空穴后从原子升 到氧化态
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腐蚀液中的水解离发生下述反应 H2O＝（OH）－＋H＋
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Si2+与（OH）－结合，成为： Si2+＋2（OH）－——>Si（OH）2 接着Si（OH）2放出H2并形成SiO2，即： Si（OH）2——> SiO2＋H2 由于腐蚀液中存在 HF ，所以 SiO2 立即与 HF 反 应，反应式为： SiO2＋6HF——>H2SiF6＋2H2O 通过搅拌可使络合物H2SiF6远离硅片，因此称 这一反应为络合化反应
腐蚀液对硅的腐蚀作用基本上不具有晶向依赖性.
腐蚀设备及原理图
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湿腐蚀是将与腐蚀 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。一般 需要对溶液进行超 声或搅拌。 各向同性腐蚀所用 的化学试剂很多， 多采用HF－HNO3腐 蚀系统
HF－HNO3腐蚀系统
对于HF和HNO3加H2O（或CH3COOH） 腐蚀剂，硅表面的阳极反应为 Si＋2e＋——>Si2+
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MEMS加工工艺
MEMS加工工艺分类
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

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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
腐蚀技术
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干法腐蚀
干法腐蚀技术包括以物理作用为主的反应 离子溅射腐蚀，以化学反应为主的等离子体 腐蚀，以及兼有物理、化学作用的反应溅射 腐蚀
湿法腐蚀
硅的湿法腐蚀是先将材料氧化，然后化学 反应使一种或多种氧化物或络合物溶解，包 括湿法化学腐蚀和湿法电化学腐蚀
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硅的湿法腐蚀
1) 硅的各向同性腐蚀
硅腐蚀速率与晶体取，{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
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各向异性腐蚀剂腐蚀出微结构的特点 凸角补偿技术 自停止腐蚀技术