微电子机械系统及硅微机械加工工艺

作者：厦门大学 洪永强 蒋红霞

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 摘要：微电子机械系统(MEMS) 是一项21 世纪可以广泛应用的新兴技术。硅微机械加工工艺是近年来随着集成电路工艺发展起来的MEMS 主流技术。介绍了MEMS 的特点、国内外MEMS的发展现状，讨论了MEMS 的三种加工方法，着重探讨了硅微机械加工中常用的腐蚀、键合、光刻、氧化、扩散、溅射等工艺。 关键词：微电子机械系统；体微加工；表面微加工；LIGA 微电子机械系统(MEMS) 代表了一种未来将改变整个工业和带来下一次技术革命的不平凡的技术，可以预测MEMS 技术将是一次新的工业革命。MEMS 利用传统的机械加工工艺、半导体硅微机械加工工艺和软X 射线深层光刻电铸成型工艺等来制作微尺度的机械、流体、电子、光学及其它一些器件。其中硅微机械加工工艺是制作MEMS 的主流技术，越来越多地用于MEMS 的加工中。 1 微电子机械系统 1.1 微电子机械系统的定义 微电子机械系统是指采用微机械加工技术和微电子技术相结合的工艺技术，可以批量制作，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。 微电子机械系统开辟了一个新的技术领域，微电子机械系统的研究不仅涉及元件和系统的设计、材料、测试、控制、集成、能源以及与外界的联接等许多方面，还涉及微电子学、微机械学、微动力学、微流体学、微热力学、微摩擦学、微光学、材料学、物理学、化学、生物学、信息与控制等多个学科领域，是综合性高新技术。微电子机械系统将微电子、精密机械、生化和信息处理等高新技术有机整合，利用半导体加工工艺来制作微尺度的机械、流体、电子、光学及其它一些器件，在单一或多个芯片上集成传感、信号处理、控制及驱动于一体。微电子机械系统中的机械不限于狭义的机械力学中的机械，包括力、热、声、光、磁乃至化学、生物等具有能量转化、传输等功能的效应。 1.2 微电子机械系统的特点 1.2.1 微型化 MEMS 器件体积小、质量轻、功耗低、性能稳定、谐振频率高，响应时间短，可以集成控制、感应和执行等多种功能。 1.2.2 以硅为主要材料 硅的机械电气性能优良，强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似，热传导接近钼和钨。 1.2.3 可批量生产 用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型电子机械装置或完整的MEMS 器件，生产成本低，生产周期短，性能一致性好，对环境的损害小等。 1.2.4 集成化 可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS 器件。 1.2.5 多学科交叉 微电子机械系统涉及电子、机械、材料制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约当今科学技术发展的许多尖端成果。 2 微电子机械系统的发展状况 2.1 国外发展现状 微电子机械系统自20 世纪80 年代末期发展至今，一直受到世界各发达国家的广泛重视，美、日、德、荷兰等国政府将MEMS 技术作为战略性的研究领域之一，投入巨资进行专项研究，美国和日本的MEMS 技术处于领先地位。美国完成《MEMS 的军事应用》研究报告，指出了MEMS 在精确制导武器、灵巧武器、侦察通讯、破坏敌方指挥系统和战斗力等方面的应用前景。美国宇航局已在实施微型卫星(0.1kg～10 kg) 计划，并提出了纳米卫星( < 0.1 kg) 设想。美国的大学、国家实验室和公司已有大量的MEMS 研究小组，并已开发出许多种实用化的MEMS产品进入市场。如AD 公司的加速度计，管芯尺寸为1.5 mm ×1.5 mm ，量程达±50 g ，灵敏度为15mV/g ；Park 公司已开发出用于扫描隧道显微镜(STM) 和原子力显微镜(AFM) 的微型传感器，它由悬臂梁、微针尖以及信号检测和放大的集成电路组成。日本在微机械技术领域的研究十分活跃，近几年已经利用电火花加工技术、IC 技术和光成型技术加工出各种传感器和执行器，研制成功主要用于生物和医疗的微型机器人。德国的LIGA 技术处于国际领先水平，他们已在实验室里制造出了微传感器、微电机、微执行器、集成光学和微光学元件、微型流量计以及直径为数百微米的金属双联齿轮等微机械零件。 2.2 国内发展现状 我国从20 世纪80 年代末开始研究MEMS ，1995年国家科技部实施了攀登计划“微电子机械系统项目”(1996 年～1999 年) 。1999 年实施了国家重点基础研究发展计划“集成微光机电系统研究项目”。已形成了几个研究方向:微型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感器和致动器； 微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅制造工艺。我国在基础理论研究和相关技术方面取得了一些有特色的成果，有些已经达到国际先进水平。开展了包括微型直升机、微传感器(加速度计、微陀螺、压力传感器、流量传感器、气敏传感器、湿敏传感器、红外传感器阵列) 、微泵、微喷、微马达、微光器件、DNA 芯片等MEMS 器件的研究。清华大学于2000 年6 月发射成功进入700 km太阳轨道的“航天清华一号”微小卫星，其质量只有60 kg、体积仅0.07 m3 。北京大学微电子所以IC 加工线为基础，深入开展硅微机械加工工艺研究，形成了成熟的工艺技术。目前MEMS 已从实验室探索走向产业化轨道，潜在市场很大，应用领域很广，已经广泛应用于化工工业、能源动力、信息通讯、国防产业、航空航天和医药及生物工程等领域，而且在家庭服务、人体研究及环境治理等方面也有巨大的应用前景。 3 微电子机械系统的加工方法 3.1 传统机械加工方法 传统机械加工方法以日本为代表， 日本研究MEMS 的重点是超精密机械加工，她更多的是传统机械加工的微型化，这种加工方法利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器，可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，例如微型机械手、微型工作台等。 3.2 半导体硅微机械加工方法 以美国为代表的半导体硅微机械加工方法与传统IC 工艺兼容，利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅基材料进行加工，形成硅基微电子机械系统的器件，可以实现微电子与微机械的系统集成，并适合于批量生产，已经成为MEMS 的主流技术。当前硅基微加工技术可分为体微加工技术和表面微加工技术。 体微加工是对硅的衬底进行加工的技术。一般采用各向异性化学腐蚀，利用某些腐蚀液在硅的各个晶向上以不同的腐蚀速率来制作不同的微机械结构或微机械零件。另一种常用技术为电化学腐蚀，现已发展为电化学自停止腐蚀，它主要用于硅的腐蚀以制备薄面均匀的硅膜。体微加工技术主要通过对硅的深腐蚀和硅片的整体键合来实现，能够将几何尺寸控制在微米级。由于各向异性化学腐蚀可以对大硅片进行，使得MEMS 器件可以高精度地批量生产，同时又消除了研磨加工所带来的残余机械应力，提高了MEMS 器件的稳定性和成品率。 表面微加工是在硅片正面上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工形成微结构的技术，全部加工仅涉及到硅片正面的薄膜。用这种技术可以淀积二氧化硅膜、氮化硅膜和多晶硅膜；用蒸发镀膜和溅射镀膜可以制备铝、钨、钛、镍等金属膜；薄膜的加工一般采用光刻技术，如紫外线光刻、X 射线光刻、电子束光刻和离子束光刻。通过光刻将设计好的微机械结构图转移到硅片上，再用等离子体腐蚀、反应离子腐蚀等工艺来腐蚀多晶硅膜、氧化硅膜以及各种金属膜，以形成微机械结构。这一技术避免了体微加工所要求的双面对准、背面腐蚀等问题，与集成电路的工艺兼容。 3.3 微机械加工方法LIGA 微机械加工方法LIGA 以德国为代表，LIGA 方法是指采用同步X 射线深层光刻、微电铸制模和注塑复制等主要工艺步骤组成的一种综合性微机械加工技术。LIGA 技术首先利用同步X 射线光刻技术光刻出所需要的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻图形相反的金属模具，再利用微塑注制备微机械结构。它可以制成高数百微米而宽仅约1 微米的微机械结构，可加工多种金属材料和塑料、陶瓷等非金属材料，它是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工艺。已经用LIGA 方法制作出电磁马达，其扭矩比静电马达大为提高。但由于要使用同步辐射X射线光源，使这种技术的工业应用受到了限制，近年来已经出现了一种在工艺上更容易实现的准LIGA 技术。LIGA 技术弥补了表面微加工技术的不足，可用来制作高深宽比的三维立体结构，并可实现大批量生产，使成本大大降低。 4 主要的硅微机械加工工艺 硅微机械加工工艺是制作微传感器、微执行器和MEMS 的主流技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前越来越多地用于MEMS 的加工中，例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体淀积、外延、扩散、腐蚀、光刻等。在以硅为基础的MEMS 加工工艺中，主要的加工工艺有腐蚀、键合、光刻、氧化、扩散、溅射等。 4.1 腐蚀 腐蚀是硅微机械加工的最主要的技术，各种硅微机械几乎都要用腐蚀成型。腐蚀法分湿法腐蚀和干法腐蚀两大类，湿法腐蚀又分为溶液法及阳极法，干法腐蚀分为离子刻蚀、激光加工等。溶液腐蚀法由于使用简便、成本低、加工效果好、加工范围宽，因而是微机械加工中使用最广的技术。溶液腐蚀主要依赖于硅的掩蔽性、各向异性和选择性。掩蔽性指一定的腐蚀液对硅和生长在硅上的某种掩蔽膜的腐蚀速率显著不同，据此可用此膜作掩膜在硅表面腐蚀出所需的形状。各向异性是指硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率，各向异性腐蚀利用硅的不同晶向具有不同的腐蚀速率这一腐蚀特性对硅材料进行加工，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有机腐蚀剂和无机腐蚀剂两类。选择性指硅在掺浓硼时对一定的腐蚀液的腐蚀速率将陡降趋于零，可按需要在硅中预扩散一浓硼层作为腐蚀终止层，使腐蚀作用到此层即自行停止。 4.2 键合 键合是指不利用任何黏合剂，只通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密结合在一起。在MEMS 技术中，最常用的是硅与硅直接键合和硅与玻璃静电键合技术，还有硅化物键合、有机物键合等等。在微机械加工中，硅与玻璃或硅与硅的键合迄今都采用阳极键合技术，即将两键合面一起加热，并在键合面间施加一定的电压，在高温、高电场下两键合面形成热密封。常规的硅与硅键合工艺需要在键合面淀积0.5μm～1μm 厚的玻璃膜，然后按硅与玻璃键合的工艺键合。 4.3 光刻 光刻是一种复印图象同化学腐蚀相结合的综合技术，它采用照相复印的方法，将光刻版上的图形精确地复印在涂有感光胶的SiO2 层或金属蒸发层上，然后利用光刻胶的保护作用，对SiO2 层或金属蒸发层进行有选择的化学腐蚀，从而在SiO2 层或金属蒸发层上得到与光刻版相应的图形。表面牺牲层工艺是表面微机械技术的主要工艺。其基本思想是:先在衬底上淀积牺牲层材料，利用光刻，刻蚀成一定的图形，然后淀积作为机械结构的材料并光刻出所需的图形，再将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉，这样就可形成悬浮的微机械结构部件。 4.4 氧化 氧化在硅外延平面中是很重要的。热生长氧化法是在硅片表面生长SiO2 膜的常用方法，其方法是将硅片放入高温炉内，在氧气中使硅片表面生成SiO2 薄膜。氧化可分为干氧氧化和湿氧氧化。干氧氧化是在高温下使氧分子与硅片表面的硅原子反应，生成SiO2 起始层，然后氧分子以扩散方式通过SiO2 层生成新的SiO2 层，使SiO2 薄膜继续增厚。湿氧氧化是在氧气通入炉子前，先通过加热的高纯去离子水，使氧气中携带一定量的水汽。在湿氧氧化中，既有氧的氧化作用，又有水的氧化作用。氧化层的生长速率与氧化温度及氧气流中的水汽含量均有关系。 4.5 扩散 扩散属于掺杂工艺，掺杂包括扩散和离子注入两种。扩散是指在高温下，使杂质由半导体晶片表面向内部扩散，以改变晶片内部的杂质分布和表层导电类型。在扩散过程中，当扩散表面源和表面的初始杂质含量不同时，杂质向硅片扩散的结果将使硅片内部出现不同形式的杂质分布。扩散方式包括恒定表面源浓度扩散和限定源扩散两种。恒定表面源浓度扩散的特点是在扩散过程中硅片的表面同浓度不变的杂质相接触；限定源扩散的特点是整个扩散过程中的杂质源，限定于扩散前积累在硅片表面的无限薄层内的杂质总量，没有外来杂质补充。 4.6 溅射 溅射是与气体辉光放电现象密切相关的一种薄膜淀积技术。它是在高真空室中充入少量的惰性气体例如氩气、氦气等，利用气体分子在强电场作用下电离而产生辉光放电，从而产生带正电的离子，受电场加速而形成的高能离子流撞击在阴极靶表面上，使阴极靶材料表面的原子飞溅出来，淀积到基片上形成薄膜。 5 结束语 MEMS 将传感、处理与执行融为一体，使人类的操作、加工能力扩展到微米空间， MEMS 发展的目标是通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，不断地提高集成系统的性能及性价比，把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起，使之成为真正的系统。MEMS 的研究和开发，将使人类认识和改造世界的能力取得重大突破，对国防、经济和社会生活产生巨大影响。 参考文献: [1 ] Reichl H ，Grosser V.Overview and development trends in the field of MEMS packaging[C] .Micro electro mechanical systems 2001 ，MEMS 2001 The 14th IEEE International Conference ，2001.1 - 5. 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文章内容仅供参考 (投稿) (12/28/2008)