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微/納米級微電子機械系統(tǒng)制造新技術(shù)論文
1引言
近幾年來，MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，各種與系統(tǒng)研制相關(guān)的技術(shù)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)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(yīng)。實驗表明，當(dāng)特征尺寸達(dá)微米級時，將產(chǎn)生尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)、電磁場效應(yīng)和封裝效應(yīng)等。其中尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)對微型機構(gòu)的影響最為顯著，如結(jié)構(gòu)元器件之間作用力弱化、器件材料強度加大、高集成度導(dǎo)致工序增加等，這些都是有別于宏觀機械材料選擇、設(shè)計理論推導(dǎo)、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(shù)，如版圖設(shè)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(biāo)準(zhǔn)IC工藝兼容的技術(shù)制作。但微機械器件、微結(jié)構(gòu)除了與微電子工藝有關(guān)外，一般還與外界物理量相互作用，且在構(gòu)造上往往為三維體型結(jié)構(gòu)。所以制造MEMS須在采用成熟的IC工藝基礎(chǔ)上，擴展一些針對微/納米級構(gòu)件、器件或裝置的專用微機械制造技術(shù)，包括表面微細(xì)加工、體型加工、構(gòu)件間相互組裝和鍵合及封裝等新技術(shù)�；诖耍疚膶⒕唧w討論微機械制造新技術(shù)及其應(yīng)用問題。
2微機械制造中的主流技術(shù)
由于硅及其化合物不僅具有良好的物理、電學(xué)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(jié)構(gòu)。用硅或其化合物制造微傳感器，可達(dá)到遲滯和蠕變極小以及重復(fù)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(dá)到的。故半導(dǎo)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(shù)已成為MEMS制造中的主流技術(shù)。
2.1表面微細(xì)加工技術(shù)
表面微細(xì)加工技術(shù)指制造微小尺寸零件、構(gòu)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(jìn)發(fā)展（如金剛石車床、微型鉆床、微型磨床等加工技術(shù)），或從特種加工技術(shù)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(dǎo)體制造技術(shù)。
2.1.1薄膜生成技術(shù)
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(gòu)成一個復(fù)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(zhì)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(xué)氣相淀積是襯底材料上制作薄膜的兩種常用的工藝技術(shù)。前者利用蒸鍍和濺射法，使另一種物質(zhì)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成另一種物質(zhì)在表面上成膜。
(1)物理氣相淀積技術(shù)物理氣相淀積技術(shù)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(shù)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(dǎo)體技術(shù)第30卷第8期元件上制作薄膜。這種方法雖有設(shè)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(yīng)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(zhì)膜（如MgO，Al2O3，8丨02等），因此在應(yīng)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(zhì)膜、壓阻膜、壓電膜及半導(dǎo)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(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，所以離子的遷移率遠(yuǎn)小于電子的遷移率[5]。在上半周（陰極為正，陽極為負(fù)），電子迅速到達(dá)靶面；在下半周，因離子運動速度慢，陰極表面所帶的負(fù)電荷不會很快被中和，使靶面上負(fù)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(fù)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(jié)合力較強。
(2)化學(xué)氣相淀積（CVD)技術(shù)化學(xué)氣相淀積法就是利用高溫條件下的化學(xué)反應(yīng)（分解、還原、氧化及置換）生成薄膜。主要生成反應(yīng)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?xì)浠衔锏龋┥A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(yīng)室中進(jìn)行反應(yīng)，生成固態(tài)的淀積物質(zhì)，使之淀積在加熱至高溫的襯底上，生成薄膜。反應(yīng)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(zhì)膜、半導(dǎo)體膜等。
化學(xué)氣相淀積有3種方法：即常壓化學(xué)氣相淀積（NPCVD)、低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD)及等離子強化化學(xué)氣相淀積（PECVD)。常壓和低壓CVD利用襯底表面的反應(yīng)生成薄膜，尤其是常壓化學(xué)氣相淀積工藝比較成熟，被廣泛應(yīng)用，但成膜厚度的均勻性不夠理想，低壓化學(xué)氣相淀積對此作了改進(jìn)，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(yīng)溫度均須達(dá)到500_1200°C。為了使反應(yīng)能在較低的溫度下進(jìn)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(jìn)較低溫(350—400C)下化學(xué)反應(yīng)。相對于化學(xué)氣相淀積工藝，等離子CVD的工藝設(shè)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(yīng)室內(nèi)氣體將被電離而等離子化，反應(yīng)氣體在低壓(103~10-2Pa)反應(yīng)室兼作氣體電離、熱效應(yīng)及光化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜的等離子過程，生成待淀積物質(zhì)的單質(zhì)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(yīng)溫度高達(dá)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(zhì)硅淀積在硅襯底上。淀積過程在外延反應(yīng)爐中進(jìn)行，在襯底的結(jié)晶性質(zhì)影響下形成單晶硅膜。因此本質(zhì)上它也是一種化學(xué)氣相淀積工藝。
2.1.2表面犧牲層技術(shù)
所謂“表面犧牲層”技術(shù)，即在形成微機械結(jié)構(gòu)的空腔或可活動的微結(jié)構(gòu)過程中，先在下層薄膜上用結(jié)構(gòu)材料淀積所需的各種特殊結(jié)構(gòu)件，再用化學(xué)刻蝕劑將此層薄膜腐蝕掉，但不損傷微結(jié)構(gòu)件，然后得到上層薄膜結(jié)構(gòu)（空腔或微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(dá)、各種制動器等。
2.2體微細(xì)加工技術(shù)
硅基體微細(xì)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(jié)構(gòu)特征。腐蝕方法分化學(xué)腐蝕和離子刻蝕，前者用化學(xué)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(xué)腐蝕
相對于干法刻蝕，濕法操作簡便，并可較好地控制結(jié)構(gòu)輪廓，是最早用于微機械結(jié)構(gòu)制造的加工方法。濕法腐蝕過程主要是氧化減薄和反應(yīng)物的溶解，反應(yīng)中需要考慮邊緣輪廓、厚度尺寸和表面質(zhì)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(shù)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(xué)反應(yīng)過程中會使硅表面產(chǎn)生空穴，從而使腐蝕得以進(jìn)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(fù)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(jié)構(gòu)（腔和槽等）。
(2)各向異性腐蝕技術(shù)各向異性腐蝕是體微機械加工的關(guān)鍵技術(shù)，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(guān)。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(shù)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(jié)構(gòu)。腐蝕停止技術(shù)有P+腐蝕停止，它利用高摻硼濃度（高于7X1019cm-3)硅腐蝕速率遠(yuǎn)低于普通摻雜濃度硅的特點，使腐蝕停止。還有一種pn結(jié)停止腐蝕技術(shù)，將有pn結(jié)的被腐蝕硅片放入K0H或EDP溶液中，當(dāng)pn結(jié)加上反偏壓，n區(qū)半導(dǎo)體與集電極也加上反偏壓時，溶液將對p型硅進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，并當(dāng)在pn結(jié)界面的n側(cè)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(shù)相結(jié)合，可制作各種微機械結(jié)構(gòu)。
2.2.2離子刻蝕
濕法化學(xué)腐蝕得到的微機械結(jié)構(gòu)的厚度可達(dá)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(cè)面垂直度要求嚴(yán)格者，存在難以準(zhǔn)確控制橫向尺寸精度及器件尺寸大等缺點，因此難以達(dá)到預(yù)期效果。而采用反應(yīng)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(shè)備進(jìn)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(xué)反應(yīng)為主的刻蝕工藝，它利用氣體的離子體生成物或濺射進(jìn)行刻蝕，刻蝕步驟見圖3。圖4為反應(yīng)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。刻蝕過程中既有離子轟擊效應(yīng)(作用是促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行)，又有活性游離基與被刻蝕試件的化學(xué)反應(yīng)，因此可達(dá)較高的刻蝕速率，并得到較垂直的側(cè)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(jìn)行比較，如表1所示。
2.3LIGA技術(shù)
LIGA是德文Lithographie(光亥)、Galvanoformung(電鑄）、Abformung(注塑）三個詞的縮寫。LIGA技術(shù)是一種基于X射線光刻技術(shù)的3維微結(jié)構(gòu)制造工藝，主要包括：深刻蝕X射線光刻、電鑄及注塑復(fù)制三道工序，如圖5所示
造技術(shù)無法制出的結(jié)構(gòu)精細(xì)、表面光滑、高深寬比的微結(jié)構(gòu)。
2.4準(zhǔn)分子激光刻蝕技術(shù)
準(zhǔn)分子激光刻蝕法制作高深寬比聚合物材料微機械結(jié)構(gòu)是近幾年國際上出現(xiàn)的一項新技術(shù)[1°,11]。用該技術(shù)制作的微結(jié)構(gòu)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(shù)有以下的顯著優(yōu)點：①所制作的微結(jié)構(gòu)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(xué)腐蝕的浸潤影響，保證結(jié)構(gòu)邊緣良好的陡直性。
2.5直接鍵合技術(shù)
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(shù)。鍵合有高溫加壓的熱鍵合，它在溫度約300C下，通過在玻璃側(cè)加數(shù)百伏負(fù)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(shù)[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(jié)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(jìn)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(dāng)調(diào)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(shù)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(xì)加工時大一個數(shù)量級，三維結(jié)構(gòu)設(shè)計較單獨用體微細(xì)技術(shù)容易得多，且該法的熱穩(wěn)定性和機械應(yīng)力也很好。因此，在應(yīng)用時常將它與體微細(xì)加工工藝相結(jié)合。
2.6三維表面光刻抗蝕劑噴涂技術(shù)
通過化學(xué)腐蝕和干法等離子刻蝕等工藝，產(chǎn)生不同斜率的圖形側(cè)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(jié)構(gòu)向三維器件轉(zhuǎn)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(shù)用于三維結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)片子上抗蝕劑的分離。片子旋轉(zhuǎn)引起的離心力與重力一起驅(qū)使抗蝕劑流向邊緣。當(dāng)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(dǎo)致關(guān)鍵尺寸均勻性降低。為此，近年來推出了一些涂膠新技術(shù)。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(jié)構(gòu)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(shù)，抗蝕劑呈霧狀微滴形狀。與抗蝕劑旋涂技術(shù)相比，這項技術(shù)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(jié)構(gòu)的芯片上均勻分布，這為MEMS新穎的互連結(jié)構(gòu)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(shù)的比較
由于以上各種微加工技術(shù)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(yīng)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(jìn)行分析、比較，以期最佳地選擇加工技術(shù)。表2對幾種微加工技術(shù)作了簡要的比較。
4微制造技術(shù)在MEMS產(chǎn)品中的應(yīng)用前景
?近年來IMEMS及其相關(guān)制造技術(shù)的發(fā)展極其迅速，它是機電領(lǐng)域研究熱點之一。MEMS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（二維發(fā)展到三維）日趨復(fù)雜，功能增強。從市場行情看，由微機械制造工技術(shù)制造的器件和系統(tǒng)的需求量呈上升趨勢；從制造技術(shù)發(fā)展趨勢看，硅的微細(xì)加工仍將是主流技術(shù)。
?利用表面微細(xì)加工、體微細(xì)加工等技術(shù)對硅材料進(jìn)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(shù)。此外利用LIGA技術(shù)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(xì)結(jié)構(gòu)，其加工深度可達(dá)幾百微米，因此LIGA也是一種比較重要的MEMS加工技術(shù)。利用LIGA技術(shù)已經(jīng)研發(fā)并制造出微齒輪、微馬達(dá)、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(shù)應(yīng)用中心預(yù)測，當(dāng)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(yù)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(yuǎn)發(fā)展看，本文所介紹的微機械制造技術(shù)將在以微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)器件為主的MEMS產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)中發(fā)揮主導(dǎo)作用。我國在微機械制造技術(shù)方面的研究正處于起步階段，故應(yīng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上加大對微機械制造技術(shù)的研發(fā)力度，積極采取發(fā)展高端微機械制造技術(shù)的策略，以提升我國MEMS產(chǎn)品的制造水平。
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