MEMS文献综述报告

微机电系统（MEMS）的主要工艺

姓名：曹光浦

班级：02321202

学号：1120120403

指导老师：何光

前言

微电子机械系统（MEMS）的出现，极大地扩展了微电子领域的研究空间。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整系统。MEMS主要包含了微型传感器、执行器及相应的处理电路三部分。作为输入信号的自然界的各种信息，首先通过传感器转化成各种电信号，经过信号处理以后，再通过微执行器对外部世界发生作用。传感器可以把能量从一种形式转化成另一种形式，从而将现实世界的信号（如热、运动等信号）转化成系统可以处理的信号（如电信号）。执行器根据信号处理电路发出的指令完成人们所需要的操作。信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。

微机电系统（MEMS）的主要工艺

1、体加工工艺

1.1腐蚀工艺

腐蚀是指一种材料在它所处的环境中由于另一种材料的作用而造成的缓慢的损害的现象。然而在不同的科学领域对腐蚀这一概念则有完全不同的理解方式。在微加工工艺中，腐蚀工艺是用来“可控性”的“去除”材料的工艺。大部分的微加工工艺基于“Top-Down”的加工思想。“Top-Down”加工思想是通过去掉多余材料的方法，实现结构的加工。（雕刻——泥人）作为实现“去除”步骤的腐蚀工艺是形成特定平面及三维结构过程中，最为关键的一步。

腐蚀工艺简介图

1.2湿法腐蚀

湿法化学腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。所谓湿法腐蚀，就是将晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀，在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触的材

料通过化学反应逐步浸蚀溶掉。用于化学腐蚀的试剂很多，有酸性腐蚀剂，碱性腐蚀剂以及有机腐蚀剂等。根据所选择的腐蚀剂，又可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀剂。各向同性腐蚀的试剂很多，包括各种盐类(如CN基、NH 基等)和酸，但是由于受到能否获得高纯试剂，以及希望避免金属离子的玷污这两个因素的限制，因此广泛采用HF—HNO3腐蚀系统。各向异性腐蚀是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW(乙二胺、邻苯二酚和水)和联胺等，另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如KOH、NaOH、NH4OH 等。

1.3干法腐蚀

干法腐蚀是指利用高能束与表面薄膜反应，形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。干法腐蚀能实现各向异性刻蚀，即纵向的刻蚀速率远大于横向刻蚀的速率，保证了细小图形转移后的高保真性。但工艺设备昂贵，不适用于生产。

就湿法和干法比较而言，湿法的腐蚀速率快、各向异性差、成本低，腐蚀厚度可以达到整个硅片的厚度，具有较高的机械灵敏度。但控制腐蚀厚度困难，且难以与集成电路进行集成。

湿法腐蚀和干法腐蚀的优缺点比较

2、硅片键合工艺

硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。硅片键合往往与表面硅加工和体硅加工相结合，用在MEMS 的加工工艺中。常见的硅片键合技术包括金硅共熔键合、硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等。

2.1阳极键合

阳极键合又称场助键合或静电键合。阳极键合技术是Wallis和Pomerantz于1969年提出的。它可以将玻璃与金属、合金或半导体键合在一起而不用任何粘结剂。这种键合温度低、键合界面牢固、长期稳定性好。阳极键合中，静电引力起着非常重要的作用。在比较高的温度下，紧密接触的硅/玻璃界面会发生化学反应，形成牢固的化学键，如Si-O-Si键等。如果硅接电源负极，则不能形成键合，这就是“阳极键合”名称的由来。

2.2硅-硅直接键合

两硅片通过高温处理可以直接键合在一起，不需要任何粘结剂和外加电场，工艺简单。这种键合技术称为硅-硅直接键合技术。直接键合工艺是由Lasky首先提出的。

硅-硅直接键合工艺如下：

（1）将两抛光硅片（氧化或未氧化均可）先经含OH-的溶液浸泡处理；

（2）在室温下将两硅片抛光面贴合在一起；

（3）贴合好的硅片在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理，这样就形成了良好的键合。

直接键合工艺相当简单。键合的机理可用三个阶段的键合过程加以描述。

第一阶段，从室温到200°C，两硅片表面吸附OH团，在相互接触区产生氢键。在200°C时，形成氢键的两硅片的硅醇键之间发生聚合反应，产生水及硅氧键，即

Si-OH+HO-Si→Si-O-Si+H2O。

到400°C时，聚合反应基本完成。

第二阶段温度在500~800°C范围内，在形成硅氧键时产生的水向SiO2中的扩散不明显，而OH团可以破坏桥接氧原子的一个键使其转变为非桥接氧原子，即：

HOH+Si-O-Si=2 +2Si- 。

第三阶段，温度高于800°C后，水向SiO2中扩散变得显著，而且随温度的升高扩散量成指数增大。键合界面的空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散进入四周SiO2中，从而产生局部真空，这样硅片会发生塑性变形使空洞消除。同时，此温度下的SiO2粘度降低，会发生粘滞流动，从而消除了微间隙。超过1000°C 时，邻近原子间相互反应产生共价键，使键合得以完成。

在键合前，对硅片进行表面处理，使其表面吸附是至关重要的。对于热氧化的镜面抛光的硅片而言，热氧化的SiO2具有无定型的石英玻璃网格结构。在SiO2膜的表面和体内，有一些氧原子处于不稳定状态。在一定条件下，它们可得到能量而离开硅原子，使表面产生悬挂键。有许多种方法可以增加热氧化的硅表面的悬挂键。等离子体表面活化处理就是一种方法。对于原始抛光硅片，纯净的的硅片表面是疏水性的，若将其浸入在含有氧化剂的溶液中，瞬间会在硅片表面吸附一层单氧层。随着溶液温度的提高（75°C~110°C），单氧层会向一氧化物、二氧化物过渡。由化学溶液形成的硅氧化物表面有非桥键的羟基存在，所以这有利于硅片的室温键合。常用的亲水液有硫酸双氧水、稀硝酸、氨水等。

键合良好的硅片，其键合强度可高达12MPa以上，这需要良好的键合条件。首先是温度，两硅片的键合最终是靠加热来实现的，因此，温度在键合过程中起着关键的作用。其次是硅片表面的平整度。抛光硅片或热氧化硅片表面并不是理想的镜面，而总是有一定的起伏和表面粗糙度。如果硅片有较小的粗糙度，则在键合过程中，会由于硅片的弹性形变或者高温下的粘滞回流，使两键合片完全结合在一起，界面不存在孔洞。若表面粗糙度很大，键合后就会使界面产生孔洞。

最后，就是表面的清洁度。如果键合工艺不是在超净环境中进行的，则硅片表面就会有一些尘埃颗粒，尘埃颗粒是键合硅片产生孔洞的主要根源之一。例如，若硅片厚350μm，颗粒直径1μm，则引起的孔洞直径为4.2mm。可见，粘污粒子对键合的影响程度。此外，室温下贴合时陷入界面的气体也会引起孔洞。

硅-硅直接键合工艺不仅可以实现Si-Si、Si-SiO2和SiO2-SiO2键合，而且还可以实现Si-石英、Si-GaAs或InP、Ti-Ti和Ti-SiO2键合。另外，在键合硅片之间夹杂一层中间层，如低熔点的硼硅玻璃等，还可以实现较低温度的键合，并且也能达到一定的键合强度，这种低温键合可与硅半导体器件常规工艺兼容。

2.3金属共熔键合

金硅共熔键合常用于微电子器件的封装中，用金硅焊料将管芯烧结在管座上。1979年这一技术用在了压力变送器上。金硅焊料是金硅二相系（硅含量为

19at.%），熔点为363°C，要比纯金或纯硅的熔点低得多（见图1）。在工艺上使用时，它一般被用作中间过渡层，置于欲键合的两片之间，将它们加热到稍高

于金硅共熔点的温度。在这种温度下，金硅混合物将从与其键合的硅片中夺取硅原子以达到硅在金硅二相系中的饱和状态，冷却以后就形成了良好的键合。利用这种技术可以实现硅片之间的键合。然而，金在硅中是复合中心，能使硅中的少数载流子寿命大大降低。许多微机械加工都是在低温下处理的，一般硅溶解在流动的金中，而金不会渗入到硅中，硅片中不会有金掺杂。这种硅-硅键合在退火以后，由于热不匹配会带来应力，在键合中要控制好温度。

金硅共熔中的硅-硅键合工艺是，先热氧化P型（100）晶向硅片，后用电子束蒸发法在硅片上蒸镀一层厚30nm的钛膜，再蒸镀上一层120nm的金膜。这是因为钛膜与SiO2层有更高的粘合力。最后，将两硅片贴合放在加热器上，加一质量块压实，在350~400°C温度下退火。实验表明，在退火温度365°C，时间10分钟，键合面超过90%。键合的时间和温度是至关重要的。除金之外，Al、Ti、PtSi、TiSi2也可以作为硅-硅键合的中间过渡层。

3、LIGA技术

3.1 LIGA技术的基本原理

LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写。LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术（工艺流程如图所示），主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使LIGA 技术能够制造出高宽比达到500、厚度大于1500 μm、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。这是其它的微制造技术所无法实现的。LIGA 技术被视为是微纳米制造技术中最有生命力、最有前途的加工技术。利用LIGA 技术，不仅可制造微纳尺度结构，而且还能加工尺度为毫米级的Meso结构。

3.2LIGA技术工艺流程

3.2.1X射线深度光刻

将光刻胶涂在有很好的导电性能的基片上，然后利用同步X射线将X光掩模上的二维图形转移到数百微米厚的光刻胶上。刻蚀出深宽比可达几百的光刻胶图形。X光在光刻胶中的刻蚀深度受到波长的制约。若光刻胶厚度10-1000微米应选用典型波长为0.1-1纳米的同步辐射源。

3.2.2显影

将曝光后的光刻胶放到显影液中进行显影处理，曝光后的光刻胶如（ＰＭＭＡ）分子长键断裂，发生降解，降解后的分子可溶于显影液中，而未曝光的光刻胶显影后依然存在。这样就形成了一个与掩模图形相同的三维光刻胶微结构。

3.2.3电铸制模

利用光刻胶层下面的金属薄层作为阴极对显影后的三维光刻胶微结构进行电镀。将金属填充到光刻胶三维结构的空隙中，直到金属层将光刻胶浮雕完全覆盖住，形成一个稳定的、与光刻胶结构互补的密闭金属结构。此金属结构可以作为最终的微结构产品，也可以作为批量复制的模具。对显影后的样品进行微电铸, 就可以获得由各种金属组成的微结构器件。微电铸的原理是在电压的作用下,阳极的金属失去电子, 变成金属离子进入电铸液, 金属离子在阴极获得电子, 沉积在阴极上, 当阴极的金属表面有一层光刻胶图形时, 金属只能沉积到光刻胶的空隙中, 形成与光刻胶相对应的金属微结构。微电铸的常用金属为镍、铜、金、铁

镍合金等。由于要电铸的孔较深, 必须克服电铸液的表面张力, 使其进入微孔中, 用微电铸工艺还要电铸出用于微复制工艺的微结构模具, 要求获得的模具无内

应力, 因此,LIGA 技术对电铸液的配方和电铸工艺都有特殊的要求。解决该问题的办法是: 在电铸液中添加表面抗张力剂, 采用脉冲电源, 或利用超声波增加

金属离子的对流。

3.2.4注塑复制

用上述金属微结构为模板，采用注塑成型或模压成型等工艺，重复制造所需的微结构。符合工业上大批量生产要求，降低成本。

3.3X射线光源

由于深度同步辐射X射线是这项技术的关键。普通X射线曝光所用X射线的穿透能力有限，不适合超深结构的加工，所以在选择光源的时候需要功率强大的同步辐射加速器产生的硬X射线作光源。它的强度是普通X射线强度的几千到上万倍。这种同步辐射X射线是由同步加速器和储存环内的高能相对论性电子发射出来的。这种电子由电磁场进行加速，加速方向与其运动方向垂直。发射出来的辐射谱从微波波长区，经过红外波长区、看见光、紫外波长区、一直延伸到X射线波长区。

同步辐射X射线辐射照度很强，故曝光时间较短，它的波长甚短，穿透能力极强，故可以达到很大的光刻厚度。这种光源的平行度极好，刻出的图形侧壁光滑陡峭，可以有很高的横向分辨率和很大的高宽比。所以可以说深度同步辐射X射线光源是LIGA技术的最重要和最基本的设备。

深度同步辐射X射线不仅价格极其昂贵，而且国内外由此设备的单位也较少，因此有的单位就使用超紫外线光源和普通的X射线光源。这种光源波长长，强度和平行性也不够理想，故光刻的深度较浅，质量稍差。使用这种光源代替同步辐射

X光源，一般称为准LIGA技术。

3.4LIGA掩膜

LIGA光刻中采用的同步辐射X射线，它的穿透能力极强，这对X光掩膜板的要

求极高，普通IC工业中的掩膜，因不能承受这样的穿透力，己不能使用。所以

组成掩膜的阻挡X射线的吸收体、载体薄片（基板）和外框架，各自有自身的特殊要求。

3.4.1掩膜的吸收体

在光学光刻中的使用的紫外线光，只要大约0.1μm厚的Cr膜做吸收体就足够了。而X射线光刻的吸收体，因要吸收强X射线，需要用高吸收系数的重金属，原子量大的物质常被用作X 射线曝光的吸收体如Au。要得到实施LIGA 工艺所需的X 射线吸收的最大合适值, Au 吸收体的厚度必须大于10μm。吸收体的厚度取决于同步加速器辐射X射线的强度和被照射的光刻胶厚度确定。

3.4.2掩膜的载体薄片

掩膜的载体薄片要求有很高的X射线透过率和一定的强度。普通光学光刻中使用的掩膜载体，是大约2mm厚的玻璃或石英片，它们对X射线有较强的吸收率，故不能使用。金属铍薄膜具有很高的X射线透过率和一定的强度，是较理想的载体，但铍不仅有毒而且价格昂贵。所以现在一般选用钛薄膜做载体，但钛的X射线透过率低于铍，故必须减少载体薄膜的厚度。实际使用的钛膜厚度为2-3μm，厚度很小，增加了制作难度。

3.4.3掩膜的外框架

掩膜的外框架由低膨胀系数的合金制造，以减少载体薄膜工作时所受的应力。

3.4.4X射线薄膜的制作

对于LIGA光刻中使用的X射线掩膜，由于对其吸收体金膜要求的厚度大于10μm，对薄膜载体的钛膜的要求厚度仅为2μm，很难用普通光刻技术制造出来。现在的制造方法是先用普通的光刻技术制造出金吸收层厚度小于3μm的中间掩膜，再用这个中间掩膜通过X射线曝光刻蚀，制造出金吸收厚度大于10μm的正式的X射线工艺薄膜。

3.5抗蚀光刻胶

LIGA工艺制造的器件精度高，因此要求光刻胶有很高的分辨率，投明度好, 且对镀液有较好的耐蚀性。根据这一要求现在使用的唯一抗蚀光刻胶是聚甲基丙烯（PMMA)，它在X射线光刻时有极好的图像再现性，固化后强度高，能形成很大高宽比和很精细的精密三维图形结构。

PMMA是一种对电子束敏感的高分辨率的抗蚀性材料，X射线曝光过程是在PMMA 中激发光电子，光电子使聚合物的长链大分子变成可溶的小分子。

在LIGA工艺中抗蚀光刻胶起着很重要作用。要形成厚达数百到上千微米、均匀、致密、平整的光刻胶，是有一定难度的。制作这种厚的胶层本身就是一种特殊的技术。

这种刻蚀光刻胶一般直接在基底的金属板上生成，也有的先制成聚合体版再黏贴到基底金属板上。最有效的方法是直接将商品PMMA硬膜粘附到基体材料表面。制作抗蚀光刻胶时，很重要的一点是它必须和金属基底牢固连接，制成的很窄很高的构件仍能牢固的连接在基板上。

由于PMMA涂覆在作为电镀基层的金属导电膜上，因此PMMA的附着性能主要是与

金属导电膜的亲和性能。如果是钛为金属导电体，可以通过化学处理在钛表面生

成一层氧化钛，氧化钛是多孔材料，这样增大接触面积，增大附着力，或者通过化学增附剂改善附着性能。

3.6影响LIGA图形精度的因素

尽管LIGA技术可以制作深宽比极大、边壁极陡直的微细结构，但仍有一些因素限制其可能获得更高的精度，这些因素包括X射线的衍射与光电子散射效应、同步辐射光源的发散效应、吸收层图形非陡直边壁的效应、掩膜畸变效应、基层材料的二次电子效应。知道了以上的影响因素，使用过程中加以注意和进行必要的处理，有助于精度保证。

参考文献

1.微电子制造技术概论（清华大学出版社）

2.微机电系统应用（机械工业出版社）

3.MEMS可靠性（东南大学出版社）