Transcript 第四章MEMS的制造技术

第四章 MEMS的制造技术
MEMS的制造技术主要包括两类技术：体微加工和
表面微加工。这两类加工技术的基本材料都用硅，而
加工工艺的基础都是集成电路制造技术。
1.表面微加工技术，来自金属膜的概念。在硅腐蚀的
基础上，采用不同薄膜淀积腐蚀方法，在硅片表面形
成不同形状的层状微结构。
2. LIGA技术
3.键合工艺，按界面材料的性质，可分为两大类：（1）
硅/硅基片的直接键合工艺；（2）硅/硅基片的间接键
合
4.1. 体微加工
硅的体微加工技术包含硅的湿法和干法技术，
硅刻蚀自终止技术、LIGA技术、以及DEM技术。
4.1.1. 湿法刻蚀技术
技术原理：硅表面点作为随机分布的局部区域的阳
极与阴极。由于这些局部区域化电解电池的作用，
硅表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流，
一般超过100A/cm2。
硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液所含的杂质、
腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附过程等因
素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大的影响。
HF-HNO3(氢氟酸-硝酸)腐蚀系统（各向同性腐蚀）
HF-HNO3和H2O（或CH3COOH 乙酸）
硅表面的阳极反应为Si+2h+
Si2+
h+表示空穴，即Si得到空穴后升至较高的氧化态
腐蚀液中的水解离发生下述反应：
H2O=(OH)-+H+；Si+与(OH)-结合为：
Si2+2(OH)Si(OH)2
接着Si(OH)2放出H2并形成SiO2，即
Si(OH)2
SiO2+ H2
SiO2+6HF
H2SiF6+2 H2O
KOH、EDP腐蚀系统（各向异性腐蚀）
 KOH、H2O和（CH3）2CHOH（异丙醇，即IPA）
 首先将硅氧化成含水的硅化合物
KOH+ H2O=K++2OH-+H+
Si+2OH-+4 H2O
Si(OH)2然后与异丙醇反应，形成可溶解的硅
2
6
2
Si (OH )  6(CH3 )2 CHOH  [Si (OC3H7 )6 ]  6H 2O
络合物不断离开硅的表面
硅无论是在HF-HNO3腐蚀系统中，还是在KOH腐
蚀系统中，其腐蚀过程既可受反应速率限制，也可
受扩散限制 . 如果腐蚀取决于化学反应速率，这种
过程称为反应速率限制。如果腐蚀剂通过扩散转移
到硅片表面的则称为扩散限制。与反应速率限制过
程相比，扩散限制过程活化能较低，所以它对温度
变化较为敏感.如果在腐蚀过程中腐蚀条件发生变化，
例如温度和腐蚀液的化学成分发生变化，将会改变
速率限制 。
如果在单晶硅各个方向上的腐蚀速率是均匀的
称为各向同性刻蚀，而腐蚀速率取决于晶体取向的
则称为各向异性腐蚀。在一定的条件下腐蚀具有一
定的方向跃居第一，是硅单晶片腐蚀过程中的重要
特征之一。
4.1.2 硅体的各向同性刻蚀
硅各向同性腐蚀最常用的腐蚀液为HF-HNO3加水或
者乙酸系统(通常称为HNA系统) ，其腐蚀机理：
硝酸硅发生氧化反应生成二氧化硅，然后由HF将
二氧化硅溶解
Si+HNO3+HF=H2SiF6+HNO2+H2O+H2
水和乙酸（CH3COOH）通常作为稀释剂，在HNO3
溶液中，HNO3几乎全部电离，因此H+浓度较高，而
CH3COOH是弱酸，电离度较小，它的电离反应为
CH3COOH=CH3COO-+H+
图4.2表面取向对腐蚀速率的影响与温度的关系
图4.3 腐蚀速率与温度的关系（高HF区，无稀释）
自下而上每族曲线对应的配比为：95%HF+5% HNO3，
90%HF+10% HNO3，85%HF+15 HNO3
图4.4 腐蚀速率与温度的关系（H2O稀释）
65%HF+20% HNO3+15%H2O，
20%HF+60% HNH3+20%H2O
图4.5腐蚀速率与成分的关系
下图给出分别用H2O和CH3COOH作为稀释剂的HF+
HNO3，系统腐蚀硅的等腐蚀线（常用的浓酸的重量百分
比是49.2%HF和69.5% HNO3）。
H2O和CH3COOH作为稀释剂的功能相似，共同特点：
（1）在低HNO3及高HF浓度区（见图4.6的顶角区），
等腐蚀曲线平行于等HNO3浓度线，由于该区有过量的
HF可溶解反应产物SiO2，所以腐蚀速率受HNO3的浓度
所控制。
（2）在低HF高HNO3区（见图4.6的右下角），等腐蚀
线平行于HF浓度线。
（3）当HFHNO3=11，稀释液浓度百分比小于10%时，
随稀释液的增加对腐蚀速率影响较大草原稀释液从
10%30%，腐蚀速率随秋耕释液的增加呈减小；稀释
液大于30%后，稀释的微小变化会引起腐蚀速率的很
大变化。
4.1.3
硅体的各向异性刻蚀
各向异性腐蚀机理为在有些溶液中单晶硅的腐蚀速
率取决于晶体取向，即在某种晶体取向上硅的腐蚀
速率非常快，而在其他方向上腐蚀速率又非常慢。、
硅体的各向异性腐蚀液的种类很多。
最常用的（100）/（111）腐蚀速率比最大的是KOH
腐蚀液。用KOH腐蚀液腐蚀单晶硅晶体其在三个常用
晶 面 方 向 上 的 腐 蚀 速 率 情 况 是 （ 100 ） > （ 110 ） >
（ 111 ） 。 （ 100 ） / （ 111 ） 的 最 大 腐 蚀 速 率 可 达
4001
图4.7
硅单晶片各向异性腐蚀示意图
Wb=W0-2Lcos54.7o
其中L是腐蚀深度。
一般需要刻蚀制作薄膜时，掩膜开的窗口必须
比膜的尺寸大，其倾斜的角度由几何计算得到
为54.7O，而斜坡所占的面积也可计算得到。
多晶硅所需刻蚀的深度为O时，单边斜坡所占
的长度
L=0.71D
1、氢氧化钾的刻蚀机理
硅体的各向异性刻蚀的腐蚀剂基本是碱性溶液，
而氢氧化钾溶液占一半以上，因此氢氧化钾是硅
体的各向异性腐蚀重要的和常用的腐蚀剂。
2、各向异性刻蚀的物理机理
腐蚀
图4.8 各向异性的物理机理
腐蚀速率
图4.9
腐蚀速率测试掩膜版
图4.10
腐蚀后的测试图形显示
不同KOH浓度和温度情况下,(100)面硅的腐蚀速率（m/h)
KOH
浓度
20℃
40℃
60℃
80℃
100
℃
20%
1.57
7.09
26.7
86.3
246
30%
1.32
5.98
22.3
79.0
206
40%
1.17
5.28
19.9
64.4
183
50%
0.84
3.77
14.2
45.9
131
硅体在氢氧化钾溶液中，各向异性腐蚀制作各
种各样微机械基本结构
4.1.4
硅刻蚀的干法技术
•干法刻蚀具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐
蚀的选择比大，以及能进行自动化操作等优点。因此
，干法刻蚀在体微加工中将逐渐占有重要地位。
•干法刻蚀的过程可分为以下几个步骤 ：
（1）腐蚀性气体粒子的产生；
（2）粒子向衬底的传输
(3）衬底表面的腐蚀；
（4）腐蚀反映物的排除。
•干法腐蚀的种类有物理方法：离子腐蚀（溅射）Ion
Etching(IE),离子束腐蚀Ion Beam Etching(IBE)；
化学方法：等离子体腐蚀 Plasma Etching(PE)
4.1.4.1 物理腐蚀技术
（1）离子腐蚀（Ion Etching ，IE）
图4.12平行板反应器的结构原理
（2）离子束腐蚀（Ion Beam Etching，IBE
离子束腐蚀是一种利用惰性离子进行腐蚀的物理腐
蚀。在离子束腐蚀中，被腐蚀的衬底和产生离子的
等离子区在空间是分离的，如图4.13所示。
）
图4.13
离子束腐蚀装置结构原理
图4.14
在纯物理离子腐蚀中出现的制造物的原理示意图
4.1.4.2 物理和化学腐蚀过程相结合
化学腐蚀高选择性+物理腐蚀所具有的各向异性
（1）等离子体腐蚀（Plasma Etcing, PE）
（2）反应离子腐蚀（Reactive Ion Etching,，RIE）
（3）反应离子束腐蚀
4.2 硅体刻蚀自停止技术
硅体刻蚀自停止技术是体微加工中关键技术之一。
它利用不同晶格取向的硅和掺杂浓度不同，使硅在不
同的腐蚀液中表现出不同的腐蚀性能。
4.2.1重掺杂自停止腐蚀技术
可以认为KOH溶液对重掺杂硅基本上不腐蚀；同时又
知道，重掺杂硼的硅腐蚀自停止效应比重掺杂磷的硅
更明显，所以工艺中常用重掺杂硼的硅作为硅腐蚀的自停
止层材料。图4.15为重掺杂硼硅腐蚀的自停止腐蚀工艺。其
工艺流程为：
图4.15 重掺杂硼的硅自停止腐蚀工艺
具有的高选择性和物理腐蚀所具有的各向异性，目
前主要是将这两种方法组合起来使用。
4.2.2 （111）面自停止腐蚀技术
图4.16为（111）面自停止腐蚀工艺。其工艺流程为：
4.2.3 p-n结腐蚀自停止技术
p-n结腐蚀自停止是一种使用硅的各向异性腐蚀剂如氢
氧化钾的电化学腐蚀自停止技术，它利用了N型硅和P
型硅在各向异怀腐蚀液中的钝化电位不同这一现象。
图 4.17 给 出 了 在 氢 氧 化 钾 腐 蚀 液 （ 65℃ ， 40% ） 中
（100）晶向P型硅和N型硅样品的电流一电压特性。
4.2.4电化学自停止腐蚀技术
图4.20是一种典型的电化学腐蚀自停止方法
图4.16 （111）面自停止腐蚀工艺
图4.17
P型和N型硅在KOH腐蚀液中的特性
图4.20 电化学腐蚀系统
图4.21
硅在5%HF中的电化学腐蚀IV
4.3 LIGA体微加工技术
四个工艺组成部分：LIGA掩模板制造工艺；X光
深层光刻工艺；微电铸工艺；微复制工艺。
4.3.1 LIGA掩膜板制造工艺
LIGA掩模板必须能有选择地透过和阻挡X光，一
般的紫外光掩模板不适合做LIGA掩模板
表4.4 LIGA掩模板的X光透光薄膜材料的性能及其优缺点
图4.22
LIGA技术的工艺流程
4.3.2 X光深层光刻工艺
需平行的X光光源。由于需要曝光的光刻胶的厚度要达到几百
微米，用一般的X光光源需要很长的曝光时间。同步辐射X光光源
不仅能提供平行的X光，并且强度是普通X光的几十万倍，这样可
以大大缩短曝光时间。
图 4.23 X光过渡掩模板制造工艺流程图
（2） X光光刻胶
（3）同步辐射X光曝光
（4）光刻胶显影
4.3.3微电铸工艺
目前镍的微电铸工艺比较成熟，镍较稳定，且具有一定的硬
度，可用于微复制模具的制作。由于金是LIGA掩模板的阻挡
层，所以，在LIGA技术中，金的微电铸技术非常重要。有些
传感器和执行器需要有磁性作为驱动力，所以，具有磁性的铁
镍合金的微电铸对LIGA技术也很重要。其他如银、铜等也是
LIGA技术常用的金属材料。
LIGA的微电铸工艺技术难点之一，是对高深宽比的深孔、
深槽进行微电铸。
4.3.4微复制工艺
由于同步辐射X光深层光刻代价较高,无法进行大批量生产，
所以LIGA技术的产业化只有通过微复制技术来实现。目前微复
制方法主要有两种，注塑成型和模压成型，图4.29给出了注塑
成型和模压成型两种微复制方法的工作原理。其中注塑成型适
用于塑料产品的批量生产，模压成型适用于金属产品的批量
图4.29两种微复制方法的工作原理
4.3.5 LIGA技术的扩展
4.3.5.1准LIGA技术
用紫外线或激光代替同步辐射X光深层，该技术需高光敏性
的光刻胶厚胶，目前利用该技术能刻出100m厚的微结构，但
侧壁垂直度只有850左右，只能部分代替LIGA技术，适用于对
垂直度和深度要求不高的微结构加工。图4.30给出了用紫外
线光刻获得的厚60m的光刻胶及电铸出的铁镍合金微结构电镜
照片。
4.3.5.2 牺牲层LIGA技术
在微机械制造领域，很多情况下需要制造可活动的零部件，
例如微阀、微马达和微加速度计等。利用牺牲层LIGA技术可
制造活动的微器件，图4.31给出了牺牲层LIGA技术工艺原理
图。
4.3.5.3 LIGA套刻技术
图4.31 牺牲层LIGA技术工艺原理图
LIGA技术中，利用套刻技术获得含有台阶的微结构，
该技术在第一次光刻、微电铸的基础上进行第二次套
刻技术获得的微变速齿轮电镜照片。
4.3.5.4倾斜曝光技术
在LIGA技术中，可以通过倾斜曝光获得一些特殊的
图形，如图4.34所示倾斜曝光原理图，图4.35给出通
过倾斜曝光获得的复杂微结构电镜照片。
4.3.6 DEM技术
DEM技术充分利用了硅体微加工技术和LIGA技术的优点，
解决了硅体微加工技术中只能加工硅材料的局限。该技术不
像LIGA技术那样需昂贵的同步辐射光源和特制的X光掩模板。
利用该技术可对非硅材料，如金属、塑料或陶瓷进行高深宽
比三维加工。该技术的开发成功，将开拓微加工新领域，对
我国微机电系统的研究起到很好的推动作用。
4.4表面微加工
4.4.1表微加工机理
图4.41给出了表面微加工的基本过程。
与体微加工相比较，表面微加工技术对于微小结构的尺寸更
易控制。
图4.41 表面微机械加工原理示意图
(1)表面微加工使用的材料是一组相互匹配的结构层、牺牲层材
料
(2)表面微加工的特点
与体微加工和键合相比较，在表面微加工中，硅片本身不被
刻蚀。没有孔穿过硅片，硅片背面也无凹坑。比较两者结构尺寸
（如表4.8所示），可以看出表面微加工适用于微小结构件的加
工，结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反应离子刻蚀
（RIE）工艺。表面微加工形成的层状结构特点为微器件设计提
供了较大的灵活性。在中心轴上加工转子是不可能的，而采用键
合又会使工艺变得非常复杂，而表面微加工技术的另一个主要特
点是可实现微小可动部件的加工。
4.4.2多晶硅的表面微加工
氧化硅作为牺牲层材料，氮化硅作为基体绝缘材料，氢氟酸
作为化学腐蚀剂。
已经能够加工复杂的表面微结构零件，如悬臂梁、齿轮组、
涡机、曲柄、镊子等。多晶硅表面微加工已是许多静电执行器
的主要加工手段。
4.4.2.1多晶硅的淀积
4.4.2.2淀积态的薄膜应力
4.4.2.3未掺杂薄膜的退火
图4.45
平均残余应力与退火温度的关系曲线
4.4.2.5二氧化硅
在集成电路工艺中，二氧化硅是一种多用途的基本材
料，它通过热氧化生长和为满足不同要求采用不同工艺
淀积获得.
二氧化硅的腐蚀速率对温度最敏感，温度越高，腐蚀速
率越快，腐蚀时必须严格控制温度。
4.4.2.6氮化硅
在集成电路工业中，氮化硅（Si3N4）广泛用于电绝缘和表
面钝化。PECVD氮化硅主要用于集成电路的钝化，由于氮化硅
的多孔性，在HF中其腐蚀速率高于热法生长的二氧化硅，因而
在表面微结构中应用不多,主要应用于多晶硅表面微结构的基
体绝缘。
4.4.2.7磷硅玻璃（PSG）
磷硅玻璃也是一种应用广泛的牺牲层材料。其淀积应力比二
氧化硅小，其制备工艺：LPCVD采用SiO4、O和PH3，PECVD应用
SiH4、N2O和PH3或四乙氧硅烷（TEOS），三甲亚磷酸盐（TMP）
淀积而成。
4.4.2.8粘附现象
在牺牲层被刻蚀后，微器件要进行漂洗和吹干。在器件浸入
和提出溶液的过程中，溶液蒸发会产生一个很大的毛细管作用力，
把微器件拉向基体产生粘附现象，在两表面之间形成接角力。
图4.49 微器件粘附形成（a）和解决方法（b）示意图
4.4.3多晶硅的机械特性
应用于表面微构件的薄膜存在着较大的残余应力该残余应力
场对薄膜淀积条件和后工艺过程十分敏感这些残余应力影响着
构件负载特性、输出、频率其他重要运行参数，所以在形成一
个表面微加工工艺以前充分理解和掌握这些机械特性。
4.4.3.1原位特性试验装置
薄膜本征应变场估价的试验装置是测量薄膜与基体分离后产
生的尺寸变化。当薄膜与基体分离后，薄膜的应力得到松弛，
其伸长或缩短正比于本征应变场的大小，试验装置为应力松弛
提供了直接与间接的测量。
(1)悬臂梁
测量悬臂梁的形变，可获得应变松弛的大小。薄膜残余
应变与梁尺寸变化如下式表示：
L0  L
 
L0
式中为残余应变；L0为悬臂梁原始长度；L为与基体分离后
悬臂梁的长度。
(2)微 桥
 CR
对于细长部件，当端点负载超过其临界值发生弯曲时，
Guckel等人提出测量局部应变场的装置。公式（4-25）为轴向
负载细梁Euler（欧拉）弯曲应变的表达式

 t
2 2
CR
film
1

3(2 RCR ) 2 G
式中：K为边界尺寸相关的常数；t为薄膜厚度；L为梁的长度。
微桥长度与弯曲应变的关系曲线
其本征应变值于—3.2×10-4和5.6×10-4之间。
图4.51微桥长度与Euler变曲应变关系
4.4.3.2 残余应力梯度
实际上薄膜淀积后还要经历许多道工艺，面内inplane）应力通常随薄膜厚度而变，该应力的改变形成
一个本征弯曲矢量M，其大小由下式给出：
M 
t 2
t 2
 x ( y ) ydy
式中：t为薄膜厚度；σx （y）为薄膜中心到y距离面
内应力的大小。图4.53给出了δ（χ）/χ与χ的关系
曲线。
图4.53 挠曲度δ（χ）与悬臂梁长度χ的关系
4.4.3.4负载响应特性
前面讨论了测量薄膜残余应力大小和均匀性的
方法，大量其他的薄膜机械性能如杨氏模量、泊
松比和屈服强度等对微构件特性也起着同样重要
的作用，这些性能对材料性质也十分敏感，必须
给予充分的注意。
用一负载可调节器的纳米压痕仪Nanoindenter）
来评价悬臂梁的机械特性
4.5键合技术
键合技术包括有阳极键合技术，硅/硅基片直接
键合，其他硅一硅间接键合技术等。阳极键合又
称静电键合或协助键合，具有键合温度较低，与
其他工艺相容性较好，键合强度及稳定性高，键
合设备简单等优点,因此,广泛应用于硅/硅基片之
间的键合、非硅材料与硅材料、以及玻璃、金属、
半导体、陶瓷之间的互相键合
4.5.1.1阳极键合机理
阳极静电键合的机理：在强大的静电力作用下，将
二被键合的表面紧压在一起；在一定温度下，通过氧
一硅化学价键合，将硅及淀积有玻璃的硅基片牢固地
键合在一起.
阳极键合质量控制的主要因素：在硅片上淀积玻璃
的种类，硅基片的准备，键合工艺和键合设备。
(1) 玻璃种类对键合质量的影响
(2) 高质量的硅基片准备工艺
(3) 控制阳极键合工艺参数保证键合质量
(4) 键合装置对键合质量的影响
4.5.1.3
极键合技术的应用
硅/硅阳极键合的许多实例是在微电子器件中
制造SOI（silicon on insulate）结构，此处
介绍一种具体工艺流程，如图4.61所示。
图4.61
阳极键合在SOI结构中的应用
（1）在第一块硅基片上用各向异性刻蚀技术刻出U型
沟槽，并作氧化处理。
（2）在上述氧化处理的表面上沉积100厚的多晶硅
（3）将多晶硅表面磨平，抛光后再氧化。或者在此
抛光的表面上溅射沉积0.5-20厚的Corning7740玻璃
层。
（4）选择合适的阳极键合工艺参数，将该基片与中
一硅基片进行阳极键合。
（5）对第一块硅片进行减薄，SOI结构基本完成，
可用作专用器件的制造。
4.5.2 硅/硅基片直接键合技术
硅/硅基片直接键合，又称硅的熔融键合。应用这种
键合技术必须符合两个要求：抛光的两个基片表面必
须紧密接触；两者界面处的硅原子能形成稳定的键。
4.5.2.1 硅/硅基片直接键合机理
抛光清洗后的硅基片表面，一般存在一层很薄的1
～6nm氧化物，以区别于热法生成的氧化物，该薄层氧
化物为本征氧化物（native oxide）。在实际结构应
用中，有的是硅/硅直接相键合，有的是硅/二氧化硅
直接键合，也有的是二氧化硅/二氧化硅键合。
4.5.2.2 硅-硅直接键合工艺及其质量控制
键合质量主要受键合界面处空洞存在的影响。因此
要控制工艺参数对界面空洞形成及清除
（1）键合前基片表面预处理工艺
（2）键合温度的控制
（3）键合强度
。
4.5.3
其他硅-硅间接键合工艺
硅-硅间接键合工艺还有多种，如有胶水、低温玻
璃、金硅（金锡）共晶及其他金属，用合金中间层
来达到键合目的。
4.5.3.1
金硅共晶键合
金硅共晶键合的基本机理：在超大规模集成电路
技术中硅芯片与基片的焊接经常使用金硅“焊锡”。
金膜的厚度对键合质量有一定的影响，若金膜太薄，
没有足够的共晶熔体覆盖整个键合界面，且冷却下
来后，该合金是硅加金二相共晶，不太可能实现
100%面积的键合。
而若金膜太厚，则成本高、内应力大，对硅-硅键合
的成本和质量也有影响，推荐的金膜厚度为100—
1000nm。
金膜共晶键合的缺点：是对空腔密封器件性能的长期
稳定性，以及硅带隙结构的破环，同时当硅被金污染
后，载流子的寿命急剧减小。
4.5.3.2其他间接键合工艺
研究较多的其他硅/硅间接键合工艺是采用具有低软
化温度的玻璃作为中间层。还有一种最简单的间接键
合工艺是利用各种胶水。
4.6其他微加工技术
其他微加工技术分为三类：超精密机械加
工；非切削加工及物种加工技术。
第四章思考题
•1.MEMS制造工艺有哪两类主要技术？叙述各类技术的
主要内容。
•2. 叙述硅刻蚀的湿法技术的主要工艺流程。各向同
性刻蚀的特点是什么？各向异性刻蚀的机理是什么？
•3．叙述硅刻蚀的干法技术主要工艺流程。
•4.什么是物理腐蚀技术及物理和化学腐蚀过程相结合
？
•5.简要叙述电化学自停止腐蚀技术。
•6.LIGA体微加工技术的组成部分是什么？及其主要工
艺流程。
7.什么是微电铸工艺？微电铸工艺的难点是什么？如
何解决？
8.什么是微复制工艺及其工作原理？
9.LIGA 的 变 化 技 术 有 哪 几 种 ？ 其 特 点 是 什 么 ？
10.MEMS制造工艺中表面微加工的机理和特点是什么？
11.二氧化硅在各种生长与淀积过程中，各有什么优缺
点。
12.氮化硅在LPCVD的淀积条件是什么？
13.为什么说键合技术是MEMS制造工艺中重要的组成部
分。
14.什么是阳极键合技术，其机理及阳极键合质量的影
响因素。
15.应用硅/硅基片直接键合技术的要求是什么？