MEMSMEMS 的的制造技术制造技术主要包括两类技术：主要包括两类技术：体微加工体微加工和和表面微加工表面微加工。这两类加工技术的基本材料都用硅，而。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。加工工艺的基础都是集成电路制造技术。 1.1. 表面微加工技术，来自金属膜的概念。在硅腐蚀的表面微加工技术，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。 成不同形状的层状微结构。 2. 2. LIGALIGA 技术技术 3.3. 键合工艺，按界面材料的性质，可分为两大类：键合工艺，按界面材料的性质，可分为两大类：（（ 11 ）硅）硅 // 硅基片的直接键合工艺；（硅基片的直接键合工艺；（ 22 ）硅）硅 // 硅基片硅基片的间接键合的间接键合

第四章 第四章 MEMSMEMS的的制造技术制造技术

4.1. 4.1. 体微加工体微加工 硅的体微加工技术包含硅的湿法和干法技术，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、硅刻蚀自终止技术、 LIGALIGA 技术、以及技术、以及 DEMDEM 技术。技术。 4.1.1. 4.1.1. 湿法刻蚀技术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-HNOHF-HNO33 和和 HH22OO （或（或 CHCH33COOH COOH 乙酸）乙酸）硅表面的阳极反应为硅表面的阳极反应为 SSii+2h+2h++ S Sii

2+2+ h h++ 表示空穴，即表示空穴，即 SSii 得到空穴后升至较高的氧化态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：腐蚀液中的水解离发生下述反应： HH22O=(OH)O=(OH)--+H+H++ ；； SSii

++ 与与 (OH)(OH)-- 结合为：结合为： SiSi22+2(OH)+2(OH)- - Si(OH)Si(OH)22 接着接着 Si(OH)Si(OH)22 放出放出 HH22 并形成并形成 SiOSiO22 ，，即即Si(OH)Si(OH)2 2 SiOSiO22+ H+ H22

SiOSiO22+6HF H+6HF H

22SiFSiF66+2 H+2 H

22OO

HF-HNOHF-HNO33(( 氢氟酸氢氟酸 -- 硝酸硝酸 )) 腐蚀系统（各向同性腐腐蚀系统（各向同性腐

蚀）蚀）

KOHKOH 、、 HH22OO 和（和（ CHCH33 ）） 22CHOHCHOH （异丙醇，即（异丙醇，即 IPAIPA ））

首先将硅氧化成含水的硅化合物首先将硅氧化成含水的硅化合物 KOH+ HKOH+ H

22O=KO=K+++2OH+2OH--+H+H++

Si+2OHSi+2OH--+4 H+4 H22O Si(OH)O Si(OH)2-2-

然后与异丙醇反应，形成可溶解的硅然后与异丙醇反应，形成可溶解的硅

络合物不断离开硅的表面络合物不断离开硅的表面

KOHKOH 、、 EDPEDP 腐蚀系统（各向异性腐蚀）腐蚀系统（各向异性腐蚀）

226 3 2 3 7 6 2( ) 6( ) [ ( ) ] 6i iS OH CH CHOH S OC H H O

硅无论是在硅无论是在 HF-HNOHF-HNO33 腐蚀系统中，还是在腐蚀系统中，还是在 KOHKOH

腐蚀系统中，其腐蚀过程既可受反应速率限制，也腐蚀系统中，其腐蚀过程既可受反应速率限制，也可受扩散限制可受扩散限制 . . 如果腐蚀取决于化学反应速率，这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移到硅片表面的则称为扩散限制扩散限制。与反应速率限制。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度变化较为敏感 .. 如果在腐蚀过程中腐蚀条件发生变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 。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。则称为各向异性腐蚀。在一定的条件下腐蚀具有一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。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硅各向同性腐蚀最常用的腐蚀液为 HF-HNOHF-HNO

33 加水加水或者乙酸系统或者乙酸系统 (( 通常称为通常称为 HNAHNA 系统系统 )) ，其腐蚀机理：，其腐蚀机理：

硝酸硅发生氧化反应生成二氧化硅，然后由硝酸硅发生氧化反应生成二氧化硅，然后由 HFHF将二氧化硅溶解将二氧化硅溶解Si+HNOSi+HNO

33+HF=H+HF=H22SiFSiF

66+HNO+HNO22+H+H

22O+HO+H2 2

水和乙酸（水和乙酸（ CHCH33COOHCOOH ）通常作为稀释剂，在）通常作为稀释剂，在 HNOHNO

33 溶液中，溶液中， HNOHNO33 几乎全部电离，因此几乎全部电离，因此 HH++ 浓度较高，浓度较高，

而而 CHCH33COOHCOOH 是弱酸，电离度较小，它的电离反应是弱酸，电离度较小，它的电离反应

为为 CHCH

33COOH=CHCOOH=CH33COOCOO--+H+H++

图图 4.24.2 表面取向对腐蚀速率的影响与温度的关系表面取向对腐蚀速率的影响与温度的关系

图图 4.3 4.3 腐蚀速率与温度的关系（高腐蚀速率与温度的关系（高 HFHF 区，无稀释）区，无稀释）自下而上每族曲线对应的配比为：自下而上每族曲线对应的配比为： 95%HF+5% HNO95%HF+5% HNO33 ， ， 90%HF+10% HNO90%HF+10% HNO33 ，， 85%HF+15 HNO85%HF+15 HNO33

图图 4.4 4.4 腐蚀速率与温度的关系（腐蚀速率与温度的关系（ HH22OO 稀稀释）释） 65%HF+20% HNO65%HF+20% HNO33+15%H+15%H22OO ，， 20%HF+60% HNH20%HF+60% HNH33+20%H+20%H22OO

图图 4.54.5 腐蚀速率与成分的关系 腐蚀速率与成分的关系

下图给出分别用下图给出分别用 HH22OO 和和 CHCH33COOHCOOH 作为稀释剂的作为稀释剂的 HF+ HF+ HNOHNO33 ，，系统腐蚀硅的等腐蚀线（常用的浓酸的重量百分系统腐蚀硅的等腐蚀线（常用的浓酸的重量百分比是比是 49.2%HF49.2%HF 和和 69.5% HNO69.5% HNO33 ）。）。

HH22OO 和和 CHCH33COOHCOOH 作为稀释剂的功能相似，共同特点：作为稀释剂的功能相似，共同特点：（（ 11 ）在低）在低 HNOHNO33 及高及高 HFHF浓度区（见图浓度区（见图 4.64.6 的顶角的顶角区），等腐蚀曲线平行于等区），等腐蚀曲线平行于等 HNOHNO33浓度线，由于该区浓度线，由于该区有过量的有过量的 HFHF 可溶解反应产物可溶解反应产物 SiOSiO22 ，所以腐蚀速率受，所以腐蚀速率受HNOHNO33 的浓度所控制。 的浓度所控制。 （（ 22 ）在低）在低 HFHF 高高 HNOHNO33 区（见图区（见图 4.64.6 的右下角），等的右下角），等腐蚀线平行于腐蚀线平行于 HFHF浓度线。浓度线。（（ 33 ）当）当 HFHFHNOHNO33=1=111 ，稀释液浓度百分比小于，稀释液浓度百分比小于 10%10%时，随稀释液的增加对腐蚀速率影响较大草原稀释液时，随稀释液的增加对腐蚀速率影响较大草原稀释液从从 10%10%30%30% ，腐蚀速率随秋耕释液的增加呈减小；，腐蚀速率随秋耕释液的增加呈减小；稀释液大于稀释液大于 30%30% 后，稀释的微小变化会引起腐蚀速率后，稀释的微小变化会引起腐蚀速率的很大变化。 的很大变化。

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 4001

4.1.3 4.1.3 硅体的各向异性刻硅体的各向异性刻蚀蚀

图图 4.7 4.7 硅单晶片各向异性腐蚀示意硅单晶片各向异性腐蚀示意图图

一般需要刻蚀制作薄膜时，掩膜开的窗口必须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比膜的尺寸大，其倾斜的角度由几何计算得到为为 54.754.7OO ，而斜坡所占的面积也可计算得到。，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多晶硅所需刻蚀的深度为 OO 时，单边斜坡所占时，单边斜坡所占的长度的长度

L=0.71DL=0.71D

WWbb=W=W00-2Lcos54.7-2Lcos54.7oo

其中其中 LL是腐蚀深度。是腐蚀深度。

11 、氢氧化钾的刻蚀机理 、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，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。 体的各向异性腐蚀重要的和常用的腐蚀剂。 22 、各向异性刻蚀的物理机理 、各向异性刻蚀的物理机理

图 4.8 各向异性的物理机理

腐蚀

腐蚀速率 腐蚀速率

图图 4.9 4.9 腐蚀速率测试掩膜腐蚀速率测试掩膜版 版

图图 4.10 4.10 腐蚀后的测试图形显示腐蚀后的测试图形显示

不同不同 KOHKOH 浓度和温度情况下浓度和温度情况下 ,(100),(100) 面硅的腐蚀速率（面硅的腐蚀速率（ m/m/h)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种各样微机械基本结构

•干法刻蚀干法刻蚀具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐具有分辨率高、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 ：干法刻蚀的过程可分为以下几个步骤 ：（（ 11 ）腐蚀性气体粒子的产生；）腐蚀性气体粒子的产生；（（ 22 ）粒子向衬底的传输）粒子向衬底的传输 (3(3 ）衬底表面的腐蚀；）衬底表面的腐蚀；（（ 44 ）腐蚀反映物的排除。）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）干法腐蚀的种类有物理方法：离子腐蚀（溅射） Ion Ion Etching(IE),Etching(IE), 离子束腐蚀离子束腐蚀 Ion Beam Etching(IBE)Ion Beam Etching(IBE) ；；化学方法：等离子体腐蚀 化学方法：等离子体腐蚀 Plasma Etching(PE)Plasma Etching(PE)

4.1.4 4.1.4 硅刻蚀的干法技硅刻蚀的干法技术 术

4.1.4.1 4.1.4.1 物理腐蚀技术物理腐蚀技术 （（ 11 ）离子腐蚀（）离子腐蚀（ Ion Etching Ion Etching ，， IIEE） ）

图 4.12平行板反应器的结构原理

（（ 22 ）离子束腐蚀（）离子束腐蚀（ Ion Beam EtchingIon Beam Etching ，， IBEIBE ））

离子束腐蚀离子束腐蚀是一种利用惰性离子进行腐蚀的物理腐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，如图等离子区在空间是分离的，如图 4.134.13 所示。 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 4.1.4.2 物理和化学腐蚀过程相结合 物理和化学腐蚀过程相结合 化学腐蚀高选择性化学腐蚀高选择性 ++ 物理腐蚀所具有的各向异性物理腐蚀所具有的各向异性（（ 11 ）等离子体腐蚀（）等离子体腐蚀（ Plasma Etcing, PEPlasma Etcing, PE） ） （（ 22 ）反应离子腐蚀（）反应离子腐蚀（ Reactive Ion Etching,Reactive Ion Etching, ，， RIRIEE））（（ 33 ）反应离子束腐蚀 ）反应离子束腐蚀 4.2 4.2 硅体刻蚀自停止技术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。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。同的腐蚀液中表现出不同的腐蚀性能。4.2.14.2.1 重掺杂自停止腐蚀技术重掺杂自停止腐蚀技术 可以认为可以认为 KOHKOH 溶液对重掺杂硅基本上不腐蚀；同时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又知道，重掺杂硼的硅腐蚀自停止效应比重掺杂磷的硅硅

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。图止层材料。图 4.154.15 为重掺杂硼硅腐蚀的自停止腐蚀工艺。为重掺杂硼硅腐蚀的自停止腐蚀工艺。其工艺流程为：其工艺流程为：

图图 4.15 4.15 重掺杂硼的硅自停止腐蚀工艺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。前主要是将这两种方法组合起来使用。4.2.2 4.2.2 （（ 111111 ）面自停止腐蚀技术）面自停止腐蚀技术 图图 4.164.16 为（为（ 111111 ）面自停止腐蚀工艺。其工艺流程为：）面自停止腐蚀工艺。其工艺流程为：4.2.3 p-n4.2.3 p-n 结腐蚀自停止技术结腐蚀自停止技术p-np-n 结腐蚀自停止是一种使用硅的各向异性腐蚀剂如氢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，它利用了氧化钾的电化学腐蚀自停止技术，它利用了 NN型硅和型硅和 PP型硅在各向异怀腐蚀液中的钝化电位不同这一现象。型硅在各向异怀腐蚀液中的钝化电位不同这一现象。图图 4.174.17 给出了在氢氧化钾腐蚀液（给出了在氢氧化钾腐蚀液（ 65℃65℃ ，， 40%40% ）中）中（（ 100100 ）晶向）晶向 PP 型硅和型硅和 NN 型硅样品的电流一电压特性。型硅样品的电流一电压特性。

图图 4.16 4.16 （（ 111111 ）面自停止腐蚀）面自停止腐蚀工艺工艺

4.2.44.2.4 电化学自停止腐蚀技术电化学自停止腐蚀技术

图图 4.204.20 是一种典型的电化学腐蚀自停止方法是一种典型的电化学腐蚀自停止方法

图图 4.17 P4.17 P 型和型和 NN 型硅在型硅在 KOHKOH 腐蚀液中的特腐蚀液中的特性 性

图图 4.20 4.20 电化学腐蚀系统电化学腐蚀系统

图图 4.21 4.21 硅在硅在 5%HF5%HF 中的电化学腐蚀中的电化学腐蚀 IIVV

四个工艺组成部分：四个工艺组成部分： LIGALIGA 掩模板制造工艺；掩模板制造工艺； XX光深层光刻工艺；微电铸工艺；微复制工艺。光深层光刻工艺；微电铸工艺；微复制工艺。4.3.1 LIGA4.3.1 LIGA 掩膜板制造工艺掩膜板制造工艺 LIGALIGA 掩模板必须能有选择地透过和阻挡掩模板必须能有选择地透过和阻挡 XX 光，一光，一般的紫外光掩模板不适合做般的紫外光掩模板不适合做 LIGALIGA 掩模板掩模板

4.3 LIGA4.3 LIGA 体微加工技术体微加工技术

表表 4.4 LIGA4.4 LIGA 掩模板的掩模板的 XX 光透光薄膜材料的性能及其优缺点光透光薄膜材料的性能及其优缺点

图图 4.22 LIGA4.22 LIGA 技术的工艺流程技术的工艺流程

需平行的需平行的 XX 光光源。由于需要曝光的光刻胶的厚度要达到几光光源。由于需要曝光的光刻胶的厚度要达到几百微米，用一般的百微米，用一般的 XX 光光源需要很长的曝光时间。同步辐射光光源需要很长的曝光时间。同步辐射 XX 光光光源不仅能提供平行的光源不仅能提供平行的 XX 光，并且强度是普通光，并且强度是普通 XX 光的几十万倍，光的几十万倍，这样可以大大缩短曝光时间。这样可以大大缩短曝光时间。

图 图 4.23 X4.23 X 光过渡掩模板制造工艺流程图光过渡掩模板制造工艺流程图

4.3.2 X4.3.2 X 光深层光刻工艺光深层光刻工艺

（（ 22 ） ） XX 光光刻胶光光刻胶 （（ 33 ）同步辐射）同步辐射 XX 光曝光光曝光 （（ 44 ）光刻胶显影 ）光刻胶显影 4.3.34.3.3 微电铸工艺微电铸工艺 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。由于金是硬度，可用于微复制模具的制作。由于金是 LIGALIGA 掩模板的阻掩模板的阻挡层，所以，在挡层，所以，在 LIGALIGA 技术中，金的微电铸技术非常重要。有技术中，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铁镍合金的微电铸对 LIGALIGA 技术也很重要。其他如银、铜等也技术也很重要。其他如银、铜等也是是 LIGALIGA技术常用的金属材料。技术常用的金属材料。 LIGALIGA 的微电铸工艺技术难点之一，是对高深宽比的深孔、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。 深槽进行微电铸。 4.3.44.3.4 微复制工艺微复制工艺

由于同步辐射由于同步辐射 XX 光深层光刻代价较高光深层光刻代价较高 ,, 无法进行大批量生产，无法进行大批量生产，所以所以 LIGALIGA 技术的产业化只有通过微复制技术来实现。目前微复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，制方法主要有两种，注塑成型和模压成型注塑成型和模压成型，图，图 4.294.29 给出了注塑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

图图 4.294.29 两种微复制方法的工作原理两种微复制方法的工作原理

4.3.5.14.3.5.1准准 LIGALIGA技术技术 用紫外线或激光代替同步辐射用紫外线或激光代替同步辐射 XX 光深层，该技术需高光敏光深层，该技术需高光敏性的光刻胶厚胶，目前利用该技术能刻出性的光刻胶厚胶，目前利用该技术能刻出 100m100m 厚的微结构，厚的微结构，但侧壁垂直度只有但侧壁垂直度只有 858500左右，只能部分代替左右，只能部分代替 LIGALIGA技术，适用技术，适用于对垂直度和深度要求不高的微结构加工。图于对垂直度和深度要求不高的微结构加工。图 4.304.30 给出了用给出了用紫外线光刻获得的厚紫外线光刻获得的厚 60m60m的光刻胶及电铸出的铁镍合金微结构的光刻胶及电铸出的铁镍合金微结构电镜照片。电镜照片。4.3.5.2 4.3.5.2 牺牲层牺牲层 LIGALIGA技术技术 在微机械制造领域，很多情况下需要制造可活动的零部件，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。利用牺牲层例如微阀、微马达和微加速度计等。利用牺牲层 LIGALIGA技术可技术可制造活动的微器件，图制造活动的微器件，图 4.314.31 给出了牺牲层给出了牺牲层 LIGALIGA技术工艺原理技术工艺原理图。图。4.3.5.3 LIGA4.3.5.3 LIGA 套刻技术套刻技术

4.3.5 LIGA4.3.5 LIGA 技术的扩展技术的扩展

图图 4.31 4.31 牺牲层牺牲层 LIGALIGA 技术工艺原理技术工艺原理图 图

LIGALIGA 技术中，利用套刻技术获得含有台阶的微结构，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。刻技术获得的微变速齿轮电镜照片。

4.3.5.44.3.5.4倾斜曝光技术倾斜曝光技术 在在 LIGALIGA 技术中，可以通过倾斜曝光获得一些特殊的技术中，可以通过倾斜曝光获得一些特殊的图形，如图图形，如图 4.344.34 所示倾斜曝光原理图，图所示倾斜曝光原理图，图 4.354.35 给出通给出通过倾斜曝光获得的复杂微结构电镜照片。过倾斜曝光获得的复杂微结构电镜照片。

4.3.6 DEM4.3.6 DEM 技术 技术 DEMDEM 技术充分利用了硅体微加工技术和技术充分利用了硅体微加工技术和 LIGALIGA 技术的优点，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。该技术不像像 LIGALIGA 技术那样需昂贵的同步辐射光源和特制的技术那样需昂贵的同步辐射光源和特制的 XX光掩模光掩模板。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。深宽比三维加工。该技术的开发成功，将开拓微加工新领域，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。对我国微机电系统的研究起到很好的推动作用。

4.4.14.4.1 表微加工机理表微加工机理 图图 4.414.41 给出了表面微加工的基本过程。 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。易控制。

图图 4.41 4.41 表面微机械加工原理示意图表面微机械加工原理示意图

4.44.4 表面微加工表面微加工

(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。

氧化硅作为牺牲层材料，氮化硅作为基体绝缘材料，氢氟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。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、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。的主要加工手段。4.4.2.14.4.2.1多晶硅的淀积 多晶硅的淀积 4.4.2.24.4.2.2 淀积态的薄膜应力 淀积态的薄膜应力 4.4.2.34.4.2.3未掺杂薄膜的退火未掺杂薄膜的退火

图 4.45 平均残余应力与退火温度的关系曲线

4.4.24.4.2 多晶硅的表面微加工多晶硅的表面微加工

4.4.2.54.4.2.5 二氧化硅二氧化硅 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。率越快，腐蚀时必须严格控制温度。

4.4.2.64.4.2.6 氮化硅 氮化硅 在集成电路工业中，氮化硅（在集成电路工业中，氮化硅（ SiSi33NN44 ）广泛用于电绝缘和表）广泛用于电绝缘和表面钝化。面钝化。 PECVDPECVD氮化硅主要用于集成电路的钝化，由于氮化硅氮化硅主要用于集成电路的钝化，由于氮化硅的多孔性，在的多孔性，在 HFHF 中其腐蚀速率高于热法生长的二氧化硅，因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主要应用于多晶硅表面微结构的基体绝缘。基体绝缘。

4.4.2.74.4.2.7 磷硅玻璃（磷硅玻璃（ PSGPSG）） 磷硅玻璃也是一种应用广泛的牺牲层材料。其淀积应力比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：二氧化硅小，其制备工艺： LPCVDLPCVD采用采用 SiOSiO44 、、 OO 和和 PHPH33 ，， PECVDPECVD应用应用 SiHSiH44 、、 NN22OO 和和 PHPH33或四乙氧硅烷（或四乙氧硅烷（ TEOSTEOS），三甲亚磷酸盐），三甲亚磷酸盐（（ TMPTMP）淀积而成。）淀积而成。

在牺牲层被刻蚀后，微器件要进行漂洗和吹干。在器件浸入在牺牲层被刻蚀后，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，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。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。

图图 4.49 4.49 微器件粘附形成（微器件粘附形成（ aa ）和解决方法（）和解决方法（ bb ）示意图）示意图

4.4.2.84.4.2.8 粘附现象粘附现象

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。个表面微加工工艺以前充分理解和掌握这些机械特性。4.4.3.14.4.3.1 原位特性试验装置原位特性试验装置 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，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。提供了直接与间接的测量。

4.4.34.4.3 多晶硅的机械特性多晶硅的机械特性

(1)(1)悬臂梁悬臂梁 测量悬臂梁的形变，可获得应变松弛的大小。薄膜残测量悬臂梁的形变，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：余应变与梁尺寸变化如下式表示：

式中为残余应变；式中为残余应变； LL00 为悬臂梁原始长度；为悬臂梁原始长度； LL为与基体分离为与基体分离后悬臂梁的长度。后悬臂梁的长度。

0

0

L L

L

(2)(2)微 桥微 桥 对于细长部件，当端点负载超过其临界值发生弯曲时，对于细长部件，当端点负载超过其临界值发生弯曲时， GucGuckelkel等人提出测量局部应变场的装置。公式（等人提出测量局部应变场的装置。公式（ 4-254-25 ）为轴向负）为轴向负载细梁载细梁 EulerEuler（欧拉）弯曲应变的表达式（欧拉）弯曲应变的表达式

CR

2 2

2

1

3(2 )CRfilm

CR

t

R G

式中：式中： KK为边界尺寸相关的常数；为边界尺寸相关的常数； tt为薄膜厚度；为薄膜厚度； LL为梁的长为梁的长度。度。

微桥长度与弯曲应变的关系曲线微桥长度与弯曲应变的关系曲线其本征应变值于—其本征应变值于— 3.2×103.2×10-4-4 和和 5.6×105.6×10-4-4 之间。之间。

图图 4.514.51 微桥长度与微桥长度与 EulerEuler 变曲应变关系变曲应变关系

实际上薄膜淀积后还要经历许多道工艺，面内实际上薄膜淀积后还要经历许多道工艺，面内 in-pin-planelane ）应力通常随薄膜厚度而变，该应力的改变形成）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一个本征弯曲矢量 MM，其大小由下式给出：，其大小由下式给出：

式中：式中： tt 为薄膜厚度；为薄膜厚度； σσxx （（ yy ）为薄膜中心到）为薄膜中心到 yy 距离距离面内应力的大小。图面内应力的大小。图 4.534.53 给出了给出了 δδ （（ χχ ）） /χ/χ 与与 χχ 的的关系曲线。 关系曲线。

2

2( )

t

xtM y ydy

4.4.3.2 4.4.3.2 残余应力梯度残余应力梯度

图图 4.53 4.53 挠曲度挠曲度 δδ （（ χχ）与悬臂梁长度）与悬臂梁长度 χχ的关的关系 系

4.4.3.44.4.3.4 负载响应特性负载响应特性 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。给予充分的注意。 用一负载可调节器的纳米压痕仪用一负载可调节器的纳米压痕仪 NanoindenteNanoindenterr）来评价悬臂梁的机械特性）来评价悬臂梁的机械特性

键合技术包括有阳极键合技术，硅键合技术包括有阳极键合技术，硅 //硅基片直硅基片直接键合，其他硅一硅间接键合技术等。阳极键合又接键合，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备简单等优点 ,,因此因此 ,,广泛应用于硅广泛应用于硅 //硅基片之间硅基片之间的键合、非硅材料与硅材料、以及玻璃、金属、半的键合、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 导体、陶瓷之间的互相键合

4.54.5 键合技术键合技术

阳极静电键合的机理：在强大的静电力作用下，将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。的种类，硅基片的准备，键合工艺和键合设备。 (1) (1) 玻璃种类对键合质量的影响 玻璃种类对键合质量的影响 (2) (2) 高质量的硅基片准备工艺 高质量的硅基片准备工艺 (3) (3) 控制阳极键合工艺参数保证键合质量 控制阳极键合工艺参数保证键合质量 (4) (4) 键合装置对键合质量的影响 键合装置对键合质量的影响

4.5.1.14.5.1.1 阳极键合机理阳极键合机理

4.5.1.3 4.5.1.3 极键合技术的应用极键合技术的应用

硅硅 //硅阳极键合的许多实例是在微电子器件硅阳极键合的许多实例是在微电子器件中制造中制造 SOISOI（（ silicon on insulatesilicon on insulate ）结构，此）结构，此处介绍一种具体工艺流程，如图处介绍一种具体工艺流程，如图 4.614.61 所示。所示。

图图 4.61 4.61 阳极键合在阳极键合在 SOISOI 结构中的应结构中的应用用

（（ 11 ）在第一块硅基片上用各向异性刻蚀技术刻出）在第一块硅基片上用各向异性刻蚀技术刻出 UU型沟槽，并作氧化处理。型沟槽，并作氧化处理。（（ 22 ）在上述氧化处理的表面上沉积）在上述氧化处理的表面上沉积 100100厚的多晶硅厚的多晶硅（（ 33 ）将多晶硅表面磨平，抛光后再氧化。或者在此）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抛光的表面上溅射沉积 0.5-200.5-20 厚的厚的 Corning7740Corning7740 玻璃玻璃层。层。（（ 44 ）选择合适的阳极键合工艺参数，将该基片与中）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。一硅基片进行阳极键合。（（ 55 ）对第一块硅片进行减薄，）对第一块硅片进行减薄， SOISOI结构基本完成，结构基本完成，可用作专用器件的制造。可用作专用器件的制造。

硅硅 //硅基片直接键合，又称硅的熔融键合。应用这硅基片直接键合，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 4.5.2.1 硅硅 //硅基片直接键合机理 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抛光清洗后的硅基片表面，一般存在一层很薄的 11～～ 6nm6nm氧化物，以区别于热法生成的氧化物，该薄层氧化物，以区别于热法生成的氧化物，该薄层氧化物为本征氧化物（氧化物为本征氧化物（ native oxidenative oxide）。在实际结构）。在实际结构应用中，有的是硅应用中，有的是硅 //硅直接相键合，有的是硅硅直接相键合，有的是硅 // 二氧二氧化硅直接键合，也有的是二氧化硅化硅直接键合，也有的是二氧化硅 // 二氧化硅键合。二氧化硅键合。4.5.2.2 4.5.2.2 硅硅 --硅直接键合工艺及其质量控制硅直接键合工艺及其质量控制

4.5.2 4.5.2 硅硅 //硅基片直接键合技术硅基片直接键合技术

键合质量主要受键合界面处空洞存在的影响。因此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要控制工艺参数对界面空洞形成及清除。。

（（ 11 ）键合前基片表面预处理工艺 ）键合前基片表面预处理工艺 （（ 22 ）键合温度的控制 ）键合温度的控制 （（ 33 ）键合强度 ）键合强度

4.5.3 4.5.3 其他硅其他硅 --硅间接键合工艺硅间接键合工艺

硅硅 --硅间接键合工艺还有多种，如有胶水、低温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。层来达到键合目的。

4.5.3.1 4.5.3.1 金硅共晶键合金硅共晶键合

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”。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，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，不太可能实现来后，该合金是硅加金二相共晶，不太可能实现 100100%% 面积的键合。面积的键合。

而若金膜太厚，则成本高、内应力大，对硅而若金膜太厚，则成本高、内应力大，对硅 --硅键硅键合的成本和质量也有影响，推荐的金膜厚度为合的成本和质量也有影响，推荐的金膜厚度为 100—10100—1000nm00nm。 。 金膜共晶键合的金膜共晶键合的缺点缺点：是对空腔密封器件性能的长期稳：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，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。载流子的寿命急剧减小。4.5.3.24.5.3.2 其他间接键合工艺 其他间接键合工艺 研究较多的其他硅研究较多的其他硅 //硅间接键合工艺是采用具有低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。合工艺是利用各种胶水。

4.64.6 其他微加工技术其他微加工技术

其他微加工技术分为三类：超精密机械加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。工；非切削加工及物种加工技术。

•1.MEMS1.MEMS 制造工艺有哪两类主要技术？叙述各类技术的制造工艺有哪两类主要技术？叙述各类技术的主要内容。主要内容。•2. 2. 叙述硅刻蚀的湿法技术的主要工艺流程。各向同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？性刻蚀的特点是什么？各向异性刻蚀的机理是什么？•33．叙述硅刻蚀的干法技术主要工艺流程。．叙述硅刻蚀的干法技术主要工艺流程。•4.4. 什么是物理腐蚀技术及物理和化学腐蚀过程相结合什么是物理腐蚀技术及物理和化学腐蚀过程相结合？？•5.5.简要叙述电化学自停止腐蚀技术。简要叙述电化学自停止腐蚀技术。•6.LIGA6.LIGA 体微加工技术的组成部分是什么？及其主要工体微加工技术的组成部分是什么？及其主要工艺流程。艺流程。

第四章思考题第四章思考题

7.7. 什么是微电铸工艺？微电铸工艺的难点是什么？如什么是微电铸工艺？微电铸工艺的难点是什么？如何解决？何解决？8.8.什么是微复制工艺及其工作原理？什么是微复制工艺及其工作原理？9.LIGA9.LIGA 的变化技术有哪几种？其特点是什么？ 的变化技术有哪几种？其特点是什么？ 10.ME10.MEMSMS制造工艺中表面微加工的机理和特点是什么？制造工艺中表面微加工的机理和特点是什么？11.11.二氧化硅在各种生长与淀积过程中，各有什么优二氧化硅在各种生长与淀积过程中，各有什么优缺点。缺点。12.12.氮化硅在氮化硅在 LPCVDLPCVD 的淀积条件是什么？的淀积条件是什么？13.13. 为什么说键合技术是为什么说键合技术是 MEMSMEMS制造工艺中重要的组成制造工艺中重要的组成部分。部分。14.14.什么是阳极键合技术，其机理及阳极键合质量的什么是阳极键合技术，其机理及阳极键合质量的影响因素。影响因素。15.15. 应用硅应用硅 //硅基片直接键合技术的要求是什么？硅基片直接键合技术的要求是什么？