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摘要:介绍微机械制造工艺的特点及关健技术,阐述微机械制造工艺的新技术及其发展趋势。
关键词: MEMS LIGA技术 准LIGA技术
中图分类号：TD404 文献标识码：A 文章编号：
一、微机械制造工艺及应用
1.微机械蚀刻技术
在集成电路制造中所使用的加工工艺只考虑到深度在大约10μm的硅片表面的范围,在微机械结构元件的加工中,要穿过整个硅片厚度进行硅的三维加工。根据使用的蚀刻剂的不同,可分为湿法蚀刻和干法蚀刻; 根据蚀刻特性的不同又可以分为各向同性蚀刻和各向异性蚀刻。当蚀刻剂为液体时所进行的蚀刻称为湿法蚀刻,而蚀刻剂为气体时则称为干法蚀刻。若蚀刻是在硅片的所有方向均匀蚀刻时,称为各向同性蚀刻,若蚀刻速度与单晶硅的晶向有密切关系,即不同晶向的蚀刻速度相差很大时,则称为各向异性蚀刻。在湿法蚀刻中,依据蚀刻剂的不同,既可进行各向同性蚀刻也可进行各向异性蚀刻。同样,在干法蚀刻时,依据蚀刻方法的不同,既可进行各向同性蚀刻,也可进行各向异性蚀刻。各向同性蚀刻时,从掩模窗口开始,腐蚀向各个方向进行,把掩模窗口下切削成半圆状,被称为“侧向蚀刻(side etch )”或“ 钻蚀(under cut)”。有时,可有意地利用这种现象进行准三维蚀刻,但它的深宽比不够。各向异性蚀刻时,由于单晶硅的原子结构的原因, 使得不同晶面具有不同的腐蚀速率, 对晶面(100)的硅衬底进行各向异性腐蚀时, 会在沿着(111)晶面上停蚀,(111)面与(110)面构成的角54.75°。利用这种蚀刻速率与结晶面的依存关系,可在硅衬底上加工出各种各样的结构来。目前国外用该成形方法已研制出阀片式微流量传感器。
2.硅表面微机械制造工艺
硅表面微机械制造工艺是微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种加工技术。一般来讲,微机械结构常用薄膜材料层来制作,常用的薄膜层材料有: 多晶硅、氮化硅、氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼硅酸玻璃(BPSG)和金属。为了制造复杂的微结构,这种薄膜层采用PVD或CVD方法在硅片上沉积, 并利用光刻工艺和化学或物理腐蚀工艺来进行结构制造。在这里,牺牲层起了非常重要的作用。牺牲层的作用就是在连续加工形成结构层的过程中使结构层与衬底隔开。牺牲层厚度一般为1一2μm , 但也可以更厚些。沉积后,牺牲层被腐蚀成所需形状。为了向结构层提供固定点,可腐蚀出完全穿透牺牲层的开口,这可以防止结构层在分离结束时位移。其次是沉积和腐蚀结构材料薄膜层,常选用多晶硅作为结构材料,结构层经过腐蚀后,除去牺牲层就可以得到分离的悬臂式结构层。牺牲层既可以用CVD方法来沉积,也可以通过掺杂或离子注人等方法来制造。使用掺杂方法来制造牺牲层, 既可以改变膜的电阻,也可以改变膜的腐蚀性。对于磷高掺杂多晶硅,可采用提高()与等离子比例的方法来腐蚀。大部分氧化硅都可用来制造牺牲层,多晶硅与氮化硅不同,它可用氢氟酸来腐蚀。例如图1 所示为一个制造简单的悬臂梁的工艺过程。图la 所示首先在硅衬底上沉积一层牺牲层; 图lb 所示再在牺牲层上部沉积一层结构层(横截面图);图lc所示按设计方案蚀刻结构层(俯视图); 图ld所示上述俯视图A一A剖视(横截面图);图le所示溶掉牺牲层(释放)后的顶视图; 图1f所示为图1e的A一A剖视(横截面图).
该例利用牺牲层技术形成了一个悬臂梁结构。悬臂梁与衬底之间的距离等于牺牲层厚度, 悬臂梁的固支端与其锚接部分固定。注意图le、f中,锚接固定部分也是牺牲层材料。为了在腐蚀牺牲层时,不会把这部分也腐蚀掉,特意选择了足够大的横向尺寸。
利用表面微机械制造工艺,可以制造悬式结构,如微型悬臂梁、悬臂、微型桥和微型腔等。还可以制造复杂的微结构:如静电驱动微电机和各种制动器。
3.LIGA 工艺
LIGA工艺(如图2 所示)是一种基于X射线光刻技术的三维微结构加工技术,主要包括X光深度同步辐射光刻,电铸成型和注塑成型三个工艺步骤。图2所示LIGA技术借鉴了平面IC工艺中的光刻手段,但是它对材料加工的深宽比远大于标准IC生产中的平面工艺和薄膜的亚微米光刻技术,并且加工的厚度也远大于平面工艺的典型值2μm；同时,它还可以实现对非硅材料的三维微细加工,用材也更為广泛。LIGA技术的产生及在微加工技术上的应用将推动MEMS技术更快地发展和更广泛的应用。
4.准LIGA技术
LIGA技术工艺步骤比较复杂,成本费用昂贵。为了避免使用价格昂贵的同步辐射光,可用近紫外线作为光刻时的替代光源,用一种类似于LIGA技术的工艺称为准LIGA技术,也能加工有较大深宽比的三维微结构。其工艺过程如下:
l)在硅衬底上用溅射法形成一层约230nm的钨化钦薄膜。钨化钦附着性好, 而且还可以作为光刻时的阻挡层。经过清洗处理, 再蒸镀上一层200nm左右的金, 作为预镀层。
2)接着,多次利用旋涂方法,得到约30μm的正性抗蚀层。
3)掩模与抗蚀层密切接触曝光,可得到陡峭的轮廓。
4)光源一般用高压汞灯。曝光后在碱性显影液中显影,水洗并小合烘干,可得到深宽比大于7的微结构。
5)对光刻后的微结构进行电镀,可得到三维金属微结构,可用湿式蚀刻法或反应性离子蚀刻除去预镀层的金和钨化钦。
利用LIGA和准LIGA工艺,可以加工制造各种三维金属微结构等:如微加速度传感器。但它们只局限于加工直壁结构的立体,而不能加工任意形状的三维立体。
5.传统制造工艺
在微机械制造技术中,除去前面介绍的腐蚀技术外,还有传统的微制造技术可用于微机械制造。如超精密机械制造、非切削加工及特种加工技术等。
l)超精密机械制造工艺
超精密机械制造是用硬度高于工件的工具,对工件材料进行切削加工。目前所用的工具有车刀、钻头、铣刀等,如采用钻石刀具微切削技术可加工直径Φ25 μm的轴,表面粗糙度值很低;采用微钻头可以加工直径为Φ2.5μm的孔;采用微细磨料加工可提高加工精度和工件表面的质量, 加工单位可达0.01μm,表面粗糙度Rao0.005μm。采用金属丝放电磨削加工可加工出外径Φ0.1mm的注射针头和口径Φ0.6mm的微细喷嘴。
2) 特种加工工艺
(l)激光束加工。激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面。光能被吸收瞬时转化为热能。根据能量密度的高低,可以实现打小孔、微
孔、精密切削、加工精微防伪标记、激光微调、动平衡、打字、焊接和表面热处理。
(2)用隧道显微镜进行微细加工。该加工方法是将扫描隧道显微镜技术用于分子级加工,其原理是基于量子力学中的隧道效应。采用尖端极细(直径为纳米级) 的金属探针作为电极,在真空中用压电陶瓷等微位移机构控制针尖和工件表面保持1~10μm的距离,并在探针和工件间加上较低的电压,则在针尖和工件微观表面间,本来是绝缘的势垒,由于量子力学中粒子的波动和电场的畸变,就会产生近场穿透的“隧道”电流,同时使探针相对于工件样品表面作微位移扫描,就可以观察物质表面单个原子或分子的排列状态和电子在表面的行为,获得单个原子在表面排列的信息。适当提高并控制电压就可在针尖对应的工件表面微小区域中产生纳米级的结构变化。
(3)微细电火花加工。微细电火花加工是在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时、局部高温来溶化和汽化蚀除金属,加工过程中
工具与工件间没有宏观的切削力,只要控制精微的单个脉冲放电能量,配合精密微量进给就可以实现极微细的金属材料的去除加工,可加工微细的轴、孔、窄缝、
平面、空间曲面等。
二、微机械制造工艺的发展趋势
1.继续保持常规集成电路工艺和硅微机械加工的独特技术的结合, 充分利用集成电路制作的现有设备和技术。
2.微机械蚀刻工艺、表面微机械加工工艺、准LIGA加工工艺、键合技术、三维光成形工艺和隧道显微镜加工工艺等几种技术在其发展过程中更加紧密地融合在一起,可以制作更复杂的MEMS产品。
参考文献
1 荒井英辅.集成电路A[M].北京:科学出版社,2001
2 王琪民.微型机械导论[M]合肥:中国科学技术大学出版社, 2003
关键词: MEMS LIGA技术 准LIGA技术
中图分类号：TD404 文献标识码：A 文章编号：
一、微机械制造工艺及应用
1.微机械蚀刻技术
在集成电路制造中所使用的加工工艺只考虑到深度在大约10μm的硅片表面的范围,在微机械结构元件的加工中,要穿过整个硅片厚度进行硅的三维加工。根据使用的蚀刻剂的不同,可分为湿法蚀刻和干法蚀刻; 根据蚀刻特性的不同又可以分为各向同性蚀刻和各向异性蚀刻。当蚀刻剂为液体时所进行的蚀刻称为湿法蚀刻,而蚀刻剂为气体时则称为干法蚀刻。若蚀刻是在硅片的所有方向均匀蚀刻时,称为各向同性蚀刻,若蚀刻速度与单晶硅的晶向有密切关系,即不同晶向的蚀刻速度相差很大时,则称为各向异性蚀刻。在湿法蚀刻中,依据蚀刻剂的不同,既可进行各向同性蚀刻也可进行各向异性蚀刻。同样,在干法蚀刻时,依据蚀刻方法的不同,既可进行各向同性蚀刻,也可进行各向异性蚀刻。各向同性蚀刻时,从掩模窗口开始,腐蚀向各个方向进行,把掩模窗口下切削成半圆状,被称为“侧向蚀刻(side etch )”或“ 钻蚀(under cut)”。有时,可有意地利用这种现象进行准三维蚀刻,但它的深宽比不够。各向异性蚀刻时,由于单晶硅的原子结构的原因, 使得不同晶面具有不同的腐蚀速率, 对晶面(100)的硅衬底进行各向异性腐蚀时, 会在沿着(111)晶面上停蚀,(111)面与(110)面构成的角54.75°。利用这种蚀刻速率与结晶面的依存关系,可在硅衬底上加工出各种各样的结构来。目前国外用该成形方法已研制出阀片式微流量传感器。
2.硅表面微机械制造工艺
硅表面微机械制造工艺是微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种加工技术。一般来讲,微机械结构常用薄膜材料层来制作,常用的薄膜层材料有: 多晶硅、氮化硅、氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼硅酸玻璃(BPSG)和金属。为了制造复杂的微结构,这种薄膜层采用PVD或CVD方法在硅片上沉积, 并利用光刻工艺和化学或物理腐蚀工艺来进行结构制造。在这里,牺牲层起了非常重要的作用。牺牲层的作用就是在连续加工形成结构层的过程中使结构层与衬底隔开。牺牲层厚度一般为1一2μm , 但也可以更厚些。沉积后,牺牲层被腐蚀成所需形状。为了向结构层提供固定点,可腐蚀出完全穿透牺牲层的开口,这可以防止结构层在分离结束时位移。其次是沉积和腐蚀结构材料薄膜层,常选用多晶硅作为结构材料,结构层经过腐蚀后,除去牺牲层就可以得到分离的悬臂式结构层。牺牲层既可以用CVD方法来沉积,也可以通过掺杂或离子注人等方法来制造。使用掺杂方法来制造牺牲层, 既可以改变膜的电阻,也可以改变膜的腐蚀性。对于磷高掺杂多晶硅,可采用提高()与等离子比例的方法来腐蚀。大部分氧化硅都可用来制造牺牲层,多晶硅与氮化硅不同,它可用氢氟酸来腐蚀。例如图1 所示为一个制造简单的悬臂梁的工艺过程。图la 所示首先在硅衬底上沉积一层牺牲层; 图lb 所示再在牺牲层上部沉积一层结构层(横截面图);图lc所示按设计方案蚀刻结构层(俯视图); 图ld所示上述俯视图A一A剖视(横截面图);图le所示溶掉牺牲层(释放)后的顶视图; 图1f所示为图1e的A一A剖视(横截面图).
该例利用牺牲层技术形成了一个悬臂梁结构。悬臂梁与衬底之间的距离等于牺牲层厚度, 悬臂梁的固支端与其锚接部分固定。注意图le、f中,锚接固定部分也是牺牲层材料。为了在腐蚀牺牲层时,不会把这部分也腐蚀掉,特意选择了足够大的横向尺寸。
利用表面微机械制造工艺,可以制造悬式结构,如微型悬臂梁、悬臂、微型桥和微型腔等。还可以制造复杂的微结构:如静电驱动微电机和各种制动器。
3.LIGA 工艺
LIGA工艺(如图2 所示)是一种基于X射线光刻技术的三维微结构加工技术,主要包括X光深度同步辐射光刻,电铸成型和注塑成型三个工艺步骤。图2所示LIGA技术借鉴了平面IC工艺中的光刻手段,但是它对材料加工的深宽比远大于标准IC生产中的平面工艺和薄膜的亚微米光刻技术,并且加工的厚度也远大于平面工艺的典型值2μm；同时,它还可以实现对非硅材料的三维微细加工,用材也更為广泛。LIGA技术的产生及在微加工技术上的应用将推动MEMS技术更快地发展和更广泛的应用。
4.准LIGA技术
LIGA技术工艺步骤比较复杂,成本费用昂贵。为了避免使用价格昂贵的同步辐射光,可用近紫外线作为光刻时的替代光源,用一种类似于LIGA技术的工艺称为准LIGA技术,也能加工有较大深宽比的三维微结构。其工艺过程如下:
l)在硅衬底上用溅射法形成一层约230nm的钨化钦薄膜。钨化钦附着性好, 而且还可以作为光刻时的阻挡层。经过清洗处理, 再蒸镀上一层200nm左右的金, 作为预镀层。
2)接着,多次利用旋涂方法,得到约30μm的正性抗蚀层。
3)掩模与抗蚀层密切接触曝光,可得到陡峭的轮廓。
4)光源一般用高压汞灯。曝光后在碱性显影液中显影,水洗并小合烘干,可得到深宽比大于7的微结构。
5)对光刻后的微结构进行电镀,可得到三维金属微结构,可用湿式蚀刻法或反应性离子蚀刻除去预镀层的金和钨化钦。
利用LIGA和准LIGA工艺,可以加工制造各种三维金属微结构等:如微加速度传感器。但它们只局限于加工直壁结构的立体,而不能加工任意形状的三维立体。
5.传统制造工艺
在微机械制造技术中,除去前面介绍的腐蚀技术外,还有传统的微制造技术可用于微机械制造。如超精密机械制造、非切削加工及特种加工技术等。
l)超精密机械制造工艺
超精密机械制造是用硬度高于工件的工具,对工件材料进行切削加工。目前所用的工具有车刀、钻头、铣刀等,如采用钻石刀具微切削技术可加工直径Φ25 μm的轴,表面粗糙度值很低;采用微钻头可以加工直径为Φ2.5μm的孔;采用微细磨料加工可提高加工精度和工件表面的质量, 加工单位可达0.01μm,表面粗糙度Rao0.005μm。采用金属丝放电磨削加工可加工出外径Φ0.1mm的注射针头和口径Φ0.6mm的微细喷嘴。
2) 特种加工工艺
(l)激光束加工。激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面。光能被吸收瞬时转化为热能。根据能量密度的高低,可以实现打小孔、微
孔、精密切削、加工精微防伪标记、激光微调、动平衡、打字、焊接和表面热处理。
(2)用隧道显微镜进行微细加工。该加工方法是将扫描隧道显微镜技术用于分子级加工,其原理是基于量子力学中的隧道效应。采用尖端极细(直径为纳米级) 的金属探针作为电极,在真空中用压电陶瓷等微位移机构控制针尖和工件表面保持1~10μm的距离,并在探针和工件间加上较低的电压,则在针尖和工件微观表面间,本来是绝缘的势垒,由于量子力学中粒子的波动和电场的畸变,就会产生近场穿透的“隧道”电流,同时使探针相对于工件样品表面作微位移扫描,就可以观察物质表面单个原子或分子的排列状态和电子在表面的行为,获得单个原子在表面排列的信息。适当提高并控制电压就可在针尖对应的工件表面微小区域中产生纳米级的结构变化。
(3)微细电火花加工。微细电火花加工是在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时、局部高温来溶化和汽化蚀除金属,加工过程中
工具与工件间没有宏观的切削力,只要控制精微的单个脉冲放电能量,配合精密微量进给就可以实现极微细的金属材料的去除加工,可加工微细的轴、孔、窄缝、
平面、空间曲面等。
二、微机械制造工艺的发展趋势
1.继续保持常规集成电路工艺和硅微机械加工的独特技术的结合, 充分利用集成电路制作的现有设备和技术。
2.微机械蚀刻工艺、表面微机械加工工艺、准LIGA加工工艺、键合技术、三维光成形工艺和隧道显微镜加工工艺等几种技术在其发展过程中更加紧密地融合在一起,可以制作更复杂的MEMS产品。
参考文献
1 荒井英辅.集成电路A[M].北京:科学出版社,2001
2 王琪民.微型机械导论[M]合肥:中国科学技术大学出版社, 2003