下世纪初微电子机械系统的发展

　　当今重要的机械和系统进一步向微小型化和多功能化方向发展，进而对相当于感觉器官的传感器和运动器官的执行器提出了微小型化和多功能化的要求半导体微细加工技术的曰益成熟和完善为传感器和执行器向微小型化发展提供了技术基础。在这种情况下诞生了微电子机械系统(MEMS)这一新兴的学科。

　　MEMS涉及到微电子学•自动控制光学气动力学流体力学和声学磁学等多种领域，可以说是一门多学科的综合技术它研究的主要内容包括微型传感器、微型执行器和复杂的微系统MEMS是由较小的QS-SO^m的可动子元件构成的机器MEMS的历史可以追溯到60年代初期。60年代开发出了MEMS用的重要技术一一晶体各向异性腐蚀和阳极键合技术70年代进行了具体的传感器和执行器的研究80年代己取得了初步成果，研制出了齿轮、曲柄、弹簧和微型电极以及更为复杂的微系统90年代有的微系统己经进入实际应用，如汽车防撞气囊用的加速度传感器，成本仅为5美元左右MEMS的代表特征是超小型化、尺寸可以做到微米和亚微米其最大特征就是制作工艺与IC相同，能批量生产。MEMS用的主要材料是单晶硅多晶硅和氮化硅等。作为元素材料，硅是人们最熟知的，它的电学特性己用来建立起几个较大的成功的行业而且，硅还是良好的机械材料[1]，屈服强度是不锈钢的两倍，强度重量比超过了铝硅具有比钢高的弹性模量，但密度仅为钢的三分之一。硅良好的机械特性和对外部及环境因素的高灵敏性使它可用于许多微传感器和微执行器中。

　　利用硅制作微机械元件，诸如传感器和执行器等具有自身的优点。从制作观点来看，这种技术具有吸引力，硅微机械传感器和执行器可以利用和集成电路行业相同的技术制作，因此能够借用非常庞大的集成电路基础设施，进行批量加工，生产出较低成本和较多功能的元件和系统利用硅制作传感器和执行器的另一个重要优点就是传感器和执行器可以很方便地与IC集成，形成复杂的微机电系统或MEMS在最常见的形式中，MEMS就是传感器、执行器和电路在同一衬底上的结合传感器基于化学或物理测量提供环境信息，电子电路处理传感器得到的信息，并根据处理的信息为系统做出判决;执行器对电路的控制信息作出响应并且为达到所需的目的和结果操作系统MEMS的制作工艺主要是光刻和腐蚀，以光刻形成图形，利用腐蚀加工出主体形状这样的加工方法就免去了常规的机械加工工序，如同IC芯片生产一样，一次就能加工出大量功能相同的微机械元件目前一次可以在6英寸晶片上加工出数十万个元件。

　　在硅微机械加工技术新应用的激发下，半导体行业科研人员研制的MEMS有可能带来微小型化的革命，引起机械工程领域的重大变革。正如微电子学改变电学工程一样，MEMS也将从根本上改变机械工程。

　　2MEMS制作技术

　　实现MEMS的制作工艺是常规集成电路工艺和硅微机械加工的独特技术的结合MEMS制作深受基础广泛的IC技术的影响，但又具有一定独特的制作技术这些独特技术和常规IC工艺相结合能够实现MEMS这些独特的技术称为“微机械加工”微机械加工是制作传感器•执行器和MEMS的关键技术微机械加工包括四个独立的制作技术：①本体微机械加工;②表面微机械加工;③晶片键合;④光刻、电加工和铸造工艺。

　　2.1本体微机械加工

　　本体微机械加工是选择去除硅衬底，形成微机械元件的一种工艺本体微机械加工作为70年代到80年代间集成电路工艺的延伸，是最古老的微机械加工技术一般说来，本体微机械加工利用水溶性腐蚀剂，腐蚀掩模和腐蚀停止层对硅衬底进行加工成形。常采用水溶性腐蚀剂进行各向同性腐蚀和各向异性腐蚀各向同性腐蚀的腐蚀剂多用HF-HNO3系溶液，在各向同性腐蚀中，硅衬底在各个方向上以等速腐蚀各向同性腐蚀不适合于制作复杂的微机械结构。

　　在湿法化学腐蚀硅时，腐蚀速度表现出各向异性在硅的特定晶面，化学腐蚀要快数十倍或上百倍根据这一特点可以制作出新型微机电系统各向异性腐蚀用的腐蚀液多为碱系的KOH联氨和EPW各向异性只适合特定晶向和特定掩模形状的腐蚀通过重掺硼形成所谓P腐蚀停止层，可选择进行湿法腐蚀从加工深度来讲，适合于数百微米以内的腐蚀加工硅以外的单晶材料有的也可以进行各向异性腐蚀对于硅三维加工中用的各向异性腐蚀来说，一般采用EPW和KOH水溶液但EPW的使用温度高达100°C以上，并且有毒气，所以很难操作。KOH水溶液中含有碱性金属离子，

 所以IC工艺中不能使用。为解决这一问题，采用了适合于IC的氨溶液进行各向异性腐蚀描述了各向同性和各向异性湿法腐蚀的特性及腐蚀速率对晶向的依赖关系除了湿法本体加工外，还有干法本体微机械加工[3]SCREAM和SCREAMI工艺(单晶硅反应离子腐蚀和金属化)就是干法本体微机械加工工艺SCREAM是在SCREAM的基础上发展起来的，两者都利用反应离子腐蚀来限定和分离结构这种SCREAM工艺是自对准低温(大于300°C)工艺，可以在屮8小时内完成，还可以在己完成硅集成电路芯片上制作微机械结构。

         本体微机械加工是较为直接的工艺，它不需要精密的加工设备尽管如此，本体微机械加工也有弱点，例如其加工用的腐蚀剂与集成电路或集成电路制作设备不兼容，而且，其加工消费大量晶片，因此通常较昂贵尽管有这些不足之处，硅微机械加工技术仍是最广泛采用的微机械加工技术，近期内仍将如此。

　　2.2表面微机械加工

　　在微机械加工中，通常将两层薄膜中的下面一层腐蚀掉，只保留上面的一层，这种技术叫牺牲层腐蚀，又称分离层腐蚀■牺牲层腐蚀在微机械加工中是必不可少的。利用牺牲层腐蚀技术直接在衬底表面制作微机械元件结构的技术被称为：“表面微机械加工”，以区分利用KOHEPW各向异性腐蚀或HF/HNO3各向同性腐蚀的本体微机械加工表面微机械加工是微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面以下的一种制作技术一般来讲，微机械结构常用薄膜材料层，如多晶硅或氮化硅制作。第一步是淀积牺牲层材料，如化学汽相淀积氧化层牺牲材料层的作用就是在连续加工形成结构层的过程中使结构层与衬底隔开牺牲层厚度一般1~Pm，但也可以更厚些，淀积后，牺牲层被腐蚀成所需形状为了向结构层提供固定点，可腐蚀出完全穿透牺牲层的开口这可以防止结构层在分离结束时移位其次淀积和腐蚀结构材料薄膜层多晶硅是结构材料的常见选择，结构层腐蚀过后，除去牺牲层就可得到分离的结构层。

　　为了防止表面加工的微机械器件粘在下面的衬底上，在用去离子水清洗后还需要进行分离后的加工粘连现象是水表面张力和分离结构层的机械依从性的结果。粘连曾一度成为表面微机械加工成品率下降的主要原因然而随着各种不同的分离方法和新技术(如干法牺牲腐蚀、HF蒸汽腐蚀、酒精清洗•超临界干燥等)的出现，表面微机械加工器件的成品率急剧提高。

　　表面微机械加工的重要优点就是与常规1C加工的兼容性„表面微机械加工的器件并非是利用非标准工艺制作的，而是利用标准IC薄膜淀积和图形形成技术制作的。表面微机械元件可以很方便地制作在己经完成的电路且为表面微机械器件留下空间的晶片上表面微机械加工的另一个优点就是器件可以做得很小，比本体微机械加工的器件实现的尺寸小很多，且不影响器件特性表面微机械加工的缺点是这种技术本身属于二维平面工艺，它限制着设计的灵活性■■与本体微机械加工相比，表面微机械加工是较新的工艺，在商业性生产中还未得到广泛地应用。然而由于它具有节省成本和与集成电路工艺兼容性，未来有希望成为令人偏爰的制作方法。图2是制作双固定多晶硅桥的普通表面微机械加工工艺2.3晶片键合

　　形成复杂的三维微机械结构，需要利用薄膜淀积技术增加更厚的结构材料。为了满足这种需要和允许制作过程中增加数十至数百微米厚的结构层，开发了一种新的工艺技术，称为“晶片键合”因为不用胶和粘结剂，材料层就能融合到一起形成很强的键，所以晶片键合被称为(或比作)焊接有两种主要的焊接技术即硅玻璃和硅硅键合、硅玻璃键合，常称为阳极键合，是沿用了几十年的老技术阳极键合常在50〇C左右的温度下进行，玻璃和硅间加有很强的电场，一旦键合完毕，形成的键将极为牢固阳极键合主要用于MEMS器件封装，因为玻璃并非是具有吸引力的结构材料，它难于进行微机械加工利用晶片键合的目的就是为了在不影响有源器件性能的前提下实现最大的MEMS性能一种新技术称为直接晶片键合，它涉及到两种高度抛光的硅晶片在没有外加电场的情况下的永久性键合。键合晶片在高于1000C温度下退火后，键强度增加，接近本体硅的断裂强度[4-5]。硅晶片直接键合工艺通常是键合前，一个或两个晶片上可能会有一种薄膜材料如氧化物或氮化硅等，形成SOI结构。在微机械器件制作过程中，键合前一个或两个晶片上具有完整的或部分形成的机械结构也是常见的。直接硅晶片键合允许微机械器件用具有良好机械特性的硅单晶制作然而，由于形成牢固键合需要高温，所以全部集成电路制作过程应在键合加工完成之后进行。硅晶片键合的缺点就是结构层的厚度难于控制。晶片键合的一种新变化称为键合背面腐蚀SOI(BESOI),允许实现器件层的厚度控制2.4光刻、电加工和铸造工艺

　　微铸模[6]是在硅晶片表面形成高深宽比器件的一种微机械加工工艺。微铸模可以实现小至卜，m的横向尺寸和10~50,m的较大的垂直尺寸通常聚合物材料层(1…50(^m)被旋涂在硅衬底表面，然后加工形成铸模利用电镀或化学镀工艺将一种金属镀在铸模中，除去聚合物就可以得到微机械器件。形成电镀铸模有几种技术，最复杂的微铸模技术称为光刻电加工和铸造工艺(LIGA)[7]LIGA包括在合适衬底上旋涂淀积较厚(50,m)的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层利用同步加速器辐射源的x射线对PMMA进行光电曝光，曝光后利用显影从曝光区除去PMMA,因此形成一个电镀铸模x射线在无明显衍射效应下就能对PMMA整个厚度曝光，这样得到PMMA铸模的深宽比较大LIGA工艺的高度保真性允许极小尺寸高密度图形在PMMA材料中真实再现LIGA工乙源自德文Lithographiegalvanoformung,ab-formung—词，是德国Karlsruhe核研究中心为分离铀同位素而开发的，利用LIGA工艺制作微结构并非限于固定的工艺程序，但工艺的第一步总是x射线光刻产生具有高深宽比的微结构，第二步则是根据产品或样品规范要求，以光刻加工的微结构作模板进行微电镀和微型铸模LIGA工艺现用于制作三维金属、金属合金、聚合物和陶瓷材料的微结构，利用LIGA工艺己成功地实现了微型镍齿轮、可变磁阻旋转微电极、涡轮机•微型泵和其它许多器件。

　　商业的光刻胶或光敏聚酰亚胺层和近UV光源结合己使许多研究小组实现了适合于微机械器件制作的高深宽比电镀铸模[8,9]尽管这些铸模并不具备与LIGA工艺相当的厚度或深宽比，但这些技术更容易实现，它涉及的是常规设备和加工技术形成电镀铸模的另一种方法就是干法腐蚀聚酰亚胺层微铸模工艺的第二步必须是电镀，电镀工艺利用液体中离子把金属原子淀积在铸模中曝光区内的晶片表面上用于电镀的金属有几种，包括镍、铜•金和镍钴合金、镍铁合金等。