第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1902023/6/5第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190近年來，在半導(dǎo)體微加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的表面MEMS加工技術(shù)，以及其它具有高深寬比的MEMS加工技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

如：硅材料體MEMS加工技術(shù)；

LIGA技術(shù)；

激光加工技術(shù)；

超精密加工技術(shù)等。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190#各種加工技術(shù)都各有其本身的優(yōu)點和適應(yīng)的加工范圍；

#對于一個具體的MEMS的制造、加工方法不是唯一的。

應(yīng)根據(jù)微器件特點和現(xiàn)有的技術(shù)條件，選用合適的一種或者幾種加工方法進行組合，以得到需要的微器件。

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第1節(jié)MEMS的材料

MEMS使用的材料有許多種。

*具有一定的物理和力學(xué)性能完成MEMS某種功能（如作為傳感器、驅(qū)動器使用）的功能材料；

*保證運動器件在加工完成時可以運動的犧牲層材料；

*MEMS運動器件使用的結(jié)構(gòu)材料；

*作為微器件襯底的基板材料等。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190用于基板的材料主要有：

（1）硅；

（2）砷化鎵；

（3）金剛石薄膜；

（4）石英以及高分子材料。

對材料的要求除了應(yīng)具有較高的機械強度、軔性、價格低廉外，還希望它與半導(dǎo)體材料及加工有優(yōu)良的相容性。常用材料基本性能如表B－1所示，機械性能如表B－2所示。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190一、硅材料

硅是MEMS中最常用的材料，因為：

1、硅可制成超高純度，易得到接近于無位錯的完整晶體、化學(xué)性能穩(wěn)定和價格低廉。

是近幾十年來集成電路制造的主要半導(dǎo)體材料。

已積累了豐富的硅材料微加工經(jīng)驗，并用它制成了大規(guī)模集成電路和單片處理機等。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1902、硅材料在不同結(jié)晶方向具有不同的結(jié)合能，因此可采用各向異性刻蝕加工方法進行硅材料的體微機械加工。

用這種方法已制得多種微機械結(jié)構(gòu)，如微泵閥系統(tǒng)、微陀螺和微馬達等。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1903、硅具有優(yōu)良的機械性能，較好的剛度（彈性模量與鋼相近）以及足夠的支撐強度。

4、硅作為微系統(tǒng)基板的另一個優(yōu)點是可方便地將測量、控制以及計算機的接口等電路全部集成在一塊基板上，縮短微機械器件和控制電路之間的連線、減少寄生電容，降低干擾，提高測量精度。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1905、材料的破壞性能取決于材料內(nèi)部缺陷的多少。

拉制的硅單晶棒材可以達到無位錯的水平。因此，硅具有優(yōu)良的性能。

硅作為結(jié)構(gòu)材料使用時，為了不增加材料內(nèi)部的缺陷，所以在對硅單晶加工時必須注意采用不產(chǎn)生缺陷的化學(xué)刻蝕加工技術(shù)。

由于硅的優(yōu)良半導(dǎo)體性能，還可制成壓力、磁敏、加速度等傳感器件，從而可采用全硅材料組成完整的MEMS。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1906、運用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)可在硅基板表面制備多晶硅材料。

多晶硅材料具有單晶硅類似的機械性能，多晶硅是表面微機械加工中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)和犧牲層材料。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190二、GaAs化合物半導(dǎo)體材料

GaAs的電子遷移率遠(yuǎn)大于硅，因此可以制成高速器件，而且與硅相比，還可在更高的溫度下運行（573K）（高溫器件）。

GaAs還具有優(yōu)良的抗輻射性能。但它的彈性模量較小，晶格缺陷比硅單晶多，故破壞強度比硅低，價格昂貴。

其發(fā)光性能和絕緣性能優(yōu)于硅材料，故GaAs仍是重要的材料，如果能在硅基板上形成GaAs，則其用途將更廣泛。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190三、SiC材料。

SiC具有高熔點、高硬度，優(yōu)良的化學(xué)、熱穩(wěn)定性能，是制作在高壓、高溫下運行的電子器件的好材料。

SiC還具有優(yōu)良的抗輻射性能。以前這種材料用于制造腐蝕性較強的反應(yīng)器或像Si3N4薄膜一樣，作為刻蝕的保護膜。

SiC材料也可作為金剛石薄膜的基板材料或者其它結(jié)構(gòu)材料。用CVD方法制備SiC薄膜時，常常較難控制Si與C的比例。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190四、金剛石材料。

近年來隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，用多種CVD方法成功地制備出金剛石薄膜。金剛石薄膜可作為微系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)材料。

金剛石是硬度最高的材料，具有較高的彈性模量，而且有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。

金剛石能帶中的禁帶寬度較大，因此它有希望用作為高溫電子器件。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190金剛石材料的熱導(dǎo)率極高，即散熱效果較好，可作為功率器件使用。

金剛石材料有可能制造紫外波段藍(lán)光發(fā)光器件。

金剛石材料的另一個特性是其摩擦系數(shù)極小，與聚四氟乙烯具有相同數(shù)量級，可以制造MEMS的運動部件。

金剛石對X光的吸收率極低，且具有較高的機械強度，因此可利用它制備LIGA技術(shù)使用的X光掩膜版。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190五、石英材料。

石英是具有壓電性能的材料，而且具有優(yōu)良的彈性和機械穩(wěn)定性，因此廣泛用于制作壓電探頭。

石英在MEMS和集成電路中可作為基板材料。

在濕法刻蝕加工中石英也具有明顯的各向異性。目前已用該材料制作微加速度計、微反射鏡等。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二節(jié)半導(dǎo)體微加工技術(shù)

半導(dǎo)體微加工技術(shù)是MEMS加工技術(shù)中不可缺少的組成部分。因為這種方法可以精確控制微小圖形的尺寸、重復(fù)性好、可靠性高、成品率高并且可以進行批量生產(chǎn)，所以產(chǎn)品的成本較低。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190半導(dǎo)體微加工技術(shù)

（1）圖形技術(shù)：形成集成電路的微細(xì)圖形。

（2）刻蝕技術(shù)：應(yīng)用刻蝕方法去除薄膜多余部分。（3）薄膜技術(shù)：應(yīng)用晶體在基板上生長形成薄膜、表面改性。

由于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，當(dāng)前微加工的線條寬度已達到納米級，但MEMS應(yīng)用的微加工技術(shù)仍在微米量級。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190一、圖形技術(shù)：圖形技術(shù)是在基板表面生成一定形狀的二維圖形的方法，在微加工中圖形技術(shù)一般由光刻（Lithography）過程來實現(xiàn)的。圖形技術(shù)是從石版印刷技術(shù)演變而成的。微加工技術(shù)的首要任務(wù)是設(shè)法減小圖形的尺寸和提高精度。該技術(shù)包括：曝光和顯影，圖形轉(zhuǎn)移的方式等方面。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1901、曝光和顯影：一般來說，圖形是由抗蝕劑的曝光和顯影即光刻過程形成的，曝光光源可以是：（1）可見和不可見光，采用光子作為能量的載體。（2）X射線，采用X射線作為能量的載體。（3）電子束和離子束，采用電子和離子作為能量的載體。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190按曝光方式可以將光刻分為：光學(xué)光刻、X射線光刻、電子束光刻和離子束光刻。曝光和顯影的機理：在光子、X射線、電子和離子等能束作用下，被曝光的抗蝕劑發(fā)生化學(xué)變性和去除。所以抗蝕劑的敏感性能應(yīng)與曝光光源的波長相匹配。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1902、光刻中圖形轉(zhuǎn)移的方式：圖形轉(zhuǎn)移有掩膜版式、直接刻寫式進行曝光以獲得所要求的圖形。

（一）掩膜版式：

（1）接觸式（掩膜板與涂有抗蝕劑的基板接觸），如下圖所示。

該方式的圖形的分辨率和精度高，但由于掩膜版與抗蝕劑接觸，掩膜版易損傷。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（3）投影式。（2）接近式（為了避免接觸式光刻對掩膜版的損傷，掩膜版與涂有抗蝕劑的基板有550mm的距離，但這犧牲了圖形的分辨率）。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190直接刻寫（無掩膜光刻）通常采用電子束、離子束或激光束進行刻寫，它用記錄有圖形信息的計算機直接控制上述能束在涂有抗蝕劑的基板上進行掃描，使特定位置的抗蝕劑曝光。（二）直接刻寫式：采用掩膜版式、可方便地獲得多個相同圖形的轉(zhuǎn)印，但必須制作掩膜版。直接刻寫式可省去該工序。目前尚難以對X射線進行聚焦和偏轉(zhuǎn)，所以X射線不能適應(yīng)直接刻寫方法。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190一般來說，通過掩膜進行圖形轉(zhuǎn)印會帶來附加的誤差，所以理想的方法是采用計算機進行直接刻寫。這是微加工技術(shù)發(fā)展的方向。

下面繼續(xù)介紹抗蝕劑。直接刻寫是發(fā)展方向：第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（2）正性抗蝕劑（正膠）：感光的部分在顯影時被適當(dāng)?shù)娜軇┤芙?，在基板上形成的圖形與掩模板上的圖形相同。3、正負(fù)抗蝕劑：

微細(xì)加工中采用了兩種抗蝕劑：負(fù)性抗蝕劑（負(fù)膠），正性抗蝕劑（正膠）（1）負(fù)性抗蝕劑（負(fù)膠）：曝光后，由于掩膜版的遮檔基板上未感光的部分在顯影時被適當(dāng)?shù)娜軇┤芙猓诨迳闲纬傻膱D形與掩模板上的圖形相反。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖B－1是采用正性抗蝕劑光學(xué)光刻過程的示意圖，由圖可見光刻過程可分為抗蝕劑的涂布、曝光和顯影三個工序，從而得到需要的圖形。圖B-1光學(xué)光刻過程示意圖（正性抗蝕劑）第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190評估各種光刻技術(shù)性能參數(shù)主要有：

（1）分辨率；

（2）線寬；

（3）準(zhǔn)確度；

（4）失真度；

（5）套刻精度；

（6）成品率、產(chǎn)出率。

以下分別加以討論。4、光刻技術(shù)性能參數(shù)：第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖形技術(shù)中線條的最小寬度即線寬常被用來作為光刻技術(shù)的分辨率。（1）分辨率：在工業(yè)生產(chǎn)中成品率和產(chǎn)出率是不可忽視的。分辨率在不同領(lǐng)域有不同含義：物理上對分辨率的定義是能清楚地區(qū)分圖形中兩點之間的距離。工程上分辨率通常用單位長度上可分辨的高反差線對的數(shù)量來表示。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（2）準(zhǔn)確度：

準(zhǔn)確度表示實際尺寸對標(biāo)準(zhǔn)值的偏差。（3）失真度：

失真度表示圖形各部分尺寸的相對變化。

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（5）成品率、產(chǎn)出率：

成品率表示合格產(chǎn)品相對投入總數(shù)的百分比。產(chǎn)出率表示單位時間內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)量。（4）套刻精度：

套刻精度表示相同過程產(chǎn)生的圖形之間相吻合的程度。

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1903)甩掉多余的膠4)溶劑揮發(fā)1)滴膠2)加速旋轉(zhuǎn)涂膠：采用旋涂法。涂膠的關(guān)鍵是控制膠膜的厚度與膜厚的均勻性。膠膜的厚度決定于光刻膠的粘度和旋轉(zhuǎn)速度。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190光學(xué)光刻是當(dāng)前用得最廣泛的光刻技術(shù)，采用紫外光作為曝光光源時，可得到1m左右的分辨率，0.5m的套刻精度和每小時曝光100片的產(chǎn)出率。5、光學(xué)光刻：進一步提高光學(xué)光刻分辨率受到光的衍射的限制。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190光的波長（）越短分辨率越高。光學(xué)系統(tǒng)分辨率X取決于曝光采用光源的波長：

X=K/NA （B－1）K是與抗蝕劑材料和曝光工藝有關(guān)的常數(shù)，一般為0.6-0.8之間。NA為光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，通常在0.4-0.5之間。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1906、光刻方法：

為了提高光刻圖形的分辨率需要采用更短波長光源進行曝光，包括遠(yuǎn)紫外光、X射線、電子束或離子束等。

曝光用的X射線的波長范圍在0.45nm，可以避免常規(guī)光刻中遇到的衍射問題。

下圖為不同光刻技術(shù)的比較。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖B－2不同光刻技術(shù)的比較第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1907、半影畸變和幾何畸變：

光源的直徑和光線的發(fā)散將造成半影畸變和幾何畸變。

半影畸變是由于光源具有一定直徑所引起的。

幾何畸變是由射線束的發(fā)散產(chǎn)生的。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190X射線接近式曝光裝置圖由X射線束的發(fā)散產(chǎn)生的幾何畸變?yōu)椋?/p>

s為掩膜和樣品間距；D為光源到掩膜的距離；W為樣品的半徑。幾何畸變第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190X射線接近式曝光裝置圖由于光源具有一定直徑d引起的半影畸變δ為：

s為掩膜和樣品的間距；D為光源到掩膜的距離。DW半影畸變第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190為保護掩膜以及避免掩膜和基板的接觸造成缺陷，希望間隔s足夠大，通常間隔取10m左右。

對于高分辨率系統(tǒng)，半影畸變須控制在10m以下，因此要求D/d>100。

在高分辨率系統(tǒng)中，要求幾何畸變小于0.1m以下，由于目前集成電路用的硅片尺寸在6英寸以上，這就對s的變化提出了很高的要求?？梢圆捎梅植贾貜?fù)的方法進行曝光，保證樣品尺寸W在很小的范圍。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1908、電子束：

電子束與X射線相比，不僅波長更短，而且能用電場和磁場使其偏轉(zhuǎn)以及對電子速度進行調(diào)制，所以電子能量可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。電子束可以在計算機控制下直接進行圖形的刻蝕，也可以通過特殊掩膜進行圖形轉(zhuǎn)印。電子束斑可以聚集到10nm。當(dāng)束流足夠大時，可以在10－7秒時間內(nèi)使抗蝕劑曝光。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖B－4電子束曝光裝置原理圖電子束曝光裝置如圖B-4所示，電子束圖形發(fā)生裝置的電子光學(xué)系統(tǒng)與掃描電子顯微鏡非常相似。從陰極電子槍發(fā)射出來的電子束由靜電場加速、磁場聚集、最后由電場和磁場控制使電子束以一定的軌跡偏轉(zhuǎn)，從而得到需要的圖形。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1909、離子束：

離子束具有比電子束更短的波長，因此用離子束可以得到更高的分辨率，但離子束加工的設(shè)備更加復(fù)雜，這種加工方法近期尚未在微系統(tǒng)中有應(yīng)用的可能，為此本節(jié)不進行討論。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190二、薄膜技術(shù)：

薄膜材料是制造微結(jié)構(gòu)器件的基礎(chǔ)，因此薄膜生長在微加工中占有重要地位。

不同的器件對膜厚的要求差別很大，可以從零點幾納米的單分子直到數(shù)微米或更大厚度。

薄膜的表面和界面狀況、晶體結(jié)構(gòu)和晶體的取向排列、化學(xué)成分和膜層結(jié)構(gòu)以及各種物理性能等都對器件的功能有直接影響。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190按制備薄膜的方法有真空蒸鍍、濺射淀積、電離團束淀積、電鍍和涂覆五種。1、薄膜分類：按薄膜形成的過程，主要有三類：淀積膜外延膜表面改性。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（1）淀積膜：

淀積膜與基板之間有明顯的界面。例如在半導(dǎo)體基板上沉積金屬膜或介質(zhì)膜，膜層與基板的材料組成不同，可以是晶體也可以是非晶體。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（2）外延膜：

外延膜與基板之間有相同或非常接近的晶體結(jié)構(gòu)，膜層的晶格通常是基板晶格的延伸，或與基板晶體共格。

膜層與基板的材料的組成可以相同，例如硅片上外延硅；也可以不相同，如在GaAs基板上生長GaAlAs的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

外延技術(shù)有如下幾種：第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190金屬有機化合物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)等。外延技術(shù)有：

氣相外延(VPE)，也稱化學(xué)氣相淀積(CVD)；液相外延(LPE)；

分子束外延(MBE)；

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（3）表面改性：

表面改性是通過基板的表面化學(xué)反應(yīng)，如硅片氧化生成SiO2，或其它過程，如擴散，離子注入和離子交換等在基板表面形成化學(xué)組成、材料結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)與基板體內(nèi)部有明顯差別的膜層。其特點是整體性好，但不易獲得突變的界面，往往存在一定厚度的過渡區(qū)。下表是微加工技術(shù)中薄膜生長方法及其特點的比較。詳細(xì)介紹如下：第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190硅材料的氧化后，可得氧化硅薄膜。硅氧化有多種方法，其中以熱氧化應(yīng)用最為普遍。

熱氧化硅比其它沉積得到的氧化硅薄膜具有更好的特性。

氧化硅薄膜可用于硅表面的保護（如在各向異性腐蝕中）、擴散和離子注入時的掩膜、電解質(zhì)薄膜以及基底和其它材料的界面等。2、幾種膜生長方法：

（1）氧化

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190通常是將硅片置于900—1200℃的氧化環(huán)境（干氧、水汽或濕氧）中，使硅與氧氣或水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，從而制得氧化硅薄膜。反應(yīng)式為：Si+O2SiO2(干氧氧化)

Si+2H2O(水蒸汽)SiO2+2H2(水汽氧化)第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190干氧氧化得到的氧化硅，結(jié)構(gòu)致密、干燥、均勻性和重復(fù)性好、掩膜能力強，與抗蝕劑的粘附性好，光刻時不易浮膠，鈍化效果好。但氧化的速率慢。水汽氧化速率快，但得到的氧化硅的結(jié)構(gòu)疏松，對磷擴散的掩膜能力差，穩(wěn)定性也不理想，在器件生產(chǎn)中很少單獨采用水汽氧化。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190氧化的過程可以理解為：首先是氧化劑(氧氣或水汽)與硅片表面的硅原子起化學(xué)反應(yīng)形成表面的氧化硅，而后氧不斷向內(nèi)層擴散進入氧化硅和硅的界面，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成新的氧化硅，使氧化硅薄膜增厚。因此氧化的速率受到以下兩種因素的限制：(i)硅和氧化劑在界面的反應(yīng)速率；(ii)氧在已經(jīng)形成的氧化膜中的擴散速率。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190一般在氧化膜較厚時，后者占主導(dǎo)地位，因此氧化膜的厚度的增加取決于氧在膜內(nèi)的擴散速度，與時間的關(guān)系是非線性的。在特定的溫度下，氧化膜的厚度與時間成拋物線關(guān)系。同時氧化的速率還與硅片的晶向、摻雜的雜質(zhì)種類和濃度以及氧化氣體的分壓有關(guān)。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190電子束加熱法可以蒸發(fā)熔點較高的金屬(如W、Mo、Ta等)，沉積的速率高，沒有發(fā)熱材料的沾污。（2）真空蒸發(fā)：

蒸發(fā)是通過加熱方法將需要制備薄膜的材料在真空（10－4--10－5Pa）中氣化，隨后沉積在基板表面獲得薄膜的方法。

加熱一般采用電阻加熱或電子束加熱方法。

電阻加熱法簡單、經(jīng)濟，但蒸發(fā)的薄膜可能受發(fā)熱材料的沾污。

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190在蒸發(fā)過程中，常常將基板置于行星式裝片裝置上，使基板在薄膜沉積過程中，不但圍繞行星旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，還圍繞基板的中心軸旋轉(zhuǎn)。這可以改善薄膜的均勻性和由于陰影效應(yīng)，出現(xiàn)薄膜內(nèi)部不均勻等問題。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190濺射是用帶正電荷的氣體離子轟擊靶材表面，使靶材原子從其表面逸出，沉積在基板上的過程。濺射腔室的本底真空一般為10－4-10－5Pa，濺射時使用的濺射氣體通常為惰性氣體氬氣。如右圖所示。（3）濺射：圖B－5濺射裝置結(jié)構(gòu)示意圖

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190磁控濺射和離子束濺射等。這種沉積方法適合于金屬、合金以及電解質(zhì)材料。

應(yīng)用濺射獲得的薄膜致密、成分易于控制，因此得到迅速發(fā)展。目前已經(jīng)開發(fā)了多種濺射方法：直流濺射射頻濺射第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（一）直流濺射：

在直流濺射時靶材(陰極)和基板(陽極)之間附加高的直流電壓，使濺射氣體發(fā)生輝光放電形成離子，由于正離子對陰極靶材的轟擊，使靶材表面的原子濺出，沉積到基板的表面。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（二）射頻濺射：

射頻濺射是在靶材和基板之間附加頻率為13.56MHz的射頻電壓。它可以濺射電解質(zhì)材料，因為在射頻電壓的作用下，電壓的前半周絕緣材料表面聚集的正電荷可以在后半周被中和，使得濺射能繼續(xù)進行。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（三）磁控濺射：

磁控濺射是在靶材的底部加上永久磁鐵，使靶的表面產(chǎn)生與電場方向垂直的磁場，電子在磁場的作用下被限制在靶表面上一個較窄小的區(qū)域里沿近似擺線的軌跡運動，從而增加了電子與氣體分子的碰撞次數(shù)，增加了等離子體的密度，因此可降低工作氣壓，提高濺射速率。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190由于這種濺射可在較低的工作氣壓下進行，得到的薄膜雜質(zhì)少。另外靶材轟擊出來的二次電子受磁場的約束不再直接轟擊基板，使得沉積過程中基板保持在較低溫度，可得到性能優(yōu)良的器件。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（四）其它濺射：

上述濺射中，選擇了一定的靶材后，在制備工藝上需控制濺射的氣壓、氣體的流量、電壓(功率)、基板的溫度和偏壓等參數(shù)，從而實現(xiàn)對薄膜特性的控制。

如果在濺射氣體中加入一定量的反應(yīng)氣體(如N2，O2等)，就會在基板上獲得靶材和反應(yīng)氣體的化合物薄膜，這就是所謂的反應(yīng)濺射。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190

離子束濺射的濺射離子不是由輝光放電產(chǎn)生，而是來自獨立的離子源。離子在電場作用下進入真空室，轟擊靶材上的原子。這種方法使離子束的能量和束流不取決于靶材，可以單獨進行控制，而且可以調(diào)節(jié)入射角，以獲得較高的濺射效率。

濺射腔中的真空度較高(高于1.33×10－3Pa)，薄膜中的雜質(zhì)較少。此方法也可以用于電介質(zhì)材料的沉積，其電荷的積累通過燈絲發(fā)射的電子加以消除。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190化學(xué)氣相沉積(CVD)是指一種或幾種氣態(tài)化合物在基板的表面反應(yīng)形成固態(tài)薄膜的過程。

（4）化學(xué)氣相沉積(CVD)：

化學(xué)反應(yīng)的能量由加熱、光化學(xué)或等離子放電等提供。

化學(xué)氣相沉積具有生產(chǎn)量大，薄膜的厚度、成分、結(jié)構(gòu)易于控制，與基板具有很好的粘接性和良好的電學(xué)特性等優(yōu)點。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（五）金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積

（MOCVD）?；瘜W(xué)氣相沉積的種類很多，目前最常用的有：（一）常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)；（二）低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)；

（三）離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)；（四）紫外光或微波增強的化學(xué)氣相沉

積（光輔助CVD，MPECVD）；第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190化學(xué)氣相沉積設(shè)備一般由反應(yīng)腔、基板架、可控的氣體導(dǎo)入系統(tǒng)、溫度可控的基板加熱系統(tǒng)等組成，如下圖所示。圖B－6LPCVD反應(yīng)器及系統(tǒng)第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190常壓CVD載氣用量大，產(chǎn)量較低。在低壓CVD中，需要有真空系統(tǒng)，工作氣壓在10--1000Pa。由于工作氣壓較低，有利于氣體向基板的擴散，改善了薄膜的均勻性。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190三溫區(qū)加熱爐薄膜制備過程中，可以通過控制溫度、溫度梯度、總壓力、反應(yīng)氣體的氣壓、抽氣速率和基板間隙來實現(xiàn)對沉積材料性質(zhì)的控制。

當(dāng)然物理增強沉積薄膜的性質(zhì)還與采用的增強手段等因素有關(guān)。沉積薄膜的控制：第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190離子增強CVD、光輔助CVD、微波增強CVD等分別需要增加射頻發(fā)生系統(tǒng)、紫外光或微波系統(tǒng)。由于這些物理因數(shù)，促使反應(yīng)氣體離解因而降低了反應(yīng)器的溫度，有利于器件的制備。

金屬有機化合物CVD是利用金屬有機化合物分解的溫度較低，從而可在較低反應(yīng)溫度沉積薄膜，得到外延生長的化合物半導(dǎo)體薄膜。金屬有機化合物CVD得到的薄膜純度和質(zhì)量較高。金屬有機化合物CVD裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖B－7MOCVD裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

（a）立式反應(yīng)管（b）臥式反應(yīng)管第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190由于化學(xué)氣相沉積所用的氣體大多具有毒性和爆炸性等危險，化學(xué)氣相沉積設(shè)備都需放置在帶有通風(fēng)的凈化臺內(nèi)，廢氣應(yīng)加淋洗處理，有時在排放之前還需加以稀釋等措施。

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（5）擴散與離子注入：

摻雜是半導(dǎo)體技術(shù)中的主要工藝之一，它是將所需的雜質(zhì)按要求的濃度與分布摻入半導(dǎo)體材料的特定區(qū)域中，以改變材料的特定區(qū)域的電學(xué)性質(zhì)。

擴散和離子注入是最常用的摻雜方法。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（一）擴散：

擴散通常分兩步完成，預(yù)擴散和再分布。

1）預(yù)擴散：雜質(zhì)原子從擴散源輸送到基板表面，并向基板內(nèi)部擴散。由于預(yù)擴散的溫度較低，所以擴散的較淺。此步的目的是為了控制雜質(zhì)的數(shù)量。2）再分布：將預(yù)擴散到基板表面的雜質(zhì)作為擴散源，在高溫下進行擴散。擴散的同時往往進行氧化。再分布的目的為了得到所需的擴散深度和濃度。擴散后在基板表面會有一層薄的高摻雜的氧化層。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190離子注入是將需注入的雜質(zhì)原子進行電離，在高壓作用下獲得很高的能量(3－500keV)后，轟擊基板表面，使其進入基板內(nèi)部，而后再進行退火使雜質(zhì)激活，同時退火還可以消除因注入引起的晶體損傷。

注入的離子在基板中的濃度分布與注入的離子質(zhì)量、能量、劑量、靶溫、晶體取向以及退火的工藝等因素有關(guān)。（二）離子注入：第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190離子注入摻雜具有均勻性和重復(fù)性好、沾污少、可摻雜材料多、掩膜選擇靈活、易實現(xiàn)突變的雜質(zhì)分布、熱缺陷少、橫向效應(yīng)小以及對化合物半導(dǎo)體的組分影響小等方面的優(yōu)點。（三）擴散與離子注入比較：第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190三、刻蝕技術(shù)：

圖形技術(shù)僅僅是在基板表面形成的抗蝕劑圖形，尚需要把抗蝕劑的圖形精確地轉(zhuǎn)移到基板或基板表面薄膜上。通常把這一過程稱為刻蝕。

1、按成形進程分，刻蝕有兩種工藝：（1）減法(subtractive)工藝；

（2）加法(additive)工藝。

兩工藝比較如下圖所示。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（1）減法(subtractive)工藝：

減法的工藝過程為先淀積—層薄膜，然后在上面涂覆抗蝕劑經(jīng)光刻形成圖形，最后通過刻蝕去除沒有被抗蝕劑保護的那部分薄膜，如右圖所示。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（2）加法(additive)工藝：

先在基板上涂覆抗蝕劑經(jīng)光刻形成圖形，然后再淀積薄膜，這時一部分薄膜淀積在基板表面，另一部分淀積在抗蝕劑表面，最后在去除抗蝕劑時這部薄膜將隨之一起被清除，這種過程也稱為剝離(lift—off)。必須指出，如果采用同一種抗蝕劑（例如正膠），為了獲得相同的最終圖形，則二種方法所采用的掩膜版是相反的。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖2-8兩種圖形轉(zhuǎn)移方法

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1902、根據(jù)刻蝕是液相過程還是氣相過程又把刻蝕分為濕法和干法。（1）濕法刻蝕主要是化學(xué)作用。（2）干法刻蝕方法較多，有主要是化學(xué)作用的等離子體刻蝕；主要是物理作用的離子束刻蝕(IBE)和濺射刻蝕（SE）；以及化學(xué)作用和物理作用相互增強的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)和反應(yīng)離子束刻蝕(RIBE)。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190刻蝕工藝的基本要求是真實地轉(zhuǎn)移圖形，但實際總存在一定的偏差B，它由抗蝕劑圖形尺寸df和掩膜圖形尺寸dm確定：

B=df—dm

刻蝕的這種偏差是由于刻蝕的方向性造成的，如下圖所示。圖2－9刻蝕偏差示意圖

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190

如果刻蝕只沿垂直于膜面的方向進行，而不在水平方向進行的稱為各向異性刻蝕，如圖2－10(a)所示，這時抗蝕劑圖形的側(cè)面與掩模圖形一致，刻蝕偏差為零，如下圖所示。3、各向異性刻蝕和各向同性刻蝕第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190

如果刻蝕在薄膜的垂直和水平方向同時以相同的速度進行刻蝕，這時在抗蝕劑下薄膜的側(cè)面經(jīng)刻蝕后會形成四分之一圓弧狀，刻蝕偏差與膜厚相同，這種刻蝕稱為各向同性刻蝕，如下圖所示。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190刻蝕各向異性的程度取決于橫向和縱向的刻蝕速率的比值，可以用各向異性因子Af來表示：

Af=1–Vfl/Vfv(B－4)

式中Vfl和Vfv分別表示薄膜的橫向和縱向的刻蝕速率。

在各向同性刻蝕時，

Vfl=Vfv，所以Af=0第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190當(dāng)橫向刻蝕速率Vfl=0時，則Af=1，表示完全各向異性刻蝕，當(dāng)0<Af<1時，也稱為各向異性刻蝕，但這時掩模下的薄膜在橫向也有被刻蝕的現(xiàn)象，這種刻蝕又稱為鉆蝕。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（1）濕法刻蝕

將被抗蝕劑覆蓋的基板浸泡在腐蝕液中、或?qū)⒏g液噴灑到基板上，使未被抗蝕劑保護的材料與腐蝕液起化學(xué)反應(yīng)，逐漸被腐蝕掉。選擇適當(dāng)?shù)母g液配方可以獲得良好的刻蝕選擇性。

在微機械加工中為了去除犧牲層而保留運動部件和基板，通常也采用濕法刻蝕方法進行。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190濕法腐蝕的工藝和設(shè)備簡單、刻蝕速率快、生產(chǎn)效率高，是主要的刻蝕手段。但由于濕法刻蝕完全是化學(xué)作用，易于發(fā)生鉆蝕，所以刻蝕的分辨率不高，線條不陡直，但薄膜較薄時影響不太大。

將雙層材料放在某種刻蝕劑中，如下層材料易被腐蝕，這也稱為鉆蝕，在表面微機械加工中犧牲層就是利用這種鉆蝕方法進行加工的。濕法刻蝕腐蝕液大多具有強腐蝕性或含有有毒的物質(zhì)，使用時應(yīng)注意安全生產(chǎn)和環(huán)境保護。

在半導(dǎo)體微機械加工中常用的腐蝕劑如下表所示。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（2）干法刻蝕

干法刻蝕也是微電子工藝中制作圖形的常用方法。它是通過氣體分子與樣品表面的原子進行物理作用、化學(xué)作用或物理化學(xué)作用從而實現(xiàn)刻蝕的功能。

與濕法腐蝕的工藝相比，此工藝可以加工更細(xì)的微結(jié)構(gòu)。

因為在濕法工藝中，腐蝕一般是各向同性的，在結(jié)構(gòu)的每一邊，鉆蝕的程度與薄膜的厚度相當(dāng)。另一方面，為了保證要刻蝕的薄膜徹底腐蝕，常常需要過腐蝕，這就進一步加大了鉆蝕的寬度，鉆蝕的寬度有可能達到厚度的兩倍。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190濕法腐蝕是無法制作2m以下數(shù)量級的微結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代在制作互補型金屬氧化物集成電路（CMOS）工藝中，需要1m以下的微結(jié)構(gòu)，必須采用干法刻蝕。

在微系統(tǒng)中，干法工藝進一步被發(fā)展，通過對側(cè)壁的保護，可以制造高深寬比的微結(jié)構(gòu)，刻蝕的深度達數(shù)百微米。

與此同時，干法刻蝕也可用通過側(cè)向的鉆蝕，制作獨立的微結(jié)構(gòu)。干法刻蝕已成為微系統(tǒng)中的關(guān)鍵加工技術(shù)。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190干法刻蝕包括等離子體刻蝕、濺射刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕。它們與濕法刻蝕不同，不是在液相條件下而是在氣相狀態(tài)下進行的。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190等離子體刻蝕是利用等離子體與基板產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)來進行刻蝕，如下圖所示。圖2－11圓桶形和平板形等離子體刻蝕裝置

通入腔體的稀薄反應(yīng)氣體在高電壓作用下產(chǎn)生輝光放電，刻蝕氣體分子在電子的撞擊下，積聚能量成為活性的游離基或被電離成離子。這種粒子具有較強的化學(xué)活性，易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如CF4氣體，并不能直接與硅產(chǎn)生反應(yīng)，但CF4被激發(fā)后，其中的氟原子就易與硅進行化學(xué)反應(yīng)。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190由于在等離子刻蝕的反應(yīng)室內(nèi)存在各種高能粒子，它們轟擊抗蝕劑使刻蝕圖形損傷；形成各向同性的化學(xué)反應(yīng)、無方向性的腐蝕。

為了避免電子、離子和光對抗蝕劑的影響，采用如下圖所示的微波等離子體刻蝕裝置，將放電區(qū)和反應(yīng)區(qū)分開，放電區(qū)產(chǎn)生的活性游離基由氣流輸送到樣品表面而引起刻蝕。圖2－12微波等離子體刻蝕裝置第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190典型IC工藝方法第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190近年來由于IC工藝技術(shù)的發(fā)展，使平面微加工技術(shù)得到了長足的進步，達到了完臻的地步。為了迅速滿足微系統(tǒng)的要求，將平面微加工技術(shù)使用到微系統(tǒng)中，建立了硅材料的微機械加工技術(shù)。該項技術(shù)主要包括以下三種：第3節(jié)

硅材料微機械加工技術(shù)

MEMS加工技術(shù)是加工具有一定厚度的三維加工技術(shù)。IC工藝是二維加工即平面加工技術(shù)。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190硅材料的微機械加工技術(shù)包括：

1、表面微機械加工；2、體腐蝕加工技術(shù)；3、鍵合技術(shù)。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190一、表面微機械加工技術(shù)

表面微機械加工是發(fā)展了的平面微細(xì)加工技術(shù)，其特點是采用犧牲層，即先在基板上沉積一層犧牲層，然后在犧牲層上再制作結(jié)構(gòu)層（包括運動件），在微結(jié)構(gòu)加工成特定的形狀后，再將犧牲層腐蝕掉，就得到了自由的微結(jié)構(gòu)層。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖2－14表面微機械加工工藝過程

表面微機械加工工藝制造一層自由結(jié)構(gòu)的原理過程。這里的犧牲層為氧化硅，結(jié)構(gòu)層為多晶硅。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1902、表面微機械加工工藝與CMOS工藝的兼容性好，可以將微機械系統(tǒng)和控制的集成電路集成在一起，因此這種加工工藝更適合于制造智能微系統(tǒng)。

表面微機械加工技術(shù)的特點1、用表面微機械加工實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)的尺寸可以在2mm左右，甚至亞微米的結(jié)構(gòu)，其極限尺寸主要受刻蝕（比如，反應(yīng)離子刻蝕RIE）工藝的限制。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1903、表面微機械加工技術(shù)使設(shè)計有了更大的靈活性。表面微機械加工技術(shù)可加工可動的微部件，如靜電型微馬達。可加工有懸臂梁的微探測器、諧振器、可動微反射鏡、光快門、加速度傳感器和微陀螺等。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖2－15

表面微機械加工技術(shù)制備靜電型微馬達的工藝流程第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190

表面微機械加工技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵是選擇合適的結(jié)構(gòu)層和犧牲層的材料。它們必須滿足以下5方面的要求：（一）對犧牲層材料的要求（1）犧牲層必須具備良好的機械性能（如粘附性好，低殘余應(yīng)力等），以防止在加工過程中器件失效（如剝離、斷裂等）的發(fā)生。

（2）在特定的刻蝕工藝中，結(jié)構(gòu)層和犧牲層之間的腐蝕速率差別大，即腐蝕的選擇性高。

犧牲層在刻蝕中必須是各向同性的，而且腐蝕的速率要快，不留殘物。或者要有對上下層材料幾乎不侵蝕的刻蝕介質(zhì)。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（3）在犧牲層薄膜形成的溫度范圍內(nèi)不與上下層材料產(chǎn)生反應(yīng)。

（4）如果形成溫度較高，則要求犧牲層與上下二層材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)相近。

（5）如果需要與集成電路集成在一塊芯片上，其加工工藝應(yīng)與CMOS工藝相容。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（二）對運動部件材料的要求

隨著器件尺寸的減少，器件的固有振動頻率提高，因此微器件可以進行高速運動。而隨著尺寸的減少，運動器件的摩擦阻力也隨之迅速增大。因此對于運動部件材料選擇應(yīng)考慮如下4個方面的問題：電和熱的絕緣和傳導(dǎo)；熱膨脹系數(shù)；與犧牲層材料刻蝕特性的差異；機械和熱的強度等。以下具體討論典型器件的要求。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（三）典型微系統(tǒng)的設(shè)計考慮的問題

1、對于靜電型運動器件，如微馬達的轉(zhuǎn)子、直線型驅(qū)動器、多模振子等微結(jié)構(gòu)：要求其結(jié)構(gòu)利于靜電驅(qū)動，同時電極之間應(yīng)絕緣。轉(zhuǎn)動器件必須具有較高的機械強度和低的摩擦系數(shù)，而且要能承受在刻蝕犧牲層時腐蝕液的腐蝕。要解決摩擦問題：

（1）從材料選擇上考慮。實驗證明多晶硅和氮化硅的摩擦系數(shù)比硅和硅之間的摩擦系數(shù)小；

（2）從接觸部位的材料上考慮。在轉(zhuǎn)子的接觸表面濺射潤滑材料（如二硫化鉬），以增加潤滑；

（3）從結(jié)構(gòu)上考慮。可以設(shè)計一種結(jié)構(gòu)，利用轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動時的空氣壓力使運動部分上浮以減少接觸面積和摩擦力。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1902、對于壓力、加速度和觸覺等傳感器以及微型泵等，都需要有高強度隔膜以隔離腔內(nèi)外空間。

這一類隔膜要求具有較高的機械強度和優(yōu)良的彈性性能。可采用氧化硅、氮化硅或者摻硼硅等薄膜制備，但這些制備的薄膜一般都具有較大的且取向不同的內(nèi)應(yīng)力。使制備的薄膜不平整。采用不同的材料而采用同樣的工藝制備，則得到的薄膜其彎曲變形的情況是不同的。

有時為了得到彎曲變形較小的隔膜可以采用內(nèi)應(yīng)力方向不同的多層薄膜組成，如，采用SiO2/Si3N4/SiO2的多層結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)應(yīng)力的抵消，可減少其彎曲變形。

微型閥件的閥門材料，希望既具有優(yōu)良的彈性同時應(yīng)有適當(dāng)?shù)娜彳浶裕话憧刹捎媚?00C機械性能優(yōu)良的聚酰亞胺有機絕緣化合物或者厚度為5~10m硅薄膜。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（三）表面微機械加工中的一些問題

表面微機械加工制備的結(jié)構(gòu)的線度常常是在數(shù)百微米，而間隙卻是微米量級，因此，表面微機械加工必須避免微結(jié)構(gòu)的變形和粘附問題。

微結(jié)構(gòu)特別是運動結(jié)構(gòu)必須非常平直，沒有彎曲，以免結(jié)構(gòu)在運動時與基板相碰而增加摩擦阻力。

如上所述，要求制備的結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)無應(yīng)力。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖B－17基板和微結(jié)構(gòu)形成粘附的過程

粘附是表面微機械加工中的一個突出問題，在濕法腐蝕時尤為嚴(yán)重。一般在犧牲層被腐蝕后，將基板置于去離子水或乙醇中清洗并被干燥。顯然無微結(jié)構(gòu)的區(qū)域先被干燥，此時就會有一些殘余的液滴留在微結(jié)構(gòu)和基板之間，進一步干燥可使液滴減小，最終消失。而此時由于液體表面的張力使薄而長的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲，并將微結(jié)構(gòu)吸附到基板的表面。當(dāng)液體完全揮發(fā)后，微結(jié)構(gòu)仍然被粘附在基板的表面。粘附的形成過程如左圖所示。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖2－18三相圖

粘附問題是由于液滴的汽化引起的。左圖是物質(zhì)氣、液、固三態(tài)存在的三相圖。根據(jù)三相圖，物質(zhì)從液體變?yōu)闅鈶B(tài)有多種途徑。直接從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)會產(chǎn)生粘附。而從液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w還存在另外二種途徑：即繞過三相點法和繞過臨界點法的二個途徑。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190在超臨界狀態(tài)下，流體的物理性質(zhì)處于氣體和液體之間，既具有與氣體相當(dāng)?shù)臄U散系數(shù)和較低的粘度，又具有與液體相近的密度和對物質(zhì)良好的溶解能力。因此，超臨界流體是存在于氣、液這兩種流體狀態(tài)以外的第三流體。

超臨界流體的特性。例如，超臨界流體分子的擴散系數(shù)比一般液體高10～100倍，有利于傳質(zhì)和熱交換。其次是可壓縮性，溫度或壓力較小的變化可引起超臨界流體的密度發(fā)生較大的變化。大量的研究表明，超臨界流體的密度是決定其溶解能力的關(guān)鍵因素，改變超臨界流體的密度可以改變超臨界流體的溶解能力。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190二、體微機械加工技術(shù)

使用傳統(tǒng)的微細(xì)加工或精密的機械加工方法對硅進行深層加工都存在著一定的困難。通常采用掩膜深刻蝕技術(shù)解決這個問題。

硅的體腐蝕分為各向同性刻蝕和各向異性刻蝕。

下圖是硅在液體介質(zhì)（濕法）和氣體介質(zhì)（干法）中的各向同性和各向異性刻蝕的幾種情況的例子。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖2－20硅的各種刻蝕方法第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1901．各向同性刻蝕

硅的濕法各向同性刻蝕廣泛用于：(a)受損硅表面的去除；(b)在單晶硅上制作微結(jié)構(gòu)；(c)在單晶硅或多晶硅上生成圖形。

最常用的硅的各向同性腐蝕介質(zhì)是氫氟酸（HF）、硝酸（HNO3）和水或冰醋酸（CH3COOH）的混合物，通常稱之為HNA混合液。

在HNA系統(tǒng)中，其刻蝕的反應(yīng)過程可以簡述如下：第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190硅表面原子產(chǎn)生陽極反應(yīng)形成兩個空穴，與水中OH－結(jié)合形成Si(OH)2，而后又分解成SiO2和H2，氫氟酸再與SiO2作用形成絡(luò)合物（H2SiF6），離開硅表面。

(1)硅表面原子產(chǎn)生陽極反應(yīng)形成兩個空穴

Si+2h+Si2+

(2)腐蝕液的水解離H20=(OH)－+H+

(3)生成氫氧化硅Si2++2(OH)－

Si(OH)2

分解反應(yīng)生成氧化硅Si(OH)2SiO2+H2

(4)生成可溶性絡(luò)合物

Si(OH)2+6HFH2SiF6+3H20

SiO2+6HFH2SiF6+2H2O

(5)總的反應(yīng)式可寫成

Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖2－21腐蝕液組成和腐蝕溫度對硅各向同性腐蝕速率的影響左圖為腐蝕液的組成和溫度對硅的各向同性腐蝕速率的影響。腐蝕液中HF的含量在5~60%左右時，隨著氫氟酸含量的增加，刻蝕速率迅速增加。隨腐蝕溫度的提高，腐蝕速率也迅速增加。各向同性刻蝕會導(dǎo)致掩膜下材料的不均勻腐蝕，在使用時應(yīng)予注意。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1902．各向異性刻蝕

硅在堿性溶液中，不同晶面具有不同的刻蝕速率，即具有各向異性刻蝕性能，這是微系統(tǒng)經(jīng)常采用的微加工方法。濕法各向異性刻蝕的刻蝕劑主要有以下4種：KOH－H2O系；EDP（乙二胺焦性鄰笨二酚水溶液）；(N2H2)－H2O（聯(lián)胺水溶液）；TMAH（四甲基氫氧化銨）。各種溶液對硅的腐蝕速率如下表所示。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190下面以氫氧化鉀水溶液對硅的各向異性刻蝕為例，說明硅的各向異性刻蝕原理。硅在氫氧化鉀水溶液中的反應(yīng)非常簡單，反應(yīng)按下式進行：

Si+H2O+2KOH=K2SiO3+2H2

反應(yīng)生成物是可溶性硅酸鉀K2SiO3，因此浸沒在氫氧化鉀水溶液中硅片表面原子將不斷向水溶液溶解，從而產(chǎn)生了硅的刻蝕。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190如圖2－22所示硅晶體具有金剛石結(jié)構(gòu)，硅晶體在不同的表面顯露時，其表面原子懸掛鍵數(shù)量是不同的，即顯露在外表面不同晶面上的原子和內(nèi)層原子的結(jié)合力是不同的，因此不同晶面原子在溶液中的刻蝕速率也不同。圖2－22硅的晶體原子鍵結(jié)構(gòu)圖第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190三、鍵合技術(shù)

作為微系統(tǒng)三維加工技術(shù)除上述除去式（硅各向異性刻蝕、精密機械加工、激光加工等）加工方法以外，還有結(jié)合式的加工方法，即將用各種微加工方法加工出來的微結(jié)構(gòu)相互結(jié)合在一起形成一個具有優(yōu)良性能的微結(jié)構(gòu)器件。

基板和器件以及基板之間的結(jié)合稱為鍵合。鍵合的方法較多，有膠結(jié)（如環(huán)氧等有機材料）、低溫玻璃鍵合、共晶鍵合、直接鍵合、靜電（陽極）鍵合等，其中直接鍵合和靜電鍵合方法不會造成變形，利于保證微器件的尺寸精度，所以這兩種鍵合方法是微機械加工中最重要的鍵合方法，典型的方法如下圖所示。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖2－31基板鍵合方法示意圖

?共晶鍵合第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1901．直接鍵合

直接鍵合又稱熔合鍵合，它是硅與硅或有氧化膜硅片之間的鍵合，中間無需添加任何粘結(jié)劑，也無需外加電場?；镜墓に囘^程為：

(1)首先對硅片表面進行活化處理，形成親水表面，提高表面氫氧基的密度。

(2)硅片經(jīng)等離子水沖洗后烘干，在室溫下將兩硅片面對面貼在一起。

(3)將貼好的硅片放在高溫爐中加熱至1000~1273K，在O2或N2的氣氛中進行高溫處理數(shù)小時（絕對溫度等于攝氏溫度加273）。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190鍵合原理

由于界面處的硅原子在范德瓦爾斯力和氫氧基團的氫鍵的作用，使兩硅片粘附在一起。

當(dāng)硅片表面的氧化膜完全被去除時，可以在比較低的溫度（450K左右）進行鍵合，這時鍵合的硅片就具有了足夠的結(jié)合強度。

這種鍵合非常穩(wěn)定，并且不隨時間改變。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190特點：

（1）實現(xiàn)了無中間層的鍵合，因此不會產(chǎn)生任何應(yīng)力。

（2）對硅片表面的平整度、沾污和塵埃特別敏感。

（3）有機物的沾污會在熱處理時釋放氣體，形成空洞。

（4）鍵合面在塵埃周圍存在一個圓形未鍵合的區(qū)域，所以在清洗、干燥以及整個操作過程中必須十分注意避免塵埃對硅片表面的沾污。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1902．靜電鍵合

靜電鍵合又稱為陽極鍵合，這種方法適合于硅片和富鈉玻璃基板之間鍵合。

采用與硅膨脹系數(shù)（3.2×10－6/℃）相近的Pyrex玻璃與硅重疊，加熱至573-773K，在玻璃一側(cè)附加500-1000V的負(fù)高壓，并附加一定的壓力，在保持一定時間后，即完成玻璃和硅之間的鍵合。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1903．低溫玻璃鍵合

由于靜電鍵合時硅片和玻璃的界面上存在很強的電場，這可能對電子電路產(chǎn)生損傷。為了避免電場對器件的損傷，在鍵合時應(yīng)避免施加電壓。

低溫玻璃鍵合是將低溫玻璃涂敷在鍵合的面上，再與要鍵合的基板疊在一起，附加一定的壓力和溫度使它們鍵合在一起。

低溫玻璃鍵合一般是把玻璃加熱到熔融狀態(tài)，并附加一定的壓力使玻璃發(fā)生塑性變形，從而使硅片牢固地結(jié)合在一起。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1904．共晶鍵合

為了降低硅片的鍵合溫度也可采用共晶鍵合方法。

金硅合金共晶溫度在370℃左右，因此可以先在一塊硅片上沉積一層金薄膜，隨后將此硅片貼在另一硅片上，形成硅－金－硅的三明治結(jié)構(gòu)。當(dāng)對其加熱并附加一定的壓力，且加熱溫度超過金硅共晶溫度370℃以上時，則在二硅片的界面上形成金硅共晶合金。冷卻后，二硅片被界面上形成的共晶合金融合在一起達到鍵合的目的。

為了獲得高的鍵合質(zhì)量，必須在沉積金之前去除硅片表面的自然氧化層。

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1905．有機鍵合

如果鍵合的器件不能承受低溫玻璃鍵合和陽極鍵合的高溫，就可以采用類似膠水的聚合物進行鍵合。

如采用聚酰亞胺和環(huán)氧樹脂等都可以達到中等的鍵合強度。大多數(shù)的聚合物與硅的粘附性能都不好，需要用有機硅打底膜。

與前面介紹的鍵合相比，這種鍵合因聚合物的老化等因素影響，其鍵合質(zhì)量不太穩(wěn)定，并且會引起器件特性的漂移。然而這種鍵合技術(shù)的鍵合溫度較低，可以在130℃以下實現(xiàn)，對器件的影響較小，但鍵合強度不太高。

第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第4節(jié)LIGA加工技術(shù)

LIGA技術(shù)是80年代中期由德國Karlsruhe（卡爾斯魯厄原子核物理研究中心）開發(fā)成功的。

它由用同步輻射光源進行X射線深層光刻、微電鑄和微塑注等工藝組成。

LIGA就是德文Lithographie,Galvanofomung和Abformung三種工藝的縮寫。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190LIGA工藝中由于使用同步輻射準(zhǔn)直的X射線進行深層光刻，可得到側(cè)壁陡直、厚度達到1000m，深寬比可達到100的光刻膠微結(jié)構(gòu)，這是硅的微機械加工方法所無法實現(xiàn)的。

運用隨后電鑄技術(shù)獲得的金屬微結(jié)構(gòu)作為模具，可對多種材料（如高分子、多種金屬或陶瓷材料等）進行批量生產(chǎn)、制造出高深寬比的三維微結(jié)構(gòu)器件。

該項技術(shù)為微機械加工提供了全新的手段，在其出現(xiàn)后即得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖2－32LIGA技術(shù)的工藝流程第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190LIGA技術(shù)分8個工序。

首先需要高反差的X射線掩膜版，它由厚度約為10m以上X射線吸收體和由Be或摻雜Si、鈦、金剛石等薄膜制成的支撐層組成；

采用波長在0.2-0.6nm同步輻射的光線束進行曝光，經(jīng)顯影后可得到幾百微米深的抗蝕劑微結(jié)構(gòu)；

用此微結(jié)構(gòu)進行微電鑄制成金屬模具，電鑄材料根據(jù)要求可以是鎳、銅、金、鐵鎳合金等；第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190運用金屬模具進行塑注或熱壓，批量制備塑料微器件；

以塑料微器件進行第二次微電鑄，從而得到所需要的金屬微結(jié)構(gòu)。也可以用塑料微器件作模具制造陶瓷微器件。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖2－33采用LIGA技術(shù)制備的微加速度計及其靈敏度曲線。LIGA技術(shù)還可進行套刻以得到可動的微結(jié)構(gòu)，下圖是采用LIGA技術(shù)制備的微加速度計及其靈敏度曲線。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190一、X射線源

LIGA技術(shù)是為了得到深度達到幾百微米且側(cè)壁陡直的微器件，因此要求光源具有高的光強且為平行光。

同步輻射X光源是LIGA技術(shù)的理想光源。同步輻射是由電子同步加速器產(chǎn)生的強輻射。電子在儲存環(huán)中以接近光速的速度運動，在磁場的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時就會產(chǎn)生具有一定波長范圍的電磁波（X射線）輻射。

其輻射強度比普通X射線源要高幾個數(shù)量級，其輻射X光強度與電子儲存環(huán)的設(shè)計參數(shù)，如電子能量E(GeV)、電子束流I(A)、磁場強度B(T)和環(huán)的彎曲半徑R(m)等有關(guān)。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190二、X射線掩膜版

X射線掩膜版和普通光刻掩膜版一樣，它包括二個基本部分，一個是用于吸收X射線的吸收體，另一個是用來支撐吸收體同時能最大限度地透過X射線的支撐層。

物質(zhì)對X射線的吸收系數(shù)與物質(zhì)的原子序數(shù)、密度等因素有關(guān)，原子序數(shù)越高、密度越大對X射線的吸收越強。

對于支撐層來說，為了降低其對X射線的吸收，除了要求用對X射線吸收較低的低原子序數(shù)材料制造以外，還要求其厚度越薄越好，但仍具有足夠強度來支撐具有一定質(zhì)量的吸收體，因此制作較大面積的掩膜版時存在一定的困難。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190三、微電鑄

電鑄是利用金屬離子向陰極的電沉積原理制取零部件的一種工藝方法。

電鍍和電鑄的不同在于電鍍僅僅制備薄膜，而電鑄可得到機械部件。

在LIGA技術(shù)中微電鑄是采用經(jīng)同步輻射X射線曝光并顯影后的抗蝕劑作為模具，金屬離子的堆積是在抗蝕劑模具上進行的，因此電鑄后的微結(jié)構(gòu)十分精細(xì)，尺寸精度高。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190第5節(jié)其它微細(xì)加工技術(shù)

LIGA技術(shù)是三維加工技術(shù)的一種，除此以外，近年來傳統(tǒng)的精密加工技術(shù)經(jīng)過改造也進入了微機械加工領(lǐng)域。本節(jié)就這幾種特殊的微加工方法進行討論。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190一、電火花加工技術(shù)

通常的機械加工，由于使用尺寸較大的工具來切削材料，因此它并不適用于微機械加工。而在模具加工中常用的電火花加工技術(shù)經(jīng)過改造，就可進行微機械加工。

這種加工方法的優(yōu)點是能夠加工金屬也可加工非金屬，而且是真正的立體加工方法。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190

電火花加工的最小尺度如下表所示，與硅微機械加工相比，約高1-2個數(shù)量級，但它能加工出硅微加工所無法加工的一些微器件。

因此，它也是微機械加工中一種有前途的加工手段。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1901、工作原理

電火花加工是在一定的加工介質(zhì)中，利用兩個電極之間產(chǎn)生電火花放電的電蝕效應(yīng)來去除金屬或非金屬材料的加工方法。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190電火花加工的基本原理如下圖所示。將金屬電極和金屬工件都放在絕緣介質(zhì)（通常用煤油或水作為介質(zhì)）中，并附加一定的脈沖電壓，當(dāng)電極和工件的距離非常接近時（幾個微米到幾百個微米），介質(zhì)的絕緣被擊穿，產(chǎn)生電火花放電。由于采用的電源是脈沖電源，放電時間極短，但放電的能量（106－107W/mm2）很高而且集中，火花產(chǎn)生的熱量足以使材料局部區(qū)域熔化和蒸發(fā)。由于電極不斷向工件送入，工具進入工件內(nèi)部，從而達到加工的目的，得到所要求的微結(jié)構(gòu)。

電火花加工原理示意圖加工工具有部分損耗，但二者相對來說工具的消耗量非常少，即使這樣，它仍然是造成電火花加工精度低的主要原因。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190電火花加工原理示意圖1—工件2—脈沖電源3—自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)4—工具5—工作液6—過濾器7—工作液泵第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190電火花加工時的加工斜度二次放電加工斜度電極損耗棱角變鈍第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1902、部份非金屬材料的電火花加工

非金屬（絕緣體）也可采用電火花方法進行加工，高電壓法和電解液法是相對于不同的非金屬材料發(fā)展的二種電火花加工方法。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190高電壓法中由于電極和工件之間附加了高電壓產(chǎn)生輝光放電，從而使與電極接觸部分工件表面物質(zhì)氣化使之少量被除去，隨著電極的深入在工件表面產(chǎn)生一個加工孔。高電壓法主要用于金剛石的加工。非金屬材料的電火花加工第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1903、電火花線切割

為了提高電火花加工的精度，必須提高工具電極的精度。為此，發(fā)展了電火花線電極磨削法（WireElectro－DischargeGrinding，WEDG）。用這種方法可加工出表面光潔的微器件。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190基本原理：是用連續(xù)移動的細(xì)金屬導(dǎo)線（稱作電極絲）作為工具電極對工件進行脈沖火花放電，切割成形的。a)工件及其運動方向b)電火花線切割加工原理圖第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190WEDG實際上它也是一種電火花加工機，即在電火花加工中成形用的工具電極采用金屬鉬絲，絲沿著導(dǎo)輪行走（速度約為幾十毫米/分），這樣避免了電火花加工的電極損耗對加工精度的影響。

右圖是用絲的外緣來加工電火花加工用的電極，最小加工的電極尺寸達到2.5m。用這種方法可加工出小模數(shù)表面光潔的齒輪。用WEDG加工電火花用電極第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1904、絕緣材料的加工

金屬、合金、硬質(zhì)合金等材料一般都可使用電火花加工。

用提高加工電壓方法可加工半導(dǎo)體，但其加工表面存在污染問題，因此尚未達到實用階段。

絕緣材料的電火花加工是尚須進一步研究的問題。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1905、電火花加工的局限性

由于金屬電極的形狀就是工件上要加工的形狀，因此可以進行多種形狀的加工。

例如可以根據(jù)要求加工出圓孔、方孔、三角形孔以及一定形狀的糟等。

由于電極的側(cè)面和工件之間有幾個微米的間隙，因此在棱角處加工結(jié)果往往不能保證角的尖銳，即為很小的圓角。

一般用電火花加工的最小孔直徑在10m左右，深寬比約為5左右，再高的深寬比用電火花加工是困難的。

使用電火花加工也可以打斜孔，工件越薄加工越方便。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1906、影響電火花加工精度的因素

工具電極的消耗；

放電電路參數(shù)；

材質(zhì)的選擇。

微細(xì)電火花加工電源一般采用RC電路，如下圖所示。加工面粗糙度與RC電路電容量關(guān)系第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（1）放電電路電容的影響

RC電路電容的增大，加工面的粗糙度也隨之增大。

電極和工件之間的間隙也取決于RC電路電容的大小。

隨著RC電路中的電容增大，電路中蓄積的電量增加，因而在放電時熔化的物質(zhì)量增加，加工的物質(zhì)量增大造成加工面的光潔度降低以及電極和工件的間隙增大。

因此為了得到比較好的加工精度和光潔度可以在RC電路中選用比較小的電容。

但是放電電容的降低將使加工效率降低，即加工同樣尺寸的孔徑需要更長的時間。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖2－41電極和工件的間隙與RC電路電容量關(guān)系第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190（2）工具電極的影響

電火花加工貫通孔時，一般進入工件入口的尺寸比電極的尺寸大且比較粗糙，而出口的尺寸和電極尺寸相近且比較光潔。

電火花加工在對工件加工的同時電極材料也隨之損耗，電極的消耗對工件的電火花加工的精度也隨之降低。從形狀上看，棱角部分與平坦部分相比容易損耗。除此以外電極的損耗主要取決于電極和被加工的工件材料選擇。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190下表為用不同尺寸的線材電極加工時長度方向的消耗量（消耗長度/孔深度）的試驗結(jié)果。

由表可見當(dāng)工件是硬質(zhì)合金時用銅、鎢和彈簧鋼制作電極其消耗量較小，用鋁電極的消耗量為最大。對鋼工件來說鎢電極的損耗最小。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190二、激光加工技術(shù)

激光能在較小的面積內(nèi)聚集得到極高的能量密度，因此它具有其它加工方法所沒有的優(yōu)良加工性能。它與電子束加工方法的能量密度（108W/cm2）相近，具有較小的加工熱影響區(qū)，它不需要真空環(huán)境；加工時不與工件接觸，因而有利于實現(xiàn)自動化。

因此這種加工方法越來越得到微機械加工人員的注意。

在微加工領(lǐng)域中常用的激光器有YAG激光器、CO2激光器以及準(zhǔn)分子激光器等，其電源可以用脈沖式，也可用連續(xù)式。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190圖2－42YAG激光加工機YAG激光加工機由激光發(fā)生器（包括脈沖電源）、光路聚焦系統(tǒng)以及載物臺（包括X、Y位置移動）系統(tǒng)等三部分組成。

以下對幾種激光微機械加工技術(shù)進行討論。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)1901、激光打孔

對于堅硬的材料來說，要打一個小孔和加工一根細(xì)縫是非常困難的，但用激光加工卻非常方便。

激光打孔是利用聚焦后激光束在焦點處具有極高的能量密度，照射到任何材料表面都將使光斑點材料氣化（或成為等離子體），因而可在材料上打出微小細(xì)孔（取決于光斑的大?。５诙轮悄芪⑾到y(tǒng)的制造技術(shù)190脈沖式電源供電的激光打孔能有效地減少材料的熱影響區(qū)。

加工孔的質(zhì)量（孔的形狀、大小、深度和加工量等）取決于透鏡的焦距、焦點的位置、激光的能量等因素。

因此在激光打孔時，必須根據(jù)被加工材料的材質(zhì)、尺寸以及加工的目的來選擇適當(dāng)?shù)募庸l件。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190激光輸出功率大、照射時間長則工件獲得的能量多，加工的孔大而深。

但照射時間過長（激光的脈沖寬度大），由于熱傳導(dǎo)使加工表面熔化層和熱影響層增大，從而使表面質(zhì)量惡化，所以一般激光打孔或切割時激光的脈沖寬度不應(yīng)太寬，常用在0.1~1s。第二章智能微系統(tǒng)的制造技術(shù)190激光光斑中心點的光強可用下式計算：

I0=d