第一讲 表面微机械加工技术

硅表面微机械加工技术及其应用

1.概述

表面微机械加工技术典型工艺示意图

硅表面微机械加工的典型结构示意图

薄膜层材料常用多晶硅、氧化硅、氮化硅、玻璃和金属等,为微结构器件提供敏感元件、电接触线、结构层、掩模和牺牲层。牺牲层(常用SiO2)做在淀积和光刻形成图形的结构层的

下面,可以选择性刻蚀除去,使结构层与基底隔开。

该技术在硅片上用连续生长功能层、结构层、牺牲层工艺来制作微机械结构，借助多次光刻－套刻实现图形复制和层间对准，依靠牺牲层技术控制结构的分离与衔接，硅片本身并不被刻蚀,因而是一种平面加工或准三维加工工艺,适用于制作厚度几至几十微米和深宽比为几至十几的微机械结构。

该技术有别于传统半导体工艺的本质在于可以制作可活动构件,如悬臂梁、转子、齿轮、振子等，这些都是MEMS器件的基本结构单元。

所以：

构成硅表面微机械加工技术的要素：

电子材料积累

半导体微加工技术基础

自支持结构单元设计

牺牲层技术

总结：

利用半导体技术的材料体系和微加工技术，将基于薄膜材料制备的机械结构或者传感部件，与填充介质层组合，叠层定位制造在单

晶硅衬底上，借助选择性刻蚀技术控制部分结构（或局部）脱离支撑而释放，从而实现机械结构的批量制造，也可以与控制部分的电路集成，这便是典型的硅表面微机械加工技术。

迄今为止研究开发的多数微机电系统（器件）都包含硅表面微机械加工技术工艺的单元，或者说：几乎所有的MEMS器件都有借助硅表面微机械工艺实现的设计形式。

2.主要单元技术

常用材料简介：

硅表面微机械加工技术主要采用半导体工业常用的部分硅基材料，如

单晶硅：仅作为衬底使用，通常不会对其进行结构加工，但是经常需要进行表面氧化以形成牺牲层或绝缘层，掺杂或注入以形成导电层或者阻挡层。

单晶硅在微尺度下具有非常优越的机械性

能，那是在体硅加工中才能够得到充分利用的性质。

研究者将SOI（silicon on insulator）硅片用作衬底可以得到一层以单晶硅为结构材料的微结构，所以，也有把SOI作为MEMS材料的说法。

多晶硅：该工艺体系中最常用的结构材料之一，可以掺杂成为半导体，作为结构材料通常厚度在2微米左右，借助ACVD、LPCVD、PECVD 都可以制备，但是以LPCVD工艺最常用，成膜条件通常取10-100Pa压力，基片温度600度，借助硅烷的分解沉积硅。多晶硅膜可以借助RIE方法精确图形化。

多晶硅的优越特性：

∙Stronger than steel (polysilicon has a strength of 2-3 GPa, while steel has a strength of 200MPa -

1GPa)

∙Extremely flexible (the maximum strain before fracture is ~0.5%)

∙Resists fatigue

∙ultra-low-stress mechanical polysilicon maintains device integrity.

∙polysilicon is directly compatible with modern IC fabrication processes. In fact, polysilicon is

currently used in virtually all IC fabs，Its deposition

and etch properties are very well known.

氮化硅：同样是常用的结构材料之一，CVD 制备，常借助RIE技术图形化，有时也可以湿法加工。

作为绝缘材料使用，厚度一般在1微米以下。

不同条件下制备的CVD氮化硅薄膜性质有

很大差异，高温工艺倾向于得到致密、高稳定性的薄膜。低温工艺通常借助PECVD实现。

氧化硅：主要是作为牺牲层材料使用，与多晶硅和氮化硅拥有湿法刻蚀的选择性；

经常作为绝缘材料使用，隔绝衬底与结构材料之间的电接触。

有时也可以作为结构材料使用，刚度大于多晶硅和氮化硅，透明度高，刻蚀选择比高，是既可以用湿法加工，也可以用干法图形化的薄膜。

氧化硅在表面微机械加工技术体系中主要借助CVD方法制备，但是其它用途多采用基体氧化法在单晶硅表面生成，热氧化膜性质稳定，内应力低，与基体结合牢固，但是厚度难以大幅度提高，所以，作为牺牲层的氧化硅对

本体特性要求不多，多采用CVD制备。

铝薄膜：常用的金属膜结构材料和导电材料，特别适合RF MEMS器件中兼顾上述两种功能的结构采用，比金有更好的机械特性，质轻而易于加工，通常采用蒸镀或溅射方法制备，可以采用离子铣加工，但更多采用湿法刻蚀，刻蚀剂大多采用磷酸。

金膜：导电或结构材料，有时也会用作牺牲性材料或者键合过渡层。稳定性好，可以采用蒸镀、溅射或者电镀方法制备，能够采用离子铣和湿法刻蚀加工，更多采用后者，也可以采用掩膜电镀直接图形化成型。

除了作为硅－硅键合过渡层使用，其它硅基体系中应尽量避免后续高温工序，以免造成扩散污染等负作用。

氧化锆、氧化钽

介电绝缘材料，通常只在需要高介电常数绝缘膜的体系中采用，作为功能材料，厚度较薄，一般采用溅射方法制备，干法刻蚀图形化。

多孔硅膜：特殊的牺牲层介质，借助硅的电极氧化形成，拥有高对比度选择性刻蚀的特性，能够提供比氧化硅更大的牺牲层空间（厚度），可以作为功能性衬底，同时也是体硅加工的一种手段。

综合上述几种常用材料，可以看到以下几个特点：材料均为薄膜形态，作为结构材料的厚度通常较厚，一般要进行微细加工，部分薄膜结构最终会形成自支撑结构。

其中最后一点与半导体技术的差异最为