面向MEMS的微细加工技术

综述 专稿
! 电加工与模具∀ 2001 年第 5 期
面向 MEMS 的微细加工技术
上海大学 摘 要 罗 均 谢少荣 龚振邦 MEMS 技术将是 21 世纪科技与产业的制高点之一 , 而微细加工技术又是 MEM S 发展的重
要基础。 微细加工技术在传统光刻工艺的基础上 , 又发展了灰调光刻 、 L if t Of f、 L IGA 及准 L IGA、 激光和分 子装配等适应三维结构的新技术。 本文综述了目前国内外各种微细加工及其关键技术的研究状况, 并介绍 了微细加工技术和 MEM S 的发展趋势。 Abstract MEMS t echnology is a hot spot of science and indust ry in the 21st century , and micro fabri cat ion t echnolog ies are t he key problems of MEM S development . T he new micro f abrication t echnologies for 3D st ruct ure are invent ed, w hich include gray tone lit hography, L if t Off , L IGA, quasi L IGA, laser, molecule as sembly t echnology, et c. In t his paper, t he state of the art on all sort s of m icro fabricat ion and its key t echnolo g ies in China and overseas is presented, and f ut ure prospect s of developm ent on MEM S are given. 关键词 微机械 MEMS 微细加工技术 射线及激光束) 、 原子束、 分子束、 等离子体、 超声、 微 波、 化学和电化学等等。 2. 1 超精密机械加工技术 超精密机械加工技术是利用刀具改变材料形状 或破坏材料表层, 以切屑形式去除来达到所要求的 形状。如单晶金刚石刀具的车削与铣削、 微细麻花 钻的微钻孔技术和精微磨削技术等。超精密机加工 的特点在于可实现复杂三维形体的加工 , 已成功地 制作出尺寸在 10~ 100 m 的微小三维构件。最小 轴端直径为 10 m [ 3] 。 2. 2 硅微细加工技术 硅是最基本的微机械加工材料 , 微细加工技术 一般都要涉及硅材料。作为硅集成电路制造技术的 延伸 , 硅微细加工技术主要是指以硅材料为基础制 作各种微机械零部件。 ( 1) 集成电路光刻 集成电路的光刻工艺过程为 : 先对基片( 多采用 硅片 ) 氧化处理形成 SiO2 保护膜 ; 然后在保护膜上 涂感光胶; 利用掩膜在规定的光源下曝光; 显影; 用 腐蚀剂刻蚀保护膜的窗口部分; 最后去除感光胶而 获得和掩膜上图形相同的微细图形。 影响图形最小特征尺寸 ( 分辨率 ) 的因素有: 感 光胶的曝光特性、 胶层的厚度及均匀性、 光源光束对 感光胶层的曝光特性( 衍射、 散射 ) 、 显影与腐蚀处理 工艺过程、 曝光方式等。其中曝光方式包括接触式、 接近式 和 投 影式 三 种。 接触 式 曝光 可 得 到小 于 1
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度高, 且属于冷光源等优点而成为最有应用前景的 激光源。目前常用的有氟化氩准分子激光和氟化氙 准分子激光。 氟化氩准分子激光器所产生的远紫外线激光束 蚀刻塑料之类的聚合物硬材料 , 不仅可以蚀刻出极 其微细的线条, 而且不产生热量, 材料受光束焦点作 用处的周围没有热扩散和烧焦现象。材料被蚀刻并 不是激光束辐射强度的直接作用 , 而是材料受激光 辐射后, 破坏了聚合物原子之间的化学键, 在相当低 的温度下气化产生细小分子的结果。而这些细小分 子又带走了来自激光脉冲的多余热量。这种准分子 激光器所产生的远紫外线 , 其波长为 193nm, 重复频 率为 1Hz 或大于 1Hz, 脉冲宽度为 12ns。一个脉冲 即可蚀刻出几微米的沟槽。利用这种激光脉冲 , 能 够把材料逐层剥下来 , 蚀刻出微细的线条。 氟化氙准分子激光器产生的近紫外线的波长为 300nm, 其蚀刻过程是: 放在氯气中的硅片受到激光 辐射后, 氯分子分解为氯原子 , 与此同时, 硅片上受 激光辐射的电子附在氯原子上 , 形成带负电荷的氯 离子 , 又与带正电荷的硅原子发生化学反应, 形成一 种四氯化硅的挥发性气体, 通过反应器除掉四氯化 硅, 提供新鲜氯气, 于是硅片受到腐蚀, 不需要感光 胶就能得到所需要的图形。 2. 5 高能束刻蚀技术 ( 1) 电子束刻蚀 利用电子束的化学效应进行刻蚀。用功率密度 相当低的电子束照射工件表面 , 几乎不会引起表面 温升 , 入射的电子与高分子材料的分子相碰撞时, 会 使其分子链断开或重新聚合, 从而引起高分子材料 的化学性质和分子量发生改变 , 利用这种效应 , 可以 进行电子束曝光。曝光主要分两种 , 一种是电子束 扫描型, 将聚焦在 1 m 以内的电子束在大约 0. 5~ 5mm 的范围内扫描 , 可以曝光出任意图形 ; 另一种 是缩小投影型电子束曝光 , 使电子束先通过掩膜板 , 再以 1/ 5~ 1/ 10 的比例缩小后 , 投影到电子抗蚀剂 上进行大规模集成电路图形曝光。 电子束刻蚀是目前最好的高分辨率图形制作技 术, 在实验室 条件下 , 最高 能达到 2 nm 的特征 尺 寸, 在生产中 , 一般也可达到 0. 5~ 1 m 的 特征尺 寸。 电子束加工要在真空条件下进行。在真空环境 中, 电子能高速运动, 阴极不氧化 , 并可避免被加工 表面被蒸气氧化。因为需要在真空中进行, 所以有 一定的局限性。 ( 2) 离子束刻蚀
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前言
微电子机 械系 统[ 1] ( M icro Elect ro M echanical
Syst em, 简写 MEM S, 美国 通用 ) 或微机械 ( 日 本通 用) 或微系统( 欧洲通用 ) 是集微型机械、 微传感器、 微能源、 微致动器、 微控制器、 微执行器、 信号处理、 智能控制于一体的机电装置, 微小的几何尺寸或操 作尺寸和高度集成 化、 智 能化是 MEM S 的显著 特 征。从其尺寸角度, 可分为 1~ 10mm 的微小机械 , 1 m~ 1mm 的微机械, 1nm ~ 1 m 的纳米机 械[ 2] 。 相应地, 微细加工技术也可分为微米级、 亚微米级和 纳米级微细加工等。由于 M EM S 具有体积小、 精度 高、 性能稳定、 可靠性高、 耗能低、 灵敏性和工作效率 高、 多功能和智能化、 制造成本低等优点, 正受到国 内外科技界的广泛关注, 并成为当今世界各国研究 和投资的热点。而微细加工技术是 M EM S 发展的 重要基础, 本文就目前国内外已发展或正在研究的 各种微细加工技术进行全面综述 , 并介绍微细加工 技术和 MEMS 的发展趋势。
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微细加工及其关键技术
形成的, 先后有了超精密机械加工、 深反应离 子刻蚀、 L IGA 及准 L IGA 技术、 分 子装配技术等。 其加工手段包括电子束、 离子束、 光子束 ( 紫外线、 X
收稿日期 : 2001- 05- 31
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1 m 的精度 , 但不适用于大批量生产 , 因为掩膜在 曝光过程中承受机械负载, 接触面很容易被颗粒划 伤; 接近式曝光中, 在掩膜和基片间有 20~ 50 m 的 间隙 , 这减少了掩膜的磨损 , 但由于衍射效应, 精度 限制在 2 m ; 投影式曝光可获得约 0. 5 m 的结构精 度。 ( 2) 体微加工 体微加工可以在三维空间制造硅微结构, 可以 直接在硅片上获得高纵横比的微机械零件。硅片要 用光学刻蚀先进行预处理, 然后去掉曝光的抗蚀剂 材料。通过在抗蚀剂上有选择地使用各向异性刻蚀 溶液 , 可以在基片上获得深的沟槽 , 余下的抗蚀剂可 作为掩膜, 最终的 形式只决定于基 片的晶格朝向。 利用这种技术, 可以制作不同的结构, 如桥、 梁、 薄膜 等。 利用体微加工制造的晶片 , 可用粘结技术或其 他互连技术进行连接 , 从而形成复 杂的三维结构。 由于硅的晶格朝向是不变的, 所以采用这种技术不 能形成简单的圆、 圆柱孔洞或体积。为了准确构造 晶片 , 需要精确控制何时中断刻蚀过程。 ( 3) 表面微加工 利用表面微加工技术, 可以制作出脱离基片表 面而自由站立的悬臂结构或薄膜。其工艺过程为 : # 用光刻的方法形成所谓的牺牲层 ; ∃ 选 择性地 移去表 面材料 ; % 沉积多晶 硅结构 层; & 光刻 腐 蚀; ∋ 将牺牲层材料腐蚀掉 , 获得所需微结构。 为获得更复杂的三维微结构, 可以连续添加牺 牲层和结构层, 并分别采用恰当的光刻和腐蚀技术。 利用这种方法可以形成由许多薄层构成的 20 m 高 的复杂三维微结构。 ( 4) 灰调光刻 为利用光刻得到改进的微结构, 产生了一种被 称为灰调光刻的技术。灰调光刻采用一种特殊的光 栅屏光掩膜, 此掩膜的透明性沿长度方向改变 , 改变 既可连续也可离散 , 这可通过改变铬层的厚度或在 层中放置极小的、 精密排列的孔来实现, 这样, 抗蚀 剂的不同区域接受的光强不同 , 使腐蚀程度也不同 , 从而可得到特殊的腐蚀结构。 ( 5) Lift Off 技术 当结构材料通过溅射进行沉积后 , 将抗蚀剂层 用溶液去除 , 因此沉积在其上的结构材料随着抗蚀 剂被提升走, 因此称为 L if t Off 技术。这种 技术尤 其适用于制造难刻蚀金属, 也可以用来制造集成电 2
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容。金属通常采用化学气相沉积技术进行沉积, 主 要沉积铂、 钛或金。 2. 3 光刻技术 光刻也称照相平版印刷术, 源于微电子的集成 电路制造。光刻是加工制作半导体结构或器件和集 成电路微图形结构的关键工艺技术, 其原理为: 在硅 等基体材料上涂覆光刻胶 , 然后利用极限分辨率很 高的能量束通过掩膜对光刻胶进行曝光, 经显影后, 在光刻胶上获得与掩膜图形相同的极微细的几何图 形 , 再利用刻蚀等方法 , 在工件材料上制造出微型结 构。光刻技术的工艺过程一般包括原图制作、 光刻 制目版、 基底预处理、 涂覆光刻胶层、 前烘、 曝光、 显 影、 坚膜、 腐蚀和去胶等。 2. 4 蚀刻技术 蚀刻通常分为等向蚀刻和异向蚀刻。等向蚀刻 可以制造任意横向几何形状的微型结构 , 高度一般 为几微米 , 仅限于制造平面型结构。异向蚀刻可以 制造较大纵深比的三维空间结构, 其深度可达几百 微米。 ( 1) 化学异向蚀刻 化学蚀刻具有独特的横向欠蚀刻特性, 可以使 材料蚀刻速度 依赖于晶体取向的特点 得以充分发 挥。单晶硅具有结晶方向不同的结晶面 , 在碱性溶 液中各结晶面之间存在着显著不同的蚀刻速度。通 过硅的可控掺 杂法引入一个非常有效 的蚀刻停止 层 , 阻止蚀刻的进行, 实现有选择的蚀刻来制造微结 构。 ( 2) 离子束蚀刻 离子束蚀刻又分为聚焦离子束蚀刻和反应离子 束蚀刻。聚焦离 子束蚀刻在离子密度为 A/ cm 2 数 量级时 , 能产生直径为亚微米的射束 , 可对工件表面 直接蚀刻 , 且可精确控制射束的密度和能量。它是 通过入射离子向工件材料表面原子传递动量而达到 逐个蚀除工件表面原子的目的, 因而可达到纳米级 的制造精度。反应离子束蚀刻是一种物理化学反应 的蚀刻方法。它将一束反应气体的离子束直接引向 工件表面 , 发生反应后形成一种既易挥发又易靠离 子动能而加工的产物 , 同时通过反应气体离子束溅 射作用达到蚀刻的目的。是一种亚微米级的微加工 技术。 ( 3) 激光蚀刻 激光蚀刻 通常采用 YAG 激光和准分 子激光。 准分子激光由于具有波长短 , 聚焦直径小 , 功率谱密