MEMS工艺(4体硅微加工技术)梁庭(2)
硅MEMS器件加工技术及展望
硅MEMS器件加工技术及展望随着科技的飞速发展，微电子技术已经成为了现代社会的基石，其中硅MEMS（微电子机械系统）器件更是成为了研究热点。
这些基于硅材料的微小机械结构，在通信、生物医学、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍硅MEMS器件加工技术的基本原理和主要方法，并对其未来发展进行展望。
硅MEMS器件加工技术的基本原理是将半导体工艺应用于微小机械结构的制造中。
通过光刻、干法或湿法刻蚀、离子注入等半导体工艺，可以在硅片上加工出微小的机械结构。
这些机械结构可以包括悬臂梁、弹簧、谐振器、微泵、微阀等。
表面微加工技术是一种常见的硅MEMS器件加工方法，其主要流程包括光刻、氧化、刻蚀等步骤。
通过光刻，可以将设计好的图案转移到硅片上；再通过氧化，在硅片表面形成一层薄膜；最后通过刻蚀，将硅片表面的薄膜去掉，从而形成微小的机械结构。
体微加工技术是一种直接在硅内部制造微小机械结构的方法。
其主要流程包括掩膜制作、深反应离子刻蚀等步骤。
通过掩膜制作，可以将硅片表面不需要刻蚀的区域保护起来；再通过深反应离子刻蚀，可以直接在硅片内部刻出微小的机械结构。
随着科技的不断发展，硅MEMS器件加工技术也在不断进步。
未来，该技术将面临以下发展趋势：制程集成：通过将多个工艺步骤集成在一起，可以提高硅MEMS器件的制造效率和良品率。
智能化制造：应用人工智能和大数据技术，实现硅MEMS器件的智能化制造，提高生产效率。
环保和可持续性发展：在制造过程中考虑环保和可持续性发展，减少废弃物排放和能源消耗，推动硅MEMS产业的可持续发展。
应用拓展：随着硅MEMS技术的不断发展，其应用领域也将不断拓展。
未来，硅MEMS器件将在医疗、航空航天、环保等领域发挥更大的作用。
硅MEMS器件加工技术是一项具有重大意义的技术，其未来的发展趋势将更加广泛的应用领域、更高的制造效率和更环保的可持续性发展。
随着科技的不断发展，微电子制造技术的进步，微机电系统（MEMS）器件的设计与制造也在逐步提升。
MEMS的主要工艺类型与流程
MEMS的主要工艺类型与流程（LIGA技术简介）目录〇、引言一、什么是MEMS技术1、MEMS的定义2、MEMS研究的历史3、MEMS技术的研究现状二、MEMS技术的主要工艺与流程1、体加工工艺2、硅表面微机械加工技术3、结合技术4、逐次加工三、LIGA技术、准LIGA技术、SLIGA技术1、LIGA技术是微细加工的一种新方法，它的典型工艺流程如上图所示。
2、与传统微细加工方法比，用LIGA技术进行超微细加工有如下特点：3、LIGA技术的应用与发展4、准LIGA技术5、多层光刻胶工艺在准LIGA工艺中的应用6、SLIGA技术四、MEMS技术的最新应用介绍五、参考文献六、课程心得〇、引言《微机电原理及制造工艺I》是一门自学课程，我们在王跃宗老师的指导下，以李德胜老师的书为主要参考，结合互联网和图书馆的资料，实践了自主学习一门课的过程。
本文是对一学期来所学内容的总结和报告。
由于我在课程中主讲LIGA技术一节，所以在报告中该部分内容将单列一章，以作详述。
一、什么是MEMS技术1、MEMS的概念MEMS即Micro-Electro-Mechanical System，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造、具有特定功能的微型装置，包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等。
一般认为，微电子机械系统通常指的是特征尺度大于1μm小于1nm，结合了电子和机械部件并用IC集成工艺加工的装置。
微机电系统是多种学科交叉融合具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一。
MEMS技术自八十年代末开始受到世界各国的广泛重视，主要技术途径有三种，一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；二是以德国为代表发展起来的利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA( Lithograph galvanfomung und abformug)技术，；三是以日本为代表发展的精密加工技术，如微细电火花EDM、超声波加工。
硅微MEMS加工工艺_图文
EPW腐蚀条件
• 腐蚀温度：115℃左右 • 反应容器在甘油池内加热，加热均匀； • 防止乙二胺挥发，冷凝回流； • 磁装置搅拌，保证腐蚀液均匀； • 在反应时通氮气加以保护。 • 掩膜层：用SiO2，厚度4000埃以上。
腐蚀设备
影响腐蚀质量因素
• 腐蚀液成分
– 新旧腐蚀液 – 试剂重复性
• 温度 • 保护 • 搅拌
– 腐蚀窗口短边存在最小尺寸：
各向异性腐蚀液
• 腐蚀液：
– 无机腐蚀液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等 ；
– 有机腐蚀液：EPW、TMAH和联胺等。
• 常用体硅腐蚀液：
– 氢氧化钾(KOH)系列溶液； – EPW(E：乙二胺，P：邻苯二酚，W：水)系
列溶液。
• 乙二胺(NH2(CH2) 2NH2) • 邻苯二酚(C6H4(OH) 2)
牺牲层技术
• 属硅表面加工技术。 • 是加工悬空和活动结构的有效途径。 • 采用此种方法可无组装一次制成具有活
动部件的微机械结构。 • 牺牲层材料
影响牺牲层腐蚀的因素
• 牺牲层厚度 • 腐蚀孔阵列 • 塌陷和粘连及防止方法
– 酒精、液态CO2置换水； – 依靠支撑结构防止塌陷。
典型牺牲层腐蚀工艺
• 流程2（不出现针孔）：
• 热氧化SiO2，LPCVD Si3N4； • 背面光刻，腐蚀Si3N4，不去胶； • 正面光刻，腐蚀Si3N4和SiO2，去胶； • 体硅腐蚀。
凸角腐蚀补偿
• 凸角腐蚀是指在硅岛或硅梁的腐蚀成型 过程中，凸角部分被腐蚀掉的现象，体 硅各向异性腐蚀时经常出现，这是因为 对(100)晶面的硅片体硅腐蚀时，凸角的 边缘与[110]方向平行，而腐蚀液对此方 向的腐蚀速度较快。若要腐蚀出带凸角 的整齐的台面结构，必须采取凸角补偿 。
完整版MEMS加工技术及其工艺设备
MEM加工技术及其工艺设备童志义MEMS是微电子技术与机械，光学领域结合而产生的，是20世纪90年代初兴起的新技术，是微电子技术应用的又一次革命性实验。
MEMS很有希望在许多工业领域，包括信息和通讯技术，汽车，测量工具，生物医学，电子等方面成为关键器件，把在Si衬底上的MEMS与IC集成在一起，还可以产生许多新的功能。
但是制造MEMS的加工技术主要有三种，第一种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件；第二种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造出小机器，再利用小机器制造出微机器的方法；第三种是以德国为代表的LIGA （德文Lithograpie—光刻，Galvanoformung —电铸的A bformung-塑铸三个词的缩写）技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。
其中硅加工技术与传统的IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。
随着电子，机械产品微小化的发展趋势，未来10年，微机械Mier omachine 与微机电MEMS产业将逐渐取代半导体产业成为主流产业，为此，日本，美国一些著名企业均开始加强其MEMS组件/模块制造能力。
当前，微机械与MEMS产业已被日本政府列入未来10年保持日本竞争力的产业，虽然目前MEMS组件/模块市场主要集中在一些特殊应用领域，但未来的5〜10年内，MEMS组件/模块市场规模将扩大到目前的3倍，ME MS相关系统市场将增长10倍（见表1），因此，掌握组件/模块技术将有利于未来在MEMS市场取得主动权。
微系统的增长包括微电子机械和最近对半导体产业设备和工艺开发具有重大影响的纳米技术。
光学式电子束直写光刻与湿法蚀刻硅工艺的结合，促进了早期的MEMS技术的发展。
最近，随着感应耦合等离子体刻蚀系统在深度垂直侧壁结构的应用使MEMS在单晶硅的开发成为可能。
MEMS工艺(7LIGA技术)
LIGA vs. Si micro-lithography
Micromolding of nanocomposites
• Fabricate high aspect ratio micromolds with LIGA. • Develop nanocomposite formulation amenable to micromolding. • Fabricate micromolds on functional substrates such as silicon and alumina.
LIGA 技术标准工艺
LIGA技术的四大工艺组成：
• LIGA掩模板制造工艺
• X光深层光刻工艺
• 微电铸工艺
• 微复制工艺
LIGA掩模板制造工艺
• LIGA 技术的第一步是制造LIGA专用的X光 掩模板，LIGA掩模板必须有选择地透过和 阻挡X光。一般的紫外光掩模板不适合做 LIGA掩模板。
• 由于LIGA掩模板要求阻挡层的侧壁垂直， 用普通的微加工工艺无法达到，所以LIGA 掩模板需要用LIGA技术来完成。
LIGA process
• Microfluidic device made using LIGA process. Note the rough surface due to lack of planarization (polishing). • Micromechanical actuator (capacitive comb drive) made using LIGA process.
在阳极上H+生成H2 的化学反应如下：
电镀与电铸
• 电铸的定义为：用电化学沉积的方法在芯 模上沉积金属，然后将两者分离来制取零 件的加工工艺，其基本原理与电镀相同， 电铸与电镀的区别在于，电镀的镀层厚度 很小，一般只有7～50μm，而电铸形成的 是具有一定形状与厚度的三维结构，其厚 度最大可达到1mm以上；电镀多用于结构 零件的防护与精饰，而电铸通常用于将芯 模的图形结构加以完整的复制。
mems硅微加工技术
mems硅微加工技术
MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种将微型机
械元件、微型传感器、微型执行器和微型电子元件集成在一起的技术。
MEMS硅微加工技术是制造MEMS器件的关键技术之一，它主要
包括光刻、腐蚀、沉积、离子注入、热处理等步骤。
首先，光刻是MEMS硅微加工技术中的重要步骤之一。
通过光刻
技术，可以在硅片上制作出微细的图案和结构，为后续的加工步骤
奠定基础。
其次，腐蚀技术是利用化学溶液对硅片进行局部腐蚀，
形成所需的微结构和微孔洞。
而沉积技术则是在硅片表面沉积金属、氧化物或多晶硅等材料，用于制作电极、传感器和执行器等部件。
离子注入是通过控制离子注入的能量和剂量，改变硅片的导电
性能和机械性能，实现器件的性能调控。
热处理则是通过高温处理，使得材料的晶格结构发生改变，从而改善器件的性能和稳定性。
除了上述技术，MEMS硅微加工还涉及到表面微纳米加工、微结
构的制备和封装技术等。
通过这些技术的综合应用，可以实现微型
机械元件和微型传感器的高精度制造和集成，从而推动MEMS技术在
加速计、压力传感器、微型惯性器件等领域的应用。
总的来说，MEMS硅微加工技术是一项复杂而又精密的技术，它为微型机械系统的制造提供了重要的技术支持，也为微型传感器和执行器的集成提供了关键的工艺手段。
随着技术的不断进步，相信MEMS硅微加工技术将会在更多领域展现出其巨大的潜力和价值。
MEMS的制造技术
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。 4.2.2 （111）面自停止腐蚀技术 图4.16为（111）面自停止腐蚀工艺。其工艺流程为： 4.2.3 p-n结腐蚀自停止技术 p-n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N型硅和P 型硅在各向异怀腐蚀液中的钝化电位不同这一现象。 图4.17给出了在氢氧化钾腐蚀液 （65℃，40%） 中 （100）晶向P型硅和N型硅样品的电流一电压特性。
图 4.23 X光过渡掩模板制造工艺流程图
（2） X光光刻胶
（3）同步辐射X光曝光 （4）光刻胶显影 4.3.3微电铸工艺 目前镍的微电铸工艺比较成熟，镍较稳定，且具有一定的硬度，可用于微复制模 具的制作。由于金是LIGA掩模板的阻挡层，所以，在LIGA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，具有磁性的铁镍 合金的微电铸对LIGA技术也很重要。其他如银、铜等也是LIGA技术常用的金属材 料。
4.2.4电化学自停止腐蚀技术
图4.20是一种典型的电化学腐蚀自停止方法
图4.16 （111）面自停止腐蚀工艺
图4.17 P型和N型硅在KOH腐蚀液中的特性
图4.20 电化学腐蚀系统
图4.21 硅在5%HF中的电化学腐蚀I V
4.3 LIGA体微加工技术
四个工艺组成部分：LIGA掩模板制造工艺；X光 深层光刻工艺；微电铸工艺；微复制工艺。 4.3.1 LIGA掩膜板制造工艺
4.1.4.1 物理腐蚀技术 （1）离子腐蚀（Ion Etching ，IE）
图4.12平行板反应器的结构原理
（2）离子束腐蚀（Ion Beam Etching，IBE） 离子束腐蚀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 等离子区在空间是分离的，如图4.13所示。
高频响MEMS压力传感器设计与制备
感膜片的一阶固有频率可达 ７７５．０３ ｋＨｚ，如图 ４ 所示。
图 ２ 整体结构示意图
２ 压敏芯片的设计加工 ２．１ 压敏芯片设计与仿真
传统的 ＭＥＭＳ 压阻式扩散硅基压力传感器是基 于硅的压阻效应通过惠斯登 电桥的形式实 现力 － 电耦 合，其在结构上压敏电阻与硅基底之间采用 ＰＮ 结实 现电流隔离，其硅加工工艺成熟且容易量产化，缺点 在于 ＰＮ 结的反向漏电流会随着温度升高而急剧加 大，而当温度超过 １２５ ℃ 时，ＰＮ 结反向漏电流过大， 会引起芯 片 损 坏， 导 致 传 感 器 性 能 严 重 退 化 甚 至 失 效［７］ 。 因此针对高温高频测试，本次芯片设计加工采 用 ＳＯＩ 平膜结构，芯片设计量程为 ０ ～ １．５ ＭＰａ，敏感膜
２０２１ 年 第６期
仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０２１ Ｎｏ．６
高频响 ＭＥＭＳ 压力传感器设计与制备
梁 庭，薛胜方，雷 程，王文涛，李志强，单存良
（ 中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，动态测试技术山西省重点实验室，山西太原 ０３００５１）
第６期
梁庭等：高频响 ＭＥＭＳ 压力传感器设计与制备
９
和耐高温等优良特性，可以满足较高温度条件下的动 态性能测试要求［１１－１３］ 。
摘要：高频响 ＭＥＭＳ 压力传感器，常用于各项高速冲击波动态测试，能够完整地呈现和评估测试当 场下的动态效果。 高频高压高温芯片的加工与刚性封装外壳是高频响 ＭＥＭＳ 压力传感器的研究难点。 文中通过设计仿真、工艺加工试验及封装测试，设计加工出一种齐平式倒装封装的高频响 ＭＥＭＳ 压力 传感器。 完成 ２２０ ℃ 的温度－压力复合场动态性能测试，补偿后的传感器精度可达±１．５％ＦＳ，频响可达 ３７５．２ ｋＨｚ。 关键词：高频响；压力传感器；芯片加工；倒装封装；齐平封装；性能测试 中图分类号：ＴＮ３０３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０６－０００６－０５
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反应离子刻蚀
➢反应离子刻蚀（Reactive ion etch）是在等 离子中发生的。
➢随着材料表层的“反应－剥离－排放”周 期循环，材料被逐层刻蚀到制定深度。
➢衡量反应离子刻蚀的指标：
➢掩模的刻蚀比 ➢刻蚀的各向异性程度 ➢其它：刻蚀速率、刻蚀均匀性等
等离子腐蚀
利用气体辉光放电电离和分解稳定的原子所形 成的离子和活性物质，与被腐蚀的固体材料作 用，产生挥发性的物质或气态产品。
四、干法腐蚀
湿法腐蚀的缺点：图形受晶向限制，深宽比较差， 倾斜侧壁，小结构粘附。
➢狭义的干法刻蚀主要是指利用等离子体放 电产生的化学过程对材料表面的加工
➢广义上的干法刻蚀则还包括除等离子体刻 蚀外的其它物理和化学加工方法，例如激 光加工、火花放电加工、化学蒸汽加工以 及喷粉加工等。
➢干法刻蚀的优点：
反应离子深刻蚀
➢改善刻蚀的方向性，即各向异性，一直是反 应离子刻蚀技术发展过程中不懈追求的目标。
➢完全化学刻蚀是各向同性的，完全的物理刻 蚀虽然有很好的方向性，但有很差的选择性， 即掩模本身经受不了长时间的刻蚀。
➢电感耦合等离子体（ICP），Bosch工艺
➢反应离子深刻蚀的要求：
➢需要较高的刻蚀速率，否则刻穿500um厚的硅 片需要太长的时间；
高压直流电源
15%
CO2激光器示意图
激光加工特点
➢ 加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料， 特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚 石等硬脆材料。
➢ 加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材 料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。
➢ 非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。
➢通入刻蚀气体SF6刻蚀 掉底部钝化层，并进一 步刻蚀硅。新暴露的侧 壁被新的钝化层覆盖。
离子溅射刻蚀
➢离子溅射刻蚀是纯粹的物理刻蚀过程，氩 气是最通用的离子源气体。
反应气体刻蚀
➢利用二氟化氙XeF2在气态可以直接与硅反 应生成挥发性SiF4产物的性质，可以对硅表 面进行各向同性刻蚀。
干法刻蚀与湿法腐蚀对比
非常好（<0.1µm）
差
昂贵
较昂贵
慢（0.1µm/min）到快（6µm/min） 快（1µm/min以上）
多
很少
在缓慢腐蚀时好
困难
其它物理刻蚀技术
➢激光微加工技术
➢飞秒激光对材料表面的辐照时间如此之 短，激光的能量没有时间转化为热量扩 散到相邻区域；
➢激光微加工是一种快速成型技术，不需 要曝光、显影、刻蚀的中间步骤，不受 材料形状与大小的限制；
➢需要极好的各向异性，即刻蚀的边壁垂直。
➢除了离子物理溅射之外，反应离子刻蚀从 本质上是各向同性，为了阻止或减弱侧向 刻蚀，只有设法在刻蚀的侧向边壁沉积一 层抗刻蚀的膜。
Bosch工艺和Cryogenic工艺
➢所谓Bosch工艺就是在反应离子刻蚀的过程 中，不断在边壁上沉积抗刻蚀层或边壁钝化
➢八氟环丁烷离化后在底 面和侧壁形成聚合物钝 化层。
参数 方向性 生产自动化程度 环境影响 掩模层粘附特性 选择性 待腐蚀材料 工艺规模扩大 清洁度 临界尺寸控制 装置成本 典型的腐蚀率 操作参数 腐蚀速率控制
干法腐蚀
湿法腐蚀
对大多数材料好
仅对单晶材料（深宽比高达100）
好
差
低
高
不是关键因素
非常关键
相对差
非常好
仅特定材料
所有
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ困难
容易
有条件地清洁
好到非常好
激光器
➢ 固体激光器 ◎YAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器 ◎红宝石激光器
➢ 气体激光器——CO2激光器
◎混合气体：氦 约80%，氮约15%，
电极 放电管
冷却水进口 CO2气体
CO2 约5%
激光
◎通过高压直流
放电进行激励
◎波长10.6μm， 为不可见光
反射 凹镜
冷却水出口
反射平镜
◎能量效率5%～
主要特点
（1）速率高
ER : 7m / min
（2）环境清洁，工艺兼容性好。
（3）掩膜选择性好 >30：1
（4）表面光洁度好，应力集中少
（5）无晶向限制
适应性
（1）好的截面形状，易于满足铸模要求。 （2）高的腐蚀速率，适于体硅要求。 （3）利用各向同性腐蚀，满足牺牲层腐蚀要 求。 （4）可用于活动结构制作。 （5）可用于高深宽比结构制作。
➢具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的 选择比大、能进行自动化操作等
➢干法刻蚀的过程：
➢腐蚀性气体离子的产生 ➢离子向衬底的传输 ➢吸附及反应 ➢衬底表面的腐蚀 ➢钝化及去除 ➢腐蚀反应物的排除
➢干法腐蚀的主要形式：
➢*纯化学过程：（等离子体腐蚀 ) ➢*纯物理过程： (离子刻蚀、离子束腐蚀） ➢*物理化学过程：反应离子腐蚀RIE ，感应
➢ 可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至1μ以 下，实际上可实现φ0.01mm的小孔加工和窄缝切割。
➢ 加工速度快，效率高。
➢刻蚀过程主要是化学反应刻蚀，是各向同 性的，主要作为表面干法清洗工艺。
➢ • 离子轰击的作用： ➢ 1.将被刻蚀材料表面的原子键破坏； ➢ 2.将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉
DRIE、ICP刻蚀工艺
等离子体腐蚀的主要现象和特点
1.现象 （1）各向同性腐蚀 （2）各向异性腐蚀 （3）溅射腐蚀
➢喷墨打印头上的孔
激光加工
工作原理 ➢ 激光是一种受激辐射而得 到的加强光。其基本特征： ◎强度高，亮度大 ◎波长频率确定，单色性好 ◎相干性好，相干长度长 ◎方向性好，几乎是一束平 行光
激光器
光阑 反射镜
电源
Real
聚焦镜
工件 工作台
➢激光加工原理图
➢当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能， 使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于 热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀， 产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的 反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。
耦合等离子体刻蚀ICP.
➢在物理腐蚀方法中，利用放电时所产生的高能 惰性气体离子对材料进行轰击，腐蚀速率与轰 击粒子的能量、通量密度以及入射角有关；
➢在化学腐蚀中，惰性气体（如四氟化碳）在高 频或直流电场中受到激发并分解（如形成氟离 子），然后与被腐蚀材料起反应形成挥发性物 质；
➢在物理化学结合的方法中，既有粒子与被腐蚀 材料的碰撞，又有惰性气体与被腐蚀材料的反 应。