微/纳米级微电子机械系统制造新技术

　　1引言

　　近几年来，MEMS技术的迅速发展，各种与系统研制相关的技术引起了业界的广泛关注。MEMS的主要特征是尺度微小及精度要求很高，目前正在研发的器件尺寸已缩减到纳米量级，由此带来了一系列的微尺寸效应。实验表明，当特征尺寸达微米级时，将产生尺度效应、表面效应、电磁场效应和封装效应等。其中尺度效应和表面效应对微型机构的影响最为显著，如结构元器件之间作用力弱化、器件材料强度加大、高集成度导致工序增加等，这些都是有别于宏观机械材料选择、设计理论推导、制造与测试手段和方法更新等制造MEMS的诸多方面。

　　尽管IMEMS中的微电子器件与IC的制作可以最大程度地借鉴目前CMOSIC制造的主流技术，如版图设计、刻蚀工艺和薄膜工艺等，甚至对于集成硅压力传感器、温度传感器之类的微机械器件可以直接采用与标准IC工艺兼容的技术制作。但微机械器件、微结构除了与微电子工艺有关外，一般还与外界物理量相互作用，且在构造上往往为三维体型结构。所以制造MEMS须在采用成熟的IC工艺基础上，扩展一些针对微/纳米级构件、器件或装置的专用微机械制造技术，包括表面微细加工、体型加工、构件间相互组装和键合及封装等新技术。基于此，本文将具体讨论微机械制造新技术及其应用问题。

　　2微机械制造中的主流技术

　　由于硅及其化合物不仅具有良好的物理、电学特性，还具有优异的机械性能，例如硅晶体材料易于生长，纯度高，有较高的强度/密度比和刚度/密度比，硅材料制造工艺与ic工艺有良好的兼容性，便于微型化、集成化及形成微机械结构。用硅或其化合物制造微传感器，可达到迟滞和蠕变极小以及重复性、稳定性和可靠性较高等优良性能，而这些优良性能都是传统传感器难以达到的。故半导体硅及其化合物已经成为制造IMEMS器件及其装置的首选材料，尤其硅基微机械加工技术已成为MEMS制造中的主流技术。

　　2.1表面微细加工技术

　　表面微细加工技术指制造微小尺寸零件、构件、部件、薄膜图形以至整个装置和系统的方法。实现方法较多，或从传统精密加工改进发展（如金刚石车床、微型钻床、微型磨床等加工技术），或从特种加工技术衍生开发（如激光加工、离子束加工等），但更多的是基于半导体制造技术。

　　2.1.1薄膜生成技术

　　在微机电器件的制作中，常采用蒸镀和淀积方法，在硅衬底的表面上制作各种薄膜，并和硅衬底构成一个复合的整体，根据需要制成许多种薄膜图案。这些薄膜有多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、合金膜及金刚石膜等。它们有的作为敏感膜，有的作为介质膜起绝缘作用，有的作为衬垫层起尺寸控制作用，有的起耐腐蚀、耐磨损作用。

　　物理气相淀积和化学气相淀积是衬底材料上制作薄膜的两种常用的工艺技术。前者利用蒸镀和溅射法，使另一种物质在衬底材料表面上成膜，而后者使气体与衬底材料本身在加热表面上进行化学反应，生成另一种物质在表面上成膜。

　　(1)物理气相淀积技术物理气相淀积技术包括真空蒸镀法和溅射法。真空蒸镀法制作薄膜有几十年的历史，技术上已十分成熟，在微机械电子系统中，可以用蒸发铝和金来制作电极或直接在敏感半导体技术第30卷第8期元件上制作薄膜。这种方法虽有设备简单、成膜速度快的优点，但形成的薄膜强度低，难以制造金属膜和化合物膜。

　　目前应用较多的是溅射成膜的方法，该法又分为直流溅射和射频溅射。直流溅射的主要缺点是只能溅射合金薄膜，而不能溅射介质膜（如MgO，Al2O3，8丨02等），因此在应用上具有局限性。而射频溅射则较好地克服了直流溅射的缺点，可用于制造金属膜、介质膜、压阻膜、压电膜及半导体膜等。射频溅射的原理如图1所示，溅射采用5_30丽z的射频频率、1_2kV的高电压通过匹配器和耦合电容加到阴极与阳极之间，由于离子的质量远大于电子的质量，所以离子的迁移率远小于电子的迁移率[5]。在上半周（阴极为正，阳极为负），电子迅速到达靶面；在下半周，因离子运动速度慢，阴极表面所带的负电荷不会很快被中和，使靶面上负电荷积累成一个自建电场E，从而使正离子加速，并以较大能量轰击靶面，形成靶材原子的溅射淀积而成膜。为了提高溅射薄膜的均匀性和溅射速率，常在此装置上再附加一个磁场，称为磁控溅射装置，即在阴极附近安装一定的磁体，形成磁场。由于洛仑兹力的作用，电子在靶附近做反复的螺旋运动，增加了与气体分子的碰撞机率，使气体分子加速电离，产生正离子，正离子不断轰击靶面产生溅射原子，淀积成薄膜。其显著的优点是溅射速率比普通的两极溅射装置的速率能提高几倍乃至几十倍，而且形成的薄膜针孔少，结合力较强。

　　(2)化学气相淀积（CVD)技术化学气相淀积法就是利用高温条件下的化学反应（分解、还原、氧化及置换）生成薄膜。主要生成反应过程为：使含有待淀积材料的化合物（如卤化物、硼化物、氢化物及碳氢化合物等）升华为气体，与另一种气体(如h2，八〖或\等）或化合物在一个高温反应室中进行反应，生成固态的淀积物质，使之淀积在加热至高温的衬底上，生成薄膜。反应生成的副产品气体，由表面脱离，扩散逸出。这种方法可制造出多种用途的微机电器件薄膜，如介质膜、半导体膜等。

　　化学气相淀积有3种方法：即常压化学气相淀积（NPCVD)、低压化学气相淀积（LPCVD)及等离子强化化学气相淀积（PECVD)。常压和低压CVD利用衬底表面的反应生成薄膜，尤其是常压化学气相淀积工艺比较成熟，被广泛应用，但成膜厚度的均匀性不够理想，低压化学气相淀积对此作了改进，并通过优选衬底与衬底的间隔、气体压强及流量等的成膜条件，使膜厚的分布均匀性明显地得到改善。但两者反应温度均须达到500_1200°C。为了使反应能在较低的温度下进行，又开发了等离子体CVD，其原理是利用等离子体的活性促进较低温(350—400C)下化学反应。相对于化学气相淀积工艺，等离子CVD的工艺设备仅增加了产生等离子区的装置。图2是一台立式等离子CVD工艺装置示意图。在平板电极上加射频电压，在一定的真空度下产生辉光放电。于是反应室内气体将被电离而等离子化，反应气体在低压(103~10-2Pa)反应室兼作气体电离、热效应及光化学反应等复杂的等离子过程，生成待淀积物质的单质或化合物，淀积在衬底上生成薄膜。如用NPCVD和LPCVD法生成Si3N4膜的反应温度高达l000C，而用PECVD法制作只需400C左右。

　　(3)外延工艺这种工艺过程是以硅单晶片本身为衬底，以含硅化合物如硅烷（SiH4)或四氯化硅(SiCl4)等分解或用氢气还原，生成单质硅淀积在硅衬底上。淀积过程在外延反应炉中进行，在衬底的结晶性质影响下形成单晶硅膜。因此本质上它也是一种化学气相淀积工艺。

　　2.1.2表面牺牲层技术

　　所谓“表面牺牲层”技术，即在形成微机械结构的空腔或可活动的微结构过程中，先在下层薄膜上用结构材料淀积所需的各种特殊结构件，再用化学刻蚀剂将此层薄膜腐蚀掉，但不损伤微结构件，然后得到上层薄膜结构（空腔或微结构件）。由于被去掉的下层薄膜只起分离层作用，故称其为牺牲层（sacrificial1ayer,厚度约12wm)。常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻胶。利用牺牲层可制造出多种活动的微结构，如微型桥、悬臂梁及悬臂块等，此外常被用来制作敏感元件和执行元件，如谐振式微型压力传感器、谐振式微型陀螺、微型加速度计及微型马达、各种制动器等。

　　2.2体微细加工技术

　　硅基体微细加工一般采用腐蚀(刻蚀）的方法，即通过腐蚀对材料的某些部分有选择地去除，使被加工对象显露出一定的几何结构特征。腐蚀方法分化学腐蚀和离子刻蚀，前者用化学腐蚀液，故称为湿法腐蚀；后者采用惰性气体，故称作干法刻蚀。

    2.2.1化学腐蚀

　　相对于干法刻蚀，湿法操作简便，并可较好地控制结构轮廓，是最早用于微机械结构制造的加工方法。湿法腐蚀过程主要是氧化减薄和反应物的溶解，反应中需要考虑边缘轮廓、厚度尺寸和表面质量的控制，还须考虑掩膜材料的选择以及腐蚀液的毒性和污染等问题。

　　(1) 各向同性腐蚀技术湿法各向同性腐蚀普遍采用氧化剂硝酸(HN03)、去除剂氢氟酸(HF)及稀释剂水(H20)或乙酸(CH3C00H)混合成的腐蚀剂，通常称之为hf-hno3腐蚀系统。hno3在化学反应过程中会使硅表面产生空穴，从而使腐蚀得以进行，故控制硅表面的空穴就可以控制腐蚀特性，通过腐蚀最终完成以下的工艺过程①清洁或修复硅表面；②形成单晶硅平膜片；③形成单晶硅或多晶硅薄膜上的图案或微几何结构（腔和槽等）。

　　(2) 各向异性腐蚀技术各向异性腐蚀是体微机械加工的关键技术，常用的的腐蚀液主要有EPW和K0H等。在任何pH值大于12的强碱溶液中，硅的腐蚀过程均具有三个特点，即腐蚀速率和晶向、掺杂浓度及外加电位有关。例如，用氢氧化钾的水溶液在85C腐蚀硅，其对（100)晶面的腐蚀速率为（111)晶面的400倍，而掺硼浓度高于7X1019cm-3的硅，其腐蚀速率降至普通掺硼浓度硅的1/5。此外各向异性腐蚀速率还受腐蚀液种类及其成分配比、掺杂浓度及温度等因素的影响。

　　(3)腐蚀掩模和刻蚀停止技术腐蚀掩模(etchmask)指用Si02，Si3N4，Cr和Au等材料制作的薄膜、掩模做成所需图形，由于腐蚀剂对这些材料的腐蚀速率非常低(低于0.2nm/min)，因此被掩模覆盖的部分不会被腐蚀掉，无掩模的区域就按各向异性腐蚀掉，从而形成所需结构。腐蚀停止技术有P+腐蚀停止，它利用高掺硼浓度（高于7X1019cm-3)硅腐蚀速率远低于普通掺杂浓度硅的特点，使腐蚀停止。还有一种pn结停止腐蚀技术，将有pn结的被腐蚀硅片放入K0H或EDP溶液中，当pn结加上反偏压，n区半导体与集电极也加上反偏压时，溶液将对p型硅进行电化学腐蚀，并当在pn结界面的n侧表面形成氧化层时使腐蚀停止。总之，将各向异性腐蚀与腐蚀掩模、腐蚀停止技术相结合，可制作各种微机械结构。

　　2.2.2离子刻蚀

　　湿法化学腐蚀得到的微机械结构的厚度可达整个硅片的厚度，具有较高的机械灵敏度，但对高精度图形，特别是侧面垂直度要求严格者，存在难以准确控制横向尺寸精度及器件尺寸大等缺点，因此难以达到预期效果。而采用反应离子、等离子体刻蚀等干法刻蚀，则可实现较高的刻蚀精度，并使微机械加工所得到的外形不受基片的晶向控制，尤其利用高密度等离子体刻蚀设备进行干法刻蚀还可得到比较理想的高深宽比的硅槽。

　　离子刻蚀实际上是一种以化学反应为主的刻蚀工艺，它利用气体的离子体生成物或溅射进行刻蚀，刻蚀步骤见图3。图4为反应离子刻蚀装置原理图，被刻蚀试件放在阴极板上，射频（RF)电源作为阴极电源，使充入的惰性气体离子化。刻蚀过程中既有离子轰击效应(作用是促进化学反应进行)，又有活性游离基与被刻蚀试件的化学反应，因此可达较高的刻蚀速率，并得到较垂直的侧面轮廓。

    2.2.3几种刻蚀方法之比较

　　现将上述介绍的几种刻蚀方法进行比较，如表1所示。

　　2.3LIGA技术

　　LIGA是德文Lithographie(光亥)、Galvanoformung(电铸）、Abformung(注塑）三个词的缩写。LIGA技术是一种基于X射线光刻技术的3维微结构制造工艺，主要包括：深刻蚀X射线光刻、电铸及注塑复制三道工序，如图5所示

　　造技术无法制出的结构精细、表面光滑、高深宽比的微结构。

　　2.4准分子激光刻蚀技术

　　准分子激光刻蚀法制作高深宽比聚合物材料微机械结构是近几年国际上出现的一项新技术[1°,11]。用该技术制作的微结构具有深宽比大，精度高及边缘整齐等优点，并具有制作上的灵活性，例如可在聚合物上直接刻蚀（不需显影），工艺简化，效率高，成本低，适于大批量生产。这项技术有以下的显著优点：①所制作的微结构垂直高度从几百微米到几毫米；②具有掩模制作简单、工艺简捷和成本低等优点；③可防止化学腐蚀的浸润影响，保证结构边缘良好的陡直性。

　　2.5直接键合技术

　　在硅传感器等的研制和生产上，硅固相键合是一项倍受重视的技术。键合有高温加压的热键合，它在温度约300C下，通过在玻璃侧加数百伏负电压将硅片与玻璃键合在一起。新近发展起来的硅直接键合技术[12]，是将两片或几片硅片在大约1000C高温下，在氧或氮氛围中直接结合到一起。图6是硅/硅直接键合原理图，先将欲键合的一对硅片进行表面处理和清洗，再把清洗好的硅片置入图示装置中，腐蚀前必须适当调整Ar气源对硅表面的工作电压、等离子电流、Ar离子束的入射角，经Ar腐蚀激活后的这一对硅片表面外加约1MPa压力，即可在室温条件下实现牢固的Si/Si直接键合。硅直接键合技术的优点是方法简便、不需要外加电场或加压，也无中间层；释放层容易去掉，器件厚度至少比表面微细加工时大一个数量级，三维结构设计较单独用体微细技术容易得多，且该法的热稳定性和机械应力也很好。因此，在应用时常将它与体微细加工工艺相结合。

　　2.6三维表面光刻抗蚀剂喷涂技术

　　通过化学腐蚀和干法等离子刻蚀等工艺，产生不同斜率的图形侧壁凹槽。同时，由于MEMS器件不断增长的集成度要求，势必要求平面结构向三维器件转移。因此对光刻工艺的抗蚀剂表面涂覆均匀性方面提出了一些新要求。传统旋涂技术用于三维结构时，由于沟槽和凹槽的出现，抗蚀剂的涂覆不均匀，它甚至妨碍了旋转片子上抗蚀剂的分离。片子旋转引起的离心力与重力一起驱使抗蚀剂流向边缘。当抗蚀剂被曝光时，在片子不同位置的抗蚀剂厚度不同，抗蚀剂吸收能量也不均匀，导致关键尺寸均匀性降低。为此，近年来推出了一些涂胶新技术。例如通过一种产生微滴烟雾剂的超声喷嘴式直接喷涂分配系统在高度三维结构化的芯片上作均匀抗蚀剂喷涂沉积的工艺。由于采用喷涂均分技术，抗蚀剂呈雾状微滴形状。与抗蚀剂旋涂技术相比，这项技术有效地减少了片子上抗蚀剂流动力影响。微滴停留之处抗蚀剂便沉积，有助于抗蚀剂在三维结构的芯片上均匀分布，这为MEMS新颖的互连结构以及封装用途提供了一种优异的形貌作图能力。

　　3几种微制造技术的比较

　　由于以上各种微加工技术各有其优缺点，且需要制造的微机电系统形式、功能和应用场合各不相同，因此需要在具体的生产实践中对它们进行分析、比较，以期最佳地选择加工技术。表2对几种微加工技术作了简要的比较。

　　4微制造技术在MEMS产品中的应用前景

　　•近年来IMEMS及其相关制造技术的发展极其迅速，它是机电领域研究热点之一。MEMS产品结构（二维发展到三维）日趋复杂，功能增强。从市场行情看，由微机械制造工技术制造的器件和系统的需求量呈上升趋势；从制造技术发展趋势看，硅的微细加工仍将是主流技术。

　　•利用表面微细加工、体微细加工等技术对硅材料进行加工，形成硅基微机械器件，与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，并适于批量年产，这己经发展为微机械电子系统的主流技术。此外利用LIGA技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，得到高深宽比的精细结构，其加工深度可达几百微米，因此LIGA也是一种比较重要的MEMS加工技术。利用LIGA技术已经研发并制造出微齿轮、微马达、微加速度计和微射流计等。

　　•根据美国MCNC(北卡罗来纳微电子中心）MEMS技术应用中心预测，当前MEMS业界的年增长率是10%_20%，尤其是在在汽车和信息产业方面，预计2005年IMEMS世界市场将形成产量1亿2千万件、价值380_430亿美元的规模。从长远发展看，本文所介绍的微机械制造技术将在以微传感器、微执行器、微结构器件为主的MEMS产品开发、生产中发挥主导作用。我国在微机械制造技术方面的研究正处于起步阶段，故应在现有的基础上加大对微机械制造技术的研发力度，积极采取发展高端微机械制造技术的策略，以提升我国MEMS产品的制造水平。