第二章智能微系统的制造技术190

第二章MEMS的制造技术半导体微加工技术是MEMS制造技术的重要组成部分。普通的半导体微加工技术主要是一种二维加工技术，加工深度仅为数个微米。MEMS的组成部分微传感器、微处理器和微驱动器都是必需具有一定厚度的三维结构，是三维加工技术。近年来，在半导体微加工技术基础上发展起来的表面MEMS加工技术，以及其它具有高深宽比的MEMS加工技术得到了迅速发展。如：硅材料体MEMS加工技术；LIGA技术；激光加工技术；超精密加工技术等。#各种加工技术都各有其本身的优点和适应的加工范围；#对于一个具体的MEMS的制造、加工方法不是唯一的。应根据微器件特点和现有的技术条件，选用合适的一种或者几种加工方法进行组合，以得到需要的微器件。第1节MEMS的材料MEMS使用的材料有许多种。*具有一定的物理和力学性能完成MEMS某种功能（如作为传感器、驱动器使用）的功能材料；*保证运动器件在加工完成时可以运动的牺牲层材料；*MEMS运动器件使用的结构材料；*作为微器件衬底的基板材料等。用于基板的材料主要有：（1）硅；（2）砷化镓；（3）金刚石薄膜；（4）石英以及高分子材料。对材料的要求除了应具有较高的机械强度、轫性、价格低廉外，还希望它与半导体材料及加工有优良的相容性。常用材料基本性能如表B－1所示，机械性能如表B－2所示。一、硅材料硅是MEMS中最常用的材料，因为：1、硅可制成超高纯度，易得到接近于无位错的完整晶体、化学性能稳定和价格低廉。是近几十年来集成电路制造的主要半导体材料。已积累了丰富的硅材料微加工经验，并用它制成了大规模集成电路和单片处理机等。2、硅材料在不同结晶方向具有不同的结合能，因此可采用各向异性刻蚀加工方法进行硅材料的体微机械加工。用这种方法已制得多种微机械结构，如微泵阀系统、微陀螺和微马达等。3、硅具有优良的机械性能，较好的刚度（弹性模量与钢相近）以及足够的支撑强度。4、硅作为微系统基板的另一个优点是可方便地将测量、控制以及计算机的接口等电路全部集成在一块基板上，缩短微机械器件和控制电路之间的连线、减少寄生电容，降低干扰，提高测量精度。5、材料的破坏性能取决于材料内部缺陷的多少。拉制的硅单晶棒材可以达到无位错的水平。因此，硅具有优良的性能。硅作为结构材料使用时，为了不增加材料内部的缺陷，所以在对硅单晶加工时必须注意采用不产生缺陷的化学刻蚀加工技术。由于硅的优良半导体性能，还可制成压力、磁敏、加速度等传感器件，从而可采用全硅材料组成完整的MEMS。6、运用化学气相沉积（CVD）技术可在硅基板表面制备多晶硅材料。多晶硅材料具有单晶硅类似的机械性能，多晶硅是表面微机械加工中广泛应用的结构和牺牲层材料。二、GaAs化合物半导体材料GaAs的电子迁移率远大于硅，因此可以制成高速器件，而且与硅相比，还可在更高的温度下运行（573K）（高温器件）。GaAs还具有优良的抗辐射性能。但它的弹性模量较小，晶格缺陷比硅单晶多，故破坏强度比硅低，价格昂贵。其发光性能和绝缘性能优于硅材料，故GaAs仍是重要的材料，如果能在硅基板上形成GaAs，则其用途将更广泛。三、SiC材料。SiC具有高熔点、高硬度，优良的化学、热稳定性能，是制作在高压、高温下运行的电子器件的好材料。SiC还具有优良的抗辐射性能。以前这种材料用于制造腐蚀性较强的反应器或像Si3N4薄膜一样，作为刻蚀的保护膜。SiC材料也可作为金刚石薄膜的基板材料或者其它结构材料。用CVD方法制备SiC薄膜时，常常较难控制Si与C的比例。四、金刚石材料。近年来随着薄膜技术的发展，用多种CVD方法成功地制备出金刚石薄膜。金刚石薄膜可作为微系统中的结构材料。金刚石是硬度最高的材料，具有较高的弹性模量，而且有优良的化学稳定性。金刚石能带中的禁带宽度较大，因此它有希望用作为高温电子器件。金刚石材料的热导率极高，即散热效果较好，可作为功率器件使用。金刚石材料有可能制造紫外波段蓝光发光器件。金刚石材料的另一个特性是其摩擦系数极小，与聚四氟乙烯具有相同数量级，可以制造MEMS的运动部件。金刚石对X光的吸收率极低，且具有较高的机械强度，因此可利用它制备LIGA技术使用的X光掩膜版。五、石英材料。石英是具有压电性能的材料，而且具有优良的弹性和机械稳定性，因此广泛用于制作压电探头。石英在MEMS和集成电路中可作为基板材料。在湿法刻蚀加工中石英也具有明显的各向异性。目前已用该材料制作微加速度计、微反射镜等。第二节半导体微加工技术半导体微加工技术是MEMS加工技术中不可缺少的组成部分。因为这种方法可以精确控制微小图形的尺寸、重复性好、可靠性高、成品率高并且可以进行批量生产，所以产品的成本较低。半导体微加工技术（1）图形技术：形成集成电路的微细图形。（2）刻蚀技术：应用刻蚀方法去除薄膜多余部分。（3）薄膜技术：应用晶体在基板上生长形成薄膜、表面改性。由于大规模和超大规模集成电路的发展，当前微加工的线条宽度已达到纳米级，但MEMS应用的微加工技术仍在微米量级。一、图形技术：图形技术是在基板表面生成一定形状的二维图形的方法，在微加工中图形技术一般由光刻（Lithography）过程来实现的。图形技术是从石版印刷技术演变而成的。微加工技术的首要任务是设法减小图形的尺寸和提高精度。该技术包括：曝光和显影，图形转移的方式等方面。1、曝光和显影：一般来说，图形是由抗蚀剂的曝光和显影即光刻过程形成的，曝光光源可以是：（1）可见和不可见光，采用光子作为能量的载体。（2）X射线，采用X射线作为能量的载体。（3）电子束和离子束，采用电子和离子作为能量的载体。按曝光方式可以将光刻分为：光学光刻、X射线光刻、电子束光刻和离子束光刻。曝光和显影的机理：在光子、X射线、电子和离子等能束作用下，被曝光的抗蚀剂发生化学变性和去除。所以抗蚀剂的敏感性能应与曝光光源的波长相匹配。2、光刻中图形转移的方式：图形转移有掩膜版式、直接刻写式进行曝光以获得所要求的图形。（一）掩膜版式：（1）接触式（掩膜板与涂有抗蚀剂的基板接触），如下图所示。该方式的图形的分辨率和精度高，但由于掩膜版与抗蚀剂接触，掩膜版易损伤。（3）投影式。（2）接近式（为了避免接触式光刻对掩膜版的损伤，掩膜版与涂有抗蚀剂的基板有550mm的距离，但这牺牲了图形的分辨率）。直接刻写（无掩膜光刻）通常采用电子束、离子束或激光束进行刻写，它用记录有图形信息的计算机直接控制上述能束在涂有抗蚀剂的基板上进行扫描，使特定位置的抗蚀剂曝光。（二）直接刻写式：采用掩膜版式、可方便地获得多个相同图形的转印，但必须制作掩膜版。直接刻写式可省去该工序。目前尚难以对X射线进行聚焦和偏转，所以X射线不能适应直接刻写方法。一般来说，通过掩膜进行图形转印会带来附加的误差，所以理想的方法是采用计算机进行直接刻写。这是微加工技术发展的方向。下面继续介绍抗蚀剂。直接刻写是发展方向：（2）正性抗蚀剂（正胶）：感光的部分在显影时被适当的溶剂溶解，在基板上形成的图形与掩模板上的图形相同。3、正负抗蚀剂：微细加工中采用了两种抗蚀剂：负性抗蚀剂（负胶），正性抗蚀剂（正胶）（1）负性抗蚀剂（负胶）：曝光后，由于掩膜版的遮档基板上未感光的部分在显影时被适当的溶剂溶解，在基板上形成的图形与掩模板上的图形相反。图B－1是采用正性抗蚀剂光学光刻过程的示意图，由图可见光刻过程可分为抗蚀剂的涂布、曝光和显影三个工序，从而得到需要的图形。图B-1光学光刻过程示意图（正性抗蚀剂）评估各种光刻技术性能参数主要有：（1）分辨率；（2）线宽；（3）准确度；（4）失真度；（5）套刻精度；（6）成品率、产出率。以下分别加以讨论。4、光刻技术性能参数：图形技术中线条的最小宽度即线宽常被用来作为光刻技术的分辨率。（1）分辨率：在工业生产中成品率和产出率是不可忽视的。分辨率在不同领域有不同含义：物理上对分辨率的定义是能清楚地区分图形中两点之间的距离。工程上分辨率通常用单位长度上可分辨的高反差线对的数量来表示。（2）准确度：准确度表示实际尺寸对标准值的偏差。（3）失真度：失真度表示图形各部分尺寸的相对变化。（5）成品率、产出率：成品率表示合格产品相对投入总数的百分比。产出率表示单位时间内生产的数量。（4）套刻精度：套刻精度表示相同过程产生的图形之间相吻合的程度。3)甩掉多余的胶4)溶剂挥发1)滴胶2)加速旋转涂胶：采用旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均匀性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。光学光刻是当前用得最广泛的光刻技术，采用紫外光作为曝光光源时，可得到1m左右的分辨率，0.5m的套刻精度和每小时曝光100片的产出率。5、光学光刻：进一步提高光学光刻分辨率受到光的衍射的限制。光的波长（）越短分辨率越高。光学系统分辨率X取决于曝光采用光源的波长：X=K/NA（B－1）K是与抗蚀剂材料和曝光工艺有关的常数，一般为0.6-0.8之间。NA为光学系统的数值孔径，通常在0.4-0.5之间。6、光刻方法：为了提高光刻图形的分辨率需要采用更短波长光源进行曝光，包括远紫外光、X射线、电子束或离子束等。曝光用的X射线的波长范围在0.45nm，可以避免常规光刻中遇到的衍射问题。下图为不同光刻技术的比较。图B－2不同光刻技术的比较7、半影畸变和几何畸变：光源的直径和光线的发散将造成半影畸变和几何畸变。半影畸变是由于光源具有一定直径所引起的。几何畸变是由射线束的发散产生的。X射线接近式曝光装置图由X射线束的发散产生的几何畸变为：s为掩膜和样品间距；D为光源到掩膜的距离；W为样品的半径。几何畸变X射线接近式曝光装置图由于光源具有一定直径d引起的半影畸变δ为：s为掩膜和样品的间距；D为光源到掩膜的距离。DW半影畸变为保护掩膜以及避免掩膜和基板的接触造成缺陷，希望间隔s足够大，通常间隔取10m左右。对于高分辨率系统，半影畸变须控制在10m以下，因此要求D/d100。在高分辨率系统中，要求几何畸变小于0.1m以下，由于目前集成电路用的硅片尺寸在6英寸以上，这就对s的变化提出了很高的要求。可以采用分布重复的方法进行曝光，保证样品尺寸W在很小的范围。8、电子束：电子束与X射线相比，不仅波长更短，而且能用电场和磁场使其偏转以及对电子速度进行调制，所以电子能量可以在相当大的范围内进行调节。电子束可以在计算机控制下直接进行图形的刻蚀，也可以通过特殊掩膜进行图形转印。电子束斑可以聚集到10nm。当束流足够大时，可以在10－7秒时间内使抗蚀剂曝光。图B－4电子束曝光装置原理图电子束曝光装置如图B-4所示，电子束图形发生装置的电子光学系统与扫描电子显微镜非常相似。从阴极电子枪发射出来的电子束由静电场加速、磁场聚集、最后由电场和磁场控制使电子束以一定的轨迹偏转，从而得到需要的图形。9、离子束：离子束具有比电子束更短的波长，因此用离子束可以得到更高的分辨率，但离子束加工的设备更加复杂，这种加工方法近期尚未在微系统中有应用的可能，为此本节不进行讨论。二、薄膜技术：薄膜材料是制造微结构器件的基础，因此薄膜生长在微加工中占有重要地位。不同的器件对膜厚的要求差别很大，可以从零点几纳米的单分子直到数微米或更大厚度。薄膜的表面和界面状况、晶体结构和晶体的取向排列、化学成分和膜层结构以及各种物理性能等都对器件的功能有直接影响。按制备薄膜的方法有真空蒸镀、溅射淀积、电离团束淀积、电镀和涂覆五种。1、薄膜分类：按薄膜形成的过程，主要有三类：淀积膜外延膜表面改性。（1）淀积膜：淀积膜与基板之间有明显的界面。例如在半导体基板上沉积金属膜或介质膜，膜层与基板的材料组成不同，可以是晶体也可以是非晶体。（2）外延膜：外延膜与基板之间有相同或非常接近的晶体结构，膜层的晶格通常是基板晶格的延伸，或与基板晶体共格。膜层与基板的材料的组成可以相同，例如硅片上外延硅；也可以不相同，如在GaAs基板上生长GaAlAs的异质结构。外延技术有如下几种：金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)等。外延技术有：气相外延(VPE)，也称化学气相淀积(CVD)；液相外延(LPE)；分子束外延(MBE)；（3）