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1、MEMS的制造技术主要包括两类技术：体微加工和表面微加工。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。 1.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，在硅片表面形成不同形状的层状微结构。 2. LIGA技术 3.键合工艺，按界面材料的性质，可分为两大类：（1）硅/硅基片的直接键合工艺；（2）硅/硅基片的间接键合 4.1. 体微加工 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、LIGA技术、以及DEM技术。,第四章制造技术MEMS 的,第四章制造技术MEMS 的,4.1.1. 蚀的湿法技术 硅刻腐 EMS中的体微加工的硅
2、体刻蚀湿法技术原理介绍如下： 硅表面上的点便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。 用于这种化学腐蚀的化学试剂很多，常用的有HF-HNO3(氢氟酸-硝酸)腐蚀系统（各向同性腐蚀），,第四章制造技术MEMS 的,KOH、EDP腐蚀系统（各向异性腐蚀）。 对于HF-HNO3和H2O（或CH3COOH 乙酸）腐蚀系统，硅 腐蚀的机理是，首先硅表面的阳极反应为
3、Si+2h+ Si2+ (4-1) 这里h+表示空穴即Si得到空穴后原来的状态升至较高的氧化态。腐蚀液中的水解离发生下述反应： H2O=(OH)-+H+ (4-2) Si+与（OH）结合为： Si2+2(OH)- Si(OH)2 (4-3) 接着Si(OH)2放出H2并形成SiO2，即 Si(OH)2 SiO2+ H2 (4-4),由于腐蚀液中存在HF，所以O2立即与HF反应，反应式为 SiO2+6HF H2SiF6+2 H2O (4-5) 早期研究结果表明，对于KOH（氢氧化钾）、H2O和（CH3）2CHOH（异丙醇，即IPA）腐蚀系统，硅的 腐蚀机理的反应式如下： KOH+ H2O=K+2
4、OH-+H+ (4-6) Si+2OH-+4 H2O Si(OH)2- (4-7) 即首先将硅氧化成含水的硅化合物，结合反应如下式 表示： (4-8) 络合物 络合物,由上述反应方程可知，首先KOH将硅氧化成含水 的硅化合物，然后与异丙醇反应，形成可溶解的硅， 这样络合物不断离开硅的表面。水的作用是为氧化 过程提供OH-。 硅无论是在HF-HNO3腐蚀系统中，还是在KOH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 . 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移到硅片表面的则称 为扩散限制。与反应速率限制过程相比，扩散限制过 程活化能较低，所
5、以它对温度变化较为敏感.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，将会改变速率限制 。,整个过程决定单晶腐蚀的其他因素包括：晶体取向、导 电类型、掺杂原子浓度、晶格损伤以及表面结构。 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则称为各向 异性腐蚀。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特征之一。,4.1.2 硅体的各向同性刻蚀 硅体的各向同性刻蚀在MEMS制造中有着极为广泛的 应用.而硅的各向同性腐蚀最常用的腐蚀液为HF- HNO3加水或者乙酸系统(通常称为HNA系统) HNA系统中，其
6、腐蚀机理：硝酸硅发生氧化反应生成 二氧化硅然后由HF将二氧化硅溶解，其反应式Si+HNO3+HF=H2SiF6+HNO2+H2O+H2 (4-10) 在这种腐蚀系统中，水和乙酸（CH3COOH）通常作 为稀释剂，在HNO3溶液中，HNO3几乎全部电离，因 此H+浓度较高，而CH3COOH是弱酸，电离度较小， 它的电离反应为 CH3COOH=CH3COO-+H+ (4.11),图4.2表面取向对腐蚀速率的影响与温度的关系,图4.3 腐蚀速率与温度的关系（高HF区，无稀释） 自下而上每族曲线对应的配比为：95%HF+5% HNO3， 90%HF+10% HNO3，85%HF+15 HNO3,图4.
7、4 腐蚀速率与温度的关系（H2O稀释） 65%HF+20% HNO3+15%H2O， 20%HF+60% HNH3+20%H2O,图4.5腐蚀速率与成分的关系,图4.6 硅的等腐蚀线（HF：HNO3：稀释剂）,图4.6给出了分别用H2O和CH3COOH作为稀释剂的HF+ HNO3，系统腐蚀硅的等腐蚀线（常用的浓酸的重量百分比是49.2%HF和69.5% HNO3）。用H2O和CH3COOH作为稀释剂的功能基本相似，其共同特点有： （1）在低HNO3及高HF浓度区（见图4.6的顶角区），等腐蚀曲线平行于等HNO3浓度线，由于该区有过量的HF可溶解反应产物SiO2，所以腐蚀速率受HNO3的浓度所控
8、制。 （2）在低HF高HNO3区（见图4.6的右下角），等腐蚀线平行于HF浓度线。 （3）当HFHNO3=11，稀释液浓度百分比小于10%时，随稀释液的增加对腐蚀速率影响较大草原稀释液从10%30%，腐蚀速率随秋耕释液的增加呈减小；稀释液大于30%后，稀释的微小变化会引起腐蚀速率的很大变化。,。 4.1.3 硅体的各向异性刻蚀 硅体的各向异性刻蚀在MEMS制造中起着极其重要的作用，硅体的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。基于硅的这种腐蚀特性，可在硅基片上加工出各种各样的微结构。 硅体的各向异性腐蚀
9、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）。而（100）/（111）的最大腐蚀速率可达4001 图4.7给出了硅单晶片各向异性腐蚀示意图。,图4.7 硅单晶片各向异性腐蚀示意图,Wb=W0-2Lcos54.7o 其中L是腐蚀深度。 1、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，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。 2、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,3、腐蚀速率,图4.9 腐
10、蚀速率测试掩膜版,图4.10 腐蚀后的测试图形显示,表4.3在不同KOH浓度和温度情况下,(100)面硅的腐蚀速率（m/h),4、体刻蚀的基本结构 硅体在氢氧化钾溶液中，各向异性腐蚀，利用此性能可制作各种各样微机械基本结构如图4.11所示。,图4.11体硅微机械的基本结构,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为54.7O，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O时，单边斜坡所占的长度 L=0.71D (4.18) 4.1.4 硅刻蚀的干法技术 干法刻蚀具有分辨率高、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，干
11、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 ： （1）腐蚀性气体粒子的产生；（2）粒子向衬底的传输 (3）衬底表面的腐蚀； （4）腐蚀反映物的排除。 干法腐蚀的种类很多，其中有： 物理方法：离子腐蚀（溅射）Ion Etching(IE),离子束腐蚀Ion Beam Etching(IBE)；,化学方法：等离子体腐蚀 Plasma Etching(PE); 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
12、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。,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 物理和化学腐蚀过程相结合 除去纯物理和纯化学干法腐蚀方法外，由于化学腐蚀所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。 （1）等离子体腐蚀（Plasma Etcing, PE） （2）反应离子腐蚀（Reactive Ion Etching,，RIE） （3）反应离子束腐蚀 4.2 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。它利用不同晶格
13、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。 4.2.1重掺杂自停止腐蚀技术 可以认为KOH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止层材料。图4.15为重掺杂硼硅腐蚀的自停止腐蚀工艺。其工艺流程为：,图4。15 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
14、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。 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IV,4.2 LIGA体微加工技术 LIGA体微加工技术由四个工艺组成部分：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。其工艺流程
15、如图4.22所示。 4.3.1 LIGA掩膜板制造工艺 LIGA掩模板必须能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。 表4.4 LIGA掩模板的X光透光薄膜材料的性能及其优缺点,图4.22 LIGA技术的工艺流程,4.3.2 X光深层光刻工艺 X光深层光刻工艺需平行的X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X光光源需要很长的曝光时间，而同步辐射X光光源不仅能提供平行的X光，并且强度是普通X光的几十万倍，这样可以大大缩短曝光时间。 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
16、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。 LIGA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。 4.3.4微复制工艺,由于同步辐射X光深层光刻代价较高,无法进行大批量生产，所以LIGA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，注塑成型和模压成型，图4.29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4.
