MEMS工艺-表面微机械加工技术

四、加速牺牲层刻蚀的方法
——钻蚀释放速度的技术
方法一：
以上图磁执行器为例，每个板由两个悬臂梁支撑，板上的四个刻蚀孔使得牺牲层钻蚀不但可以在板 的边缘发生，而且可以在其内部进行。这种方法可以大大减少刻蚀所需时间。 右图为刻蚀孔的显微照片。大多数情况下，刻蚀孔应当比较小，以免在器件工作时产生不良影响。
悬浮结构与衬底的接触会导致不可逆的损坏。一旦接触，强大的分子力（例如范 德华力）会加强悬浮结构和衬底间的吸引。另外，由于存在新的反应副产品，很 可能会产生固体桥接。 微结构的这种失效模式称为粘附(stiction)。 粘附(stiction)=粘连(sticking)＋摩擦(friction) 解决粘附问题的方法均源于以下四种途径之一： 1. 改变固体与液体界面的化学性质以减小毛细吸引力。 2. 防止产生过大的结合力，如提高溶液温度或减少表面接触面积。 3. 采用各种形式的能量输入释放粘附在衬底上的结构，这些方法 可以局部进行也可以整体进行。 4. 为机械结构提供反向力以防止其相互接触，如利用本征应力引 起的弯曲现象。 下面详细介绍利用上述途径的两种典型方法。
•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 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。
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。 综上，可以看出，刻蚀选择性应当尽可能地大。
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 材料 反应 温度 580℃ ~ 620℃ 800℃ 化学反应 方程式 保形性 SiH4=Si+2H2 应力 刻蚀速率
其他性质及其他
保形覆盖的目的是覆盖三维结构的图形 对于螺母结构：会引起扣住的现象
多晶硅
对于悬臂梁结构：厚度方向的梯度应力会引起形变
1
2
3
方法二：采用疏水涂层
在微结构和衬底上采用疏水涂层可以降低结合能，从而降低粘附。 表面覆盖一层自组装的长链分子，这种长链分子叫做单层疏水自组 装。
除了用于防粘附涂层外，疏水表面处理还可以应用于其他领域。 例如： 采用疏水的图形化区域降低了表面结合能，就可以不采用牺牲 层湿法刻蚀便从模具中提起圆片级尺度的器件； 局部疏水处理可以使小部件按照自组织方式进行自动组装。
a) b) c) d) e) f) g) h)
在硅片上淀积一层牺牲层。 淀积多晶硅作为结构层材料，制造转子。 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。 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 LPCVD 二氧化硅） 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） 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） 再次涂敷光刻胶用于光刻第二层结构形状。 浸入氢氟酸刻蚀液以除去两层牺牲层。
这些孔可以使其下的牺牲层被快速移除而不需要借助大尺寸的刻 蚀孔。因为孔尺寸达到纳米量级，所以它们对器件的工作影响很 小。
五、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
牺牲层去除常常采用化学溶剂来完成，因为其刻蚀速率高，设备简单刻蚀选择性好。 它常需要采用自然蒸发或强制蒸发的后处理方法对圆片和芯片进行干燥。具体情况如 下图。
化学容器 悬臂梁 液态刻蚀溶液
ຫໍສະໝຸດ Baidu被困液体
表面张力
随着液体通过蒸发的方式被去除，微结构顶部表面 最先被暴露在空气中。困在悬臂梁微结构下的液体 需要更多的时间去除。 表面张力作用在液体和空气的界面上，对于大尺寸 器件而言，表面张力作用可以忽略并且不会造成显 著的变形。但是，由于微尺寸器件常常采用柔性材料 并包含微小的间隙，表面张力能够使表面微结构产生 显著的变形，常常会造成微结构与衬底相接触。
（刻蚀孔、改变刻蚀方法和刻蚀材料等）
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
（超临界流体烘干、采用疏水涂层等）
第11章 表面微机械加工
汇报人：胡文艳 时 间：2017.6.10
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
Contents
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
体微机械加工 微机械加工工艺 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 优点 充分利用了现有的IC生产工艺，对 机械零部件尺度的控制与IC一样好, 因此这种技术和IC完全兼容。 1.机械加工层越 多微 型元件的布局 问题、平面化问题 和减小残余应力 问题也更难解决。 缺点 体微机械加工 可以相对容易地 制造 出大质量的零部 件。 1.很难制造精细灵敏 的悬挂系统。
溅射
除LPCVD外的 其他方法：
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。 2. 采用更简单的设备进行沉积。 其他工艺 对于聚合物材料： 旋涂、汽相涂覆、喷涂和电镀。 对于金属元素： 蒸发及溅射：沉积薄金属膜（小于1μm） 电镀：制造厚金属膜（大于2μm）
•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）
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
方法一：超临界流体烘干
可以防止液体与空气界面处出现反向表面张力，超临界相出现在高温高压的环境下。下图为 超临界相技术的典型烘干工艺。 1、将带有释放微结构的芯片浸 入液体中并置于合适的压强和室 温下。初始状态在相图中用点1 表示。 2、增加液体的温度并保持压强 不变，溶剂从液相转变为超临 界相（点2） 3、降低超临界相流体的压力， 使得超临界流体转变为汽相 （点3） 优点：从液相转变为超临界相以及从超临界相转变为汽相的过程中不存在表面张力。
方法二：改变刻蚀方法和刻蚀材料
在某些应用中，刻蚀孔对器件性能有一定的影响。例如， 光反射器上的刻蚀孔不但会降低反射系数，而且会导致衍射 的发生。所以除此方法外，据研究表明，以下材料具有非常 快的刻蚀速率和很高的刻蚀选择性： 1. 树状聚合物，例如超分支聚合物。 2. 氧化锌薄层。 若牺牲层是金属，可通过加偏压使其在电解液中溶解的方法来 加速钻蚀。 使用自组装的单分子层来释放大面积的微器件而不需要采用化 学湿法刻蚀。
在氢氟酸刻蚀牺牲层时的低刻蚀速率
氮化硅
3SiH4+4NH3 绝缘的电解质，具有本征张应力。 =Si3N4+24H SiH4+O2 =SiO2+2H2
二氧化硅 500℃
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。 PECVD
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。
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 片上的其它层材料。
本章小结：
01 - 相关基本概念介绍
（微机械加工、表面微机械加工、分类方法、表面微机械加工和体微机械比较）
02 - 表面微机械加工基本工艺介绍
（以微型马达基本制造工艺流程为例，三种方法的改进）
03 - 结构层材料和牺牲层材料的选择
（工艺材料选择标准、结构层和牺牲层材料的制备方法）
04 - 加速牺牲层刻蚀的方法——钻蚀释放速度的技术
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。
在硅片上淀积一层牺牲层
二、基本工艺流程
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
一．基本概念
•微机械加工
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
硅基微机械加工
按加工材料分类 非硅基微机械加工 体微机械加工 在工艺中经常 同时使用
按加工类型分类
表面微机械加工
复合微机械加工
•表面微机械加工的定义