微/納米級微電子機械系統(tǒng)制造新技術論文
1引言
近幾年來，MEMS技術的迅速發(fā)展，各種與系統(tǒng)研制相關的技術引起了業(yè)界的廣泛關注。MEMS的主要特征是尺度微小及精度要求很高，目前正在研發(fā)的器件尺寸已縮減到納米量級，由此帶來了一系列的微尺寸效應。實驗表明，當特征尺寸達微米級時，將產(chǎn)生尺度效應、表面效應、電磁場效應和封裝效應等。其中尺度效應和表面效應對微型機構的影響最為顯著，如結構元器件之間作用力弱化、器件材料強度加大、高集成度導致工序增加等，這些都是有別于宏觀機械材料選擇、設計理論推導、制造與測試手段和方法更新等制造MEMS的諸多方面。
盡管IMEMS中的微電子器件與IC的制作可以最大程度地借鑒目前CMOSIC制造的主流技術，如版圖設計、刻蝕工藝和薄膜工藝等，甚至對于集成硅壓力傳感器、溫度傳感器之類的微機械器件可以直接采用與標準IC工藝兼容的技術制作。但微機械器件、微結構除了與微電子工藝有關外，一般還與外界物理量相互作用，且在構造上往往為三維體型結構。所以制造MEMS須在采用成熟的IC工藝基礎上，擴展一些針對微/納米級構件、器件或裝置的專用微機械制造技術，包括表面微細加工、體型加工、構件間相互組裝和鍵合及封裝等新技術。基于此，本文將具體討論微機械制造新技術及其應用問題。
2微機械制造中的主流技術
由于硅及其化合物不僅具有良好的物理、電學特性，還具有優(yōu)異的機械性能，例如硅晶體材料易于生長，純度高，有較高的強度/密度比和剛度/密度比，硅材料制造工藝與ic工藝有良好的兼容性，便于微型化、集成化及形成微機械結構。用硅或其化合物制造微傳感器，可達到遲滯和蠕變極小以及重復性、穩(wěn)定性和可靠性較高等優(yōu)良性能，而這些優(yōu)良性能都是傳統(tǒng)傳感器難以達到的。故半導體硅及其化合物已經(jīng)成為制造IMEMS器件及其裝置的首選材料，尤其硅基微機械加工技術已成為MEMS制造中的主流技術。
2.1表面微細加工技術
表面微細加工技術指制造微小尺寸零件、構件、部件、薄膜圖形以至整個裝置和系統(tǒng)的方法。實現(xiàn)方法較多，或從傳統(tǒng)精密加工改進發(fā)展（如金剛石車床、微型鉆床、微型磨床等加工技術），或從特種加工技術衍生開發(fā)（如激光加工、離子束加工等），但更多的是基于半導體制造技術。
2.1.1薄膜生成技術
在微機電器件的制作中，常采用蒸鍍和淀積方法，在硅襯底的表面上制作各種薄膜，并和硅襯底構成一個復合的整體，根據(jù)需要制成許多種薄膜圖案。這些薄膜有多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、合金膜及金剛石膜等。它們有的作為敏感膜，有的作為介質膜起絕緣作用，有的作為襯墊層起尺寸控制作用，有的起耐腐蝕、耐磨損作用。
物理氣相淀積和化學氣相淀積是襯底材料上制作薄膜的兩種常用的工藝技術。前者利用蒸鍍和濺射法，使另一種物質在襯底材料表面上成膜，而后者使氣體與襯底材料本身在加熱表面上進行化學反應，生成另一種物質在表面上成膜。
(1)物理氣相淀積技術物理氣相淀積技術包括真空蒸鍍法和濺射法。真空蒸鍍法制作薄膜有幾十年的歷史，技術上已十分成熟，在微機械電子系統(tǒng)中，可以用蒸發(fā)鋁和金來制作電極或直接在敏感半導體技術第30卷第8期元件上制作薄膜。這種方法雖有設備簡單、成膜速度快的優(yōu)點，但形成的薄膜強度低，難以制造金屬膜和化合物膜。
目前應用較多的是濺射成膜的方法，該法又分為直流濺射和射頻濺射。直流濺射的主要缺點是只能濺射合金薄膜，而不能濺射介質膜（如MgO，Al2O3，8丨02等），因此在應用上具有局限性。而射頻濺射則較好地克服了直流濺射的缺點，可用于制造金屬膜、介質膜、壓阻膜、壓電膜及半導體膜等。射頻濺射的原理如圖1所示，濺射采用5_30麗z的射頻頻率、1_2kV的高電壓通過匹配器和耦合電容加到陰極與陽極之間，由于離子的質量遠大于電子的質量，所以離子的遷移率遠小于電子的遷移率[5]。在上半周（陰極為正，陽極為負），電子迅速到達靶面；在下半周，因離子運動速度慢，陰極表面所帶的負電荷不會很快被中和，使靶面上負電荷積累成一個自建電場E，從而使正離子加速，并以較大能量轟擊靶面，形成靶材原子的濺射淀積而成膜。為了提高濺射薄膜的.均勻性和濺射速率，常在此裝置上再附加一個磁場，稱為磁控濺射裝置，即在陰極附近安裝一定的磁體，形成磁場。由于洛侖茲力的作用，電子在靶附近做反復的螺旋運動，增加了與氣體分子的碰撞機率，使氣體分子加速電離，產(chǎn)生正離子，正離子不斷轟擊靶面產(chǎn)生濺射原子，淀積成薄膜。其顯著的優(yōu)點是濺射速率比普通的兩極濺射裝置的速率能提高幾倍乃至幾十倍，而且形成的薄膜針孔少，結合力較強。
(2)化學氣相淀積（CVD)技術化學氣相淀積法就是利用高溫條件下的化學反應（分解、還原、氧化及置換）生成薄膜。主要生成反應過程為：使含有待淀積材料的化合物（如鹵化物、硼化物、氫化物及碳氫化合物等）升華為氣體，與另一種氣體(如h2，八〖或等）或化合物在一個高溫反應室中進行反應，生成固態(tài)的淀積物質，使之淀積在加熱至高溫的襯底上，生成薄膜。反應生成的副產(chǎn)品氣體，由表面脫離，擴散逸出。這種方法可制造出多種用途的微機電器件薄膜，如介質膜、半導體膜等。
化學氣相淀積有3種方法：即常壓化學氣相淀積（NPCVD)、低壓化學氣相淀積（LPCVD)及等離子強化化學氣相淀積（PECVD)。常壓和低壓CVD利用襯底表面的反應生成薄膜，尤其是常壓化學氣相淀積工藝比較成熟，被廣泛應用，但成膜厚度的均勻性不夠理想，低壓化學氣相淀積對此作了改進，并通過優(yōu)選襯底與襯底的間隔、氣體壓強及流量等的成膜條件，使膜厚的分布均勻性明顯地得到改善。但兩者反應溫度均須達到500_1200°C。為了使反應能在較低的溫度下進行，又開發(fā)了等離子體CVD，其原理是利用等離子體的活性促進較低溫(350—400C)下化學反應。相對于化學氣相淀積工藝，等離子CVD的工藝設備僅增加了產(chǎn)生等離子區(qū)的裝置。圖2是一臺立式等離子CVD工藝裝置示意圖。在平板電極上加射頻電壓，在一定的真空度下產(chǎn)生輝光放電。于是反應室內氣體將被電離而等離子化，反應氣體在低壓(103~10-2Pa)反應室兼作氣體電離、熱效應及光化學反應等復雜的等離子過程，生成待淀積物質的單質或化合物，淀積在襯底上生成薄膜。如用NPCVD和LPCVD法生成Si3N4膜的反應溫度高達l000C，而用PECVD法制作只需400C左右。
(3)外延工藝這種工藝過程是以硅單晶片本身為襯底，以含硅化合物如硅烷（SiH4)或四氯化硅(SiCl4)等分解或用氫氣還原，生成單質硅淀積在硅襯底上。淀積過程在外延反應爐中進行，在襯底的結晶性質影響下形成單晶硅膜。因此本質上它也是一種化學氣相淀積工藝。
2.1.2表面犧牲層技術
所謂“表面犧牲層”技術，即在形成微機械結構的空腔或可活動的微結構過程中，先在下層薄膜上用結構材料淀積所需的各種特殊結構件，再用化學刻蝕劑將此層薄膜腐蝕掉，但不損傷微結構件，然后得到上層薄膜結構（空腔或微結構件）。由于被去掉的下層薄膜只起分離層作用，故稱其為犧牲層（sacrificial1ayer,厚度約12wm)。常用的結構材料有多晶硅、單晶硅、氮化硅、氧化硅和金屬等，常用犧牲層材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻膠。利用犧牲層可制造出多種活動的微結構，如微型橋、懸臂梁及懸臂塊等，此外常被用來制作敏感元件和執(zhí)行元件，如諧振式微型壓力傳感器、諧振式微型陀螺、微型加速度計及微型馬達、各種制動器等。
2.2體微細加工技術
硅基體微細加工一般采用腐蝕(刻蝕）的方法，即通過腐蝕對材料的某些部分有選擇地去除，使被加工對象顯露出一定的幾何結構特征。腐蝕方法分化學腐蝕和離子刻蝕，前者用化學腐蝕液，故稱為濕法腐蝕；后者采用惰性氣體，故稱作干法刻蝕。
2.2.1化學腐蝕
相對于干法刻蝕，濕法操作簡便，并可較好地控制結構輪廓，是最早用于微機械結構制造的加工方法。濕法腐蝕過程主要是氧化減薄和反應物的溶解，反應中需要考慮邊緣輪廓、厚度尺寸和表面質量的控制，還須考慮掩膜材料的選擇以及腐蝕液的毒性和污染等問題。
(1)各向同性腐蝕技術濕法各向同性腐蝕普遍采用氧化劑硝酸(HN03)、去除劑氫氟酸(HF)及稀釋劑水(H20)或乙酸(CH3C00H)混合成的腐蝕劑，通常稱之為hf-hno3腐蝕系統(tǒng)。hno3在化學反應過程中會使硅表面產(chǎn)生空穴，從而使腐蝕得以進行，故控制硅表面的空穴就可以控制腐蝕特性，通過腐蝕最終完成以下的工藝過程①清潔或修復硅表面；②形成單晶硅平膜片；③形成單晶硅或多晶硅薄膜上的圖案或微幾何結構（腔和槽等）。
(2)各向異性腐蝕技術各向異性腐蝕是體微機械加工的關鍵技術，常用的的腐蝕液主要有EPW和K0H等。在任何pH值大于12的強堿溶液中，硅的腐蝕過程均具有三個特點，即腐蝕速率和晶向、摻雜濃度及外加電位有關。例如，用氫氧化鉀的水溶液在85C腐蝕硅，其對（100)晶面的腐蝕速率為（111)晶面的400倍，而摻硼濃度高于7X1019cm-3的硅，其腐蝕速率降至普通摻硼濃度硅的1/5。此外各向異性腐蝕速率還受腐蝕液種類及其成分配比、摻雜濃度及溫度等因素的影響。
(3)腐蝕掩模和刻蝕停止技術腐蝕掩模(etchmask)指用Si02，Si3N4，Cr和Au等材料制作的薄膜、掩模做成所需圖形，由于腐蝕劑對這些材料的腐蝕速率非常低(低于0.2nm/min)，因此被掩模覆蓋的部分不會被腐蝕掉，無掩模的區(qū)域就按各向異性腐蝕掉，從而形成所需結構。腐蝕停止技術有P+腐蝕停止，它利用高摻硼濃度（高于7X1019cm-3)硅腐蝕速率遠低于普通摻雜濃度硅的特點，使腐蝕停止。還有一種pn結停止腐蝕技術，將有pn結的被腐蝕硅片放入K0H或EDP溶液中，當pn結加上反偏壓，n區(qū)半導體與集電極也加上反偏壓時，溶液將對p型硅進行電化學腐蝕，并當在pn結界面的n側表面形成氧化層時使腐蝕停止�？傊�，將各向異性腐蝕與腐蝕掩模、腐蝕停止技術相結合，可制作各種微機械結構。
2.2.2離子刻蝕
濕法化學腐蝕得到的微機械結構的厚度可達整個硅片的厚度，具有較高的機械靈敏度，但對高精度圖形，特別是側面垂直度要求嚴格者，存在難以準確控制橫向尺寸精度及器件尺寸大等缺點，因此難以達到預期效果。而采用反應離子、等離子體刻蝕等干法刻蝕，則可實現(xiàn)較高的刻蝕精度，并使微機械加工所得到的外形不受基片的晶向控制，尤其利用高密度等離子體刻蝕設備進行干法刻蝕還可得到比較理想的高深寬比的硅槽。
離子刻蝕實際上是一種以化學反應為主的刻蝕工藝，它利用氣體的離子體生成物或濺射進行刻蝕，刻蝕步驟見圖3。圖4為反應離子刻蝕裝置原理圖，被刻蝕試件放在陰極板上，射頻（RF)電源作為陰極電源，使充入的惰性氣體離子化�？涛g過程中既有離子轟擊效應(作用是促進化學反應進行)，又有活性游離基與被刻蝕試件的化學反應，因此可達較高的刻蝕速率，并得到較垂直的側面輪廓。
2.2.3幾種刻蝕方法之比較
現(xiàn)將上述介紹的幾種刻蝕方法進行比較，如表1所示。
2.3LIGA技術
LIGA是德文Lithographie(光亥)、Galvanoformung(電鑄）、Abformung(注塑）三個詞的縮寫。LIGA技術是一種基于X射線光刻技術的3維微結構制造工藝，主要包括：深刻蝕X射線光刻、電鑄及注塑復制三道工序，如圖5所示
造技術無法制出的結構精細、表面光滑、高深寬比的微結構。
2.4準分子激光刻蝕技術
準分子激光刻蝕法制作高深寬比聚合物材料微機械結構是近幾年國際上出現(xiàn)的一項新技術[1°,11]。用該技術制作的微結構具有深寬比大，精度高及邊緣整齊等優(yōu)點，并具有制作上的靈活性，例如可在聚合物上直接刻蝕（不需顯影），工藝簡化，效率高，成本低，適于大批量生產(chǎn)。這項技術有以下的顯著優(yōu)點：①所制作的微結構垂直高度從幾百微米到幾毫米；②具有掩模制作簡單、工藝簡捷和成本低等優(yōu)點；③可防止化學腐蝕的浸潤影響，保證結構邊緣良好的陡直性。
2.5直接鍵合技術
在硅傳感器等的研制和生產(chǎn)上，硅固相鍵合是一項倍受重視的技術。鍵合有高溫加壓的熱鍵合，它在溫度約300C下，通過在玻璃側加數(shù)百伏負電壓將硅片與玻璃鍵合在一起。新近發(fā)展起來的硅直接鍵合技術[12]，是將兩片或幾片硅片在大約1000C高溫下，在氧或氮氛圍中直接結合到一起。圖6是硅/硅直接鍵合原理圖，先將欲鍵合的一對硅片進行表面處理和清洗，再把清洗好的硅片置入圖示裝置中，腐蝕前必須適當調整Ar氣源對硅表面的工作電壓、等離子電流、Ar離子束的入射角，經(jīng)Ar腐蝕激活后的這一對硅片表面外加約1MPa壓力，即可在室溫條件下實現(xiàn)牢固的Si/Si直接鍵合。硅直接鍵合技術的優(yōu)點是方法簡便、不需要外加電場或加壓，也無中間層；釋放層容易去掉，器件厚度至少比表面微細加工時大一個數(shù)量級，三維結構設計較單獨用體微細技術容易得多，且該法的熱穩(wěn)定性和機械應力也很好。因此，在應用時常將它與體微細加工工藝相結合。
2.6三維表面光刻抗蝕劑噴涂技術
通過化學腐蝕和干法等離子刻蝕等工藝，產(chǎn)生不同斜率的圖形側壁凹槽。同時，由于MEMS器件不斷增長的集成度要求，勢必要求平面結構向三維器件轉移。因此對光刻工藝的抗蝕劑表面涂覆均勻性方面提出了一些新要求。傳統(tǒng)旋涂技術用于三維結構時，由于溝槽和凹槽的出現(xiàn)，抗蝕劑的涂覆不均勻，它甚至妨礙了旋轉片子上抗蝕劑的分離。片子旋轉引起的離心力與重力一起驅使抗蝕劑流向邊緣。當抗蝕劑被曝光時，在片子不同位置的抗蝕劑厚度不同，抗蝕劑吸收能量也不均勻，導致關鍵尺寸均勻性降低。為此，近年來推出了一些涂膠新技術。例如通過一種產(chǎn)生微滴煙霧劑的超聲噴嘴式直接噴涂分配系統(tǒng)在高度三維結構化的芯片上作均勻抗蝕劑噴涂沉積的工藝。由于采用噴涂均分技術，抗蝕劑呈霧狀微滴形狀。與抗蝕劑旋涂技術相比，這項技術有效地減少了片子上抗蝕劑流動力影響。微滴停留之處抗蝕劑便沉積，有助于抗蝕劑在三維結構的芯片上均勻分布，這為MEMS新穎的互連結構以及封裝用途提供了一種優(yōu)異的形貌作圖能力。
3幾種微制造技術的比較
由于以上各種微加工技術各有其優(yōu)缺點，且需要制造的微機電系統(tǒng)形式、功能和應用場合各不相同，因此需要在具體的生產(chǎn)實踐中對它們進行分析、比較，以期最佳地選擇加工技術。表2對幾種微加工技術作了簡要的比較。
4微制造技術在MEMS產(chǎn)品中的應用前景
?近年來IMEMS及其相關制造技術的發(fā)展極其迅速，它是機電領域研究熱點之一。MEMS產(chǎn)品結構（二維發(fā)展到三維）日趨復雜，功能增強。從市場行情看，由微機械制造工技術制造的器件和系統(tǒng)的需求量呈上升趨勢；從制造技術發(fā)展趨勢看，硅的微細加工仍將是主流技術。
?利用表面微細加工、體微細加工等技術對硅材料進行加工，形成硅基微機械器件，與傳統(tǒng)IC工藝兼容，可以實現(xiàn)微機械和微電子的系統(tǒng)集成，并適于批量年產(chǎn)，這己經(jīng)發(fā)展為微機械電子系統(tǒng)的主流技術。此外利用LIGA技術可以加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料，得到高深寬比的精細結構，其加工深度可達幾百微米，因此LIGA也是一種比較重要的MEMS加工技術。利用LIGA技術已經(jīng)研發(fā)并制造出微齒輪、微馬達、微加速度計和微射流計等。
?根據(jù)美國MCNC(北卡羅來納微電子中心）MEMS技術應用中心預測，當前MEMS業(yè)界的年增長率是10%_20%，尤其是在在汽車和信息產(chǎn)業(yè)方面，預計2005年IMEMS世界市場將形成產(chǎn)量1億2千萬件、價值380_430億美元的規(guī)模。從長遠發(fā)展看，本文所介紹的微機械制造技術將在以微傳感器、微執(zhí)行器、微結構器件為主的MEMS產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)中發(fā)揮主導作用。我國在微機械制造技術方面的研究正處于起步階段，故應在現(xiàn)有的基礎上加大對微機械制造技術的研發(fā)力度，積極采取發(fā)展高端微機械制造技術的策略，以提升我國MEMS產(chǎn)品的制造水平。
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