微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造第4章

1、MEMS的制造技術(shù)主要包括兩類(lèi)技術(shù)：體微加工和表面微加工。這兩類(lèi)加工技術(shù)的基本材料都用硅，而加工工藝的基礎(chǔ)都是集成電路制造技術(shù)。 1.表面微加工技術(shù)，來(lái)自金屬膜的概念。在硅腐蝕的基礎(chǔ)上，采用不同薄膜淀積腐蝕方法，在硅片表面形成不同形狀的層狀微結(jié)構(gòu)。 2. LIGA技術(shù) 3.鍵合工藝，按界面材料的性質(zhì)，可分為兩大類(lèi)：（1）硅/硅基片的直接鍵合工藝；（2）硅/硅基片的間接鍵合 4.1. 體微加工硅的體微加工技術(shù)包含硅的濕法和

2、干法技術(shù)，硅刻蝕自終止技術(shù)、LIGA技術(shù)、以及DEM技術(shù)。,第四章制造技術(shù)MEMS 的,第四章制造技術(shù)MEMS 的,4.1.1. 蝕的濕法技術(shù) 硅刻腐 EMS中的體微加工的硅體刻蝕濕法技術(shù)原理介紹如下： 硅表面上的點(diǎn)便作為隨機(jī)分布的局部區(qū)域的陽(yáng)極與陰極。由于這些局部區(qū)域化電解電池的作用，硅表面發(fā)生了氧化反應(yīng)并引起相當(dāng)大的腐蝕電流，一般超過(guò)100A/cm2。硅表面的缺陷、腐蝕液的溫度、腐蝕液所含的雜質(zhì)、腐蝕時(shí)擾動(dòng)方式以及硅腐蝕液

3、界面的吸附過(guò)程等因素對(duì)刻蝕速度以及刻蝕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量都有很大的影響。用于這種化學(xué)腐蝕的化學(xué)試劑很多，常用的有HF-HNO3(氫氟酸-硝酸)腐蝕系統(tǒng)（各向同性腐蝕），,第四章制造技術(shù)MEMS 的,KOH、EDP腐蝕系統(tǒng)（各向異性腐蝕）。對(duì)于HF-HNO3和H2O（或CH3COOH 乙酸）腐蝕系統(tǒng)，硅腐蝕的機(jī)理是，首先硅表面的陽(yáng)極反應(yīng)為 Si+2h+ Si2+

4、 (4-1)這里h+表示空穴即Si得到空穴后原來(lái)的狀態(tài)升至較高的氧化態(tài)。腐蝕液中的水解離發(fā)生下述反應(yīng)： H2O=(OH)-+H+ (4-2) Si+與（OH）結(jié)合為： Si2+2(OH)- Si(OH)2

5、 (4-3)接著Si(OH)2放出H2并形成SiO2，即Si(OH)2 SiO2+ H2 (4-4),,,,,由于腐蝕液中存在HF，所以O(shè)2立即與HF反應(yīng)，反應(yīng)式為SiO2+6HF H2SiF6+2 H2O (4-5)早期研究結(jié)果表明，對(duì)于KOH（氫氧化鉀）、H2O和（CH3）2C

6、HOH（異丙醇，即IPA）腐蝕系統(tǒng)，硅的腐蝕機(jī)理的反應(yīng)式如下： KOH+ H2O=K++2OH-+H+ (4-6)Si+2OH-+4 H2O Si(OH)2- (4-7)即首先將硅氧化成含水的硅化合物，結(jié)合反應(yīng)如下式表示：

7、 (4-8) 絡(luò)合物 絡(luò)合物,,,由上述反應(yīng)方程可知，首先KOH將硅氧化成含水的硅化合物，然后與異丙醇反應(yīng)，形成可溶解的硅，這樣絡(luò)合物不斷離開(kāi)硅的表面。水的作用是為氧化過(guò)程提供OH-。 硅無(wú)論是在HF-HNO3腐蝕系統(tǒng)中，還是在KOH腐蝕系統(tǒng)中，其

8、腐蝕過(guò)程既可受反應(yīng)速率限制，也可受擴(kuò)散限制 . 如果腐蝕取決于化學(xué)反應(yīng)速率，這種過(guò)程稱(chēng)為反應(yīng)速率限制。如果腐蝕劑通過(guò)擴(kuò)散轉(zhuǎn)移到硅片表面的則稱(chēng)為擴(kuò)散限制。與反應(yīng)速率限制過(guò)程相比，擴(kuò)散限制過(guò)程活化能較低，所以它對(duì)溫度變化較為敏感.如果在腐蝕過(guò)程中腐蝕條件發(fā)生變化，例如溫度和腐蝕液的化學(xué)成分發(fā)生變化，將會(huì)改變速率限制 。,整個(gè)過(guò)程決定單晶腐蝕的其他因素包括：晶體取向、導(dǎo)電類(lèi)型、摻雜原子濃度、晶格損傷以及表面結(jié)構(gòu)。 如果在單

9、晶硅各個(gè)方向上的腐蝕速率是均勻的稱(chēng)為各向同性刻蝕，而腐蝕速率取決于晶體取向的則稱(chēng)為各向異性腐蝕。在一定的條件下腐蝕具有一定的方向躍居第一，是硅單晶片腐蝕過(guò)程中的重要特征之一。,4.1.2 硅體的各向同性刻蝕 硅體的各向同性刻蝕在MEMS制造中有著極為廣泛的應(yīng)用.而硅的各向同性腐蝕最常用的腐蝕液為HF-HNO3加水或者乙酸系統(tǒng)(通常稱(chēng)為HNA系統(tǒng)) HNA系統(tǒng)中，其腐蝕機(jī)理：硝酸硅發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化硅然后由HF將二

10、氧化硅溶解，其反應(yīng)式Si+HNO3+HF=H2SiF6+HNO2+H2O+H2 (4-10) 在這種腐蝕系統(tǒng)中，水和乙酸（CH3COOH）通常作為稀釋劑，在HNO3溶液中，HNO3幾乎全部電離，因此H+濃度較高，而CH3COOH是弱酸，電離度較小，它的電離反應(yīng)為 CH3COOH=CH3COO-+H+ (4.11),圖4.

11、2表面取向?qū)Ωg速率的影響與溫度的關(guān)系,圖4.3 腐蝕速率與溫度的關(guān)系（高HF區(qū)，無(wú)稀釋?zhuān)┳韵露厦孔迩€(xiàn)對(duì)應(yīng)的配比為：95%HF+5% HNO3， 90%HF+10% HNO3，85%HF+15 HNO3,圖4.4 腐蝕速率與溫度的關(guān)系（H2O稀釋?zhuān)?65%HF+20% HNO3+15%H2O， 20%HF+60% HNH3+20%H2O,圖4.5腐蝕速率與成分的關(guān)系,圖4.6 硅的等腐蝕線(xiàn)（HF：HNO3：稀釋

12、劑）,圖4.6給出了分別用H2O和CH3COOH作為稀釋劑的HF+ HNO3，系統(tǒng)腐蝕硅的等腐蝕線(xiàn)（常用的濃酸的重量百分比是49.2%HF和69.5% HNO3）。用H2O和CH3COOH作為稀釋劑的功能基本相似，其共同特點(diǎn)有：（1）在低HNO3及高HF濃度區(qū)（見(jiàn)圖4.6的頂角區(qū)），等腐蝕曲線(xiàn)平行于等HNO3濃度線(xiàn)，由于該區(qū)有過(guò)量的HF可溶解反應(yīng)產(chǎn)物SiO2，所以腐蝕速率受HNO3的濃度所控制。 （2）在低HF高HNO3區(qū)（見(jiàn)圖4.

13、6的右下角），等腐蝕線(xiàn)平行于HF濃度線(xiàn)。（3）當(dāng)HF?HNO3=1?1，稀釋液濃度百分比小于10%時(shí)，隨稀釋液的增加對(duì)腐蝕速率影響較大草原稀釋液從10%?30%，腐蝕速率隨秋耕釋液的增加呈減小；稀釋液大于30%后，稀釋的微小變化會(huì)引起腐蝕速率的很大變化。,。4.1.3    硅體的各向異性刻蝕硅體的各向異性刻蝕在MEMS制造中起著極其重要的作用，硅體的各向異性腐蝕機(jī)理為在有些溶液中單晶硅的腐蝕速率取決

14、于晶體取向，即在某種晶體取向上硅的腐蝕速率非常快，而在其他方向上腐蝕速率又非常慢?；诠璧倪@種腐蝕特性，可在硅基片上加工出各種各樣的微結(jié)構(gòu)。硅體的各向異性腐蝕液的種類(lèi)很多。最常用的（100）/（111）腐蝕速率比最大的是KOH腐蝕液。用KOH腐蝕液腐蝕單晶硅晶體其在三個(gè)常用晶面方向上的腐蝕速率情況是（100）>（110）>（111）。而（100）/（111）的最大腐蝕速率可達(dá)400?1 圖4.7給出了硅單晶片各向異性腐蝕

15、示意圖。,圖4.7 硅單晶片各向異性腐蝕示意圖,Wb=W0-2Lcos54.7o其中L是腐蝕深度。1、氫氧化鉀的刻蝕機(jī)理 硅體的各向異性刻蝕的腐蝕劑基本是堿性溶液，而氫氧化鉀溶液占一半以上，因此氫氧化鉀是硅體的各向異性腐蝕重要的和常用的腐蝕劑。 2、各向異性刻蝕的物理機(jī)理,圖4.8 各向異性的物理機(jī)理,腐蝕,3、腐蝕速率,圖4.9 腐蝕速率測(cè)試掩膜版,圖4.10 腐蝕后的測(cè)試圖形顯示,表4.3在不同KOH濃度和溫度情況下

16、,(100)面硅的腐蝕速率（m/h),4、體刻蝕的基本結(jié)構(gòu) 硅體在氫氧化鉀溶液中，各向異性腐蝕，利用此性能可制作各種各樣微機(jī)械基本結(jié)構(gòu)如圖4.11所示。,圖4.11體硅微機(jī)械的基本結(jié)構(gòu),一般需要刻蝕制作薄膜時(shí)，掩膜開(kāi)的窗口必須比膜的尺寸大，其傾斜的角度由幾何計(jì)算得到為54.7O，而斜坡所占的面積也可計(jì)算得到。多晶硅所需刻蝕的深度為O時(shí)，單邊斜坡所占的長(zhǎng)度 L=0.71D (4.

17、18)4.1.4 硅刻蝕的干法技術(shù) 干法刻蝕具有分辨率高、各向異性腐蝕能力強(qiáng)、腐蝕的選擇比大，以及能進(jìn)行自動(dòng)化操作等優(yōu)點(diǎn)。因此，干法刻蝕在體微加工中將逐漸占有重要地位。干法刻蝕的過(guò)程可分為以下幾個(gè)步驟 ：（1）腐蝕性氣體粒子的產(chǎn)生；（2）粒子向襯底的傳輸 (3）襯底表面的腐蝕； （4）腐蝕反映物的排除。干法腐蝕的種類(lèi)很多，其中有： 物理方法：離子腐蝕（濺射）Ion Etching(IE),離子束腐蝕Ion B

18、eam Etching(IBE)；,化學(xué)方法：等離子體腐蝕 Plasma Etching(PE); 4.1.4.1 物理腐蝕技術(shù) （1）離子腐蝕（Ion Etching ，IE）,圖4.12平行板反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)原理,（2）離子束腐蝕（Ion Beam Etching，IBE） 離子束腐蝕是一種利用惰性離子進(jìn)行腐蝕的物理腐蝕。在離子束腐蝕中，被腐蝕的襯底和產(chǎn)生離子的等離子區(qū)在空間是分離的，如圖4.13所示。,圖4.13 離子束腐

19、蝕裝置結(jié)構(gòu)原理,圖4.14 在純物理離子腐蝕中出現(xiàn)的制造物的原理示意圖,4.1.4.2 物理和化學(xué)腐蝕過(guò)程相結(jié)合 除去純物理和純化學(xué)干法腐蝕方法外，由于化學(xué)腐蝕所具有的高選擇性和物理腐蝕所具有的各向異性，目前主要是將這兩種方法組合起來(lái)使用。（1）等離子體腐蝕（Plasma Etcing, PE） （2）反應(yīng)離子腐蝕（Reactive Ion Etching,，RIE）（3）反應(yīng)離子束腐蝕 4.2 硅體刻蝕自停止技術(shù) 硅體刻

20、蝕自停止技術(shù)是體微加工中關(guān)鍵技術(shù)之一。它利用不同晶格取向的硅和摻雜濃度不同，使硅在不同的腐蝕液中表現(xiàn)出不同的腐蝕性能。4.2.1重?fù)诫s自停止腐蝕技術(shù)可以認(rèn)為KOH溶液對(duì)重?fù)诫s硅基本上不腐蝕；同時(shí)又知道，重?fù)诫s硼的硅腐蝕自停止效應(yīng)比重?fù)诫s磷的硅更,明顯，所以工藝中常用重?fù)诫s硼的硅作為硅腐蝕的自停止層材料。圖4.15為重?fù)诫s硼硅腐蝕的自停止腐蝕工藝。其工藝流程為：,,,,圖4。15 重?fù)诫s硼的硅自停止腐蝕工藝,具有的高選擇性和物理腐蝕所

21、具有的各向異性，目前主要是將這兩種方法組合起來(lái)使用。 4.2.2 （111）面自停止腐蝕技術(shù) 圖4.16為（111）面自停止腐蝕工藝。其工藝流程為：4.2.3 p-n結(jié)腐蝕自停止技術(shù) p-n結(jié)腐蝕自停止是一種使用硅的各向異性腐蝕劑如氫氧化鉀的電化學(xué)腐蝕自停止技術(shù)，它利用了N型硅和P型硅在各向異懷腐蝕液中的鈍化電位不同這一現(xiàn)象。圖4.17給出了在氫氧化鉀腐蝕液（65℃，40%）中（100）晶向P型硅和N型硅樣品的電流一電壓特性。

22、 4.2.4電化學(xué)自停止腐蝕技術(shù)圖4.20是一種典型的電化學(xué)腐蝕自停止方法。,圖4.16 （111）面自停止腐蝕工藝,圖4.17 P型和N型硅在KOH腐蝕液中的特性,圖4。20 電化學(xué)腐蝕系統(tǒng),,圖4.21 硅在5%HF中的電化學(xué)腐蝕I?V,4.2 LIGA體微加工技術(shù) LIGA體微加工技術(shù)由四個(gè)工藝組成部分：LIGA掩模板制造工藝；X光深層光刻工藝；微電鑄工藝；微復(fù)制工藝。其工藝流程如圖4.22所示。4.3.1 LIGA掩

23、膜板制造工藝 LIGA掩模板必須能有選擇地透過(guò)和阻擋X光，一般的紫外光掩模板不適合做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優(yōu)缺點(diǎn),圖4.22 LIGA技術(shù)的工藝流程,4.3.2 X光深層光刻工藝X光深層光刻工藝需平行的X光光源，由于需要曝光的光刻膠的厚度要達(dá)到幾百微米，用一般的X光光源需要很長(zhǎng)的曝光時(shí)間，而同步輻射X光光源不僅能提供平行的X光，并且強(qiáng)度是普通X光的幾十萬(wàn)倍，這樣可以大大縮短曝光時(shí)間。

24、 圖 4.23 X光過(guò)渡掩模板制造工藝流程圖,（2） X光光刻膠 （3）同步輻射X光曝光 （4）光刻膠顯影 4.3.3微電鑄工藝 目前鎳的微電鑄工藝比較成熟，鎳較穩(wěn)定，且具有一定的硬度，可用于微復(fù)制模具的制作。由于金是LIGA掩模板的阻擋層，所以，

25、在LIGA技術(shù)中，金的微電鑄技術(shù)非常重要。有些傳感器和執(zhí)行器需要有磁性作為驅(qū)動(dòng)力，所以，具有磁性的鐵鎳合金的微電鑄對(duì)LIGA技術(shù)也很重要。其他如銀、銅等也是LIGA技術(shù)常用的金屬材料。 LIGA的微電鑄工藝技術(shù)難點(diǎn)之一，是對(duì)高深寬比的深孔、深槽進(jìn)行微電鑄。 4.3.4微復(fù)制工藝,由于同步輻射X光深層光刻代價(jià)較高,無(wú)法進(jìn)行大批量生產(chǎn)，所以LIGA技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化只有通過(guò)微復(fù)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前微復(fù)制方法主要有兩種，注塑成型和模壓

26、成型，圖4.29給出了注塑成型和模壓成型兩種微復(fù)制方法的工作原理。其中注塑成型適用于塑料產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，模壓成型適用于金屬產(chǎn)品的批量。,圖4.29兩種微復(fù)制方法的工作原理,4.3.5 LIGA技術(shù)的擴(kuò)展 4.3.5.1準(zhǔn)LIGA技術(shù) 準(zhǔn)LIGA技術(shù)是用紫外線(xiàn)或激光光刻工藝來(lái)代替同步輻射X光深層光刻工藝，該技術(shù)需高光敏性的光刻膠厚膠，目前利用該技術(shù)能刻出100m厚的微結(jié)構(gòu)，但側(cè)壁垂直度只有850左右，只能部分代替LIGA技術(shù)，適用于對(duì)

27、垂直度和深度要求不高的微結(jié)構(gòu)加工。圖4.30給出了用紫外線(xiàn)光刻獲得的厚60m的光刻膠及電鑄出的鐵鎳合金微結(jié)構(gòu)電鏡照片。4.3.5.2 犧牲層LIGA技術(shù) 在微機(jī)械制造領(lǐng)域，很多情況下需要制造可活動(dòng)的零部件，例如微閥、微馬達(dá)和微加速度計(jì)等。利用犧牲層LIGA技術(shù)可制造活動(dòng)的微器件，圖4.31給出了犧牲層LIGA技術(shù)工藝原理圖。4.3.5.3 LIGA套刻技術(shù),圖4.31 犧牲層LIGA技術(shù)工藝原理圖,LIGA技術(shù)中，利用套刻技術(shù)

28、獲得含有臺(tái)階的微結(jié)構(gòu)，該技術(shù)在第一次光刻、微電鑄的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二次套刻技術(shù)獲得的微變速齒輪電鏡照片。4.3.5.4傾斜曝光技術(shù)在LIGA技術(shù)中，可以通過(guò)傾斜曝光獲得一些特殊的圖形，如圖4.34所示傾斜曝光原理圖，圖4.35給出通過(guò)傾斜曝光獲得的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)電鏡照片4.3.6 DEM技術(shù) DEM技術(shù)充分利用了硅體微加工技術(shù)和LIGA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，解決了硅體微加工技術(shù)中只能加工硅材料的局限。該技術(shù)不像LIGA技術(shù)那樣需昂貴的

29、同步輻射光源和特制的X光掩模板。利用該技術(shù)可對(duì)非硅材料，如金屬、塑料或陶瓷進(jìn)行高深寬比三維加工。,,,該技術(shù)的開(kāi)發(fā)成功，將開(kāi)拓微加工新領(lǐng)域，對(duì)我國(guó)微機(jī)電系統(tǒng)的研究起到很好的推動(dòng)作用。4.4表面微加工4.4.1表微加工機(jī)理 圖4.41給出了表面微加工的基本過(guò)程：首先在硅片上淀積一隔離層，用于電絕緣或基體保護(hù)層；然后淀積犧牲層和圖形加工，再淀積結(jié)構(gòu)層并加工圖形；最后溶解犧牲層，形成一個(gè)懸臂梁的微結(jié)構(gòu)。,圖4.41 表面微機(jī)械加工原

30、理示意圖,與體微加工相比較，表面微加工技術(shù)對(duì)于微小結(jié)構(gòu)的尺寸更易控制。(1)表面微加工使用的材料 表面微加工要求所應(yīng)用的材料是一組相互匹配的結(jié)構(gòu)層、犧牲層材料 .(2)表面微加工的特點(diǎn) 與體微加工和鍵合相比較，在表面微加工中，硅片本身不被刻蝕。沒(méi)有孔穿過(guò)硅片，硅片背面也無(wú)凹坑。比較兩者結(jié)構(gòu)尺寸（如表4.8所示），可以看出表面微加工適用于微小結(jié)構(gòu)件的加工，結(jié)構(gòu)尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反應(yīng)離子刻蝕（RIE）工藝。表面微加工形

31、成的層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為微器件設(shè)計(jì)提供了較大的靈活性。在中心軸上加工轉(zhuǎn)子是不可能的，而采用鍵合又會(huì)使工藝變得非常復(fù)雜，而表面微加工技術(shù)的另一個(gè)主要特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)微小可動(dòng)部件的加工。,4.4.2多晶硅的表面微加工 在多晶硅的表面微加工中，以摻雜或未摻雜的多晶硅作為結(jié)構(gòu)材料，氧化硅作為犧牲層材料，氮化硅作為基體絕緣材料，氫氟酸作為化學(xué)腐蝕劑組成一組合理的材料系。目前在硅表面已經(jīng)能夠加工復(fù)雜的表面微結(jié)構(gòu)零件，如懸臂梁、齒輪組、渦機(jī)、曲柄、鑷子等。

32、多晶硅表面微加工已是許多靜電執(zhí)行器的主要加工手段。4.4.2.1多晶硅的淀積 4.4.2.2淀積態(tài)的薄膜應(yīng)力 4.4.2.3未摻雜薄膜的退火4.4.2.5二氧化硅 在集成電路工藝中，二氧化硅是一種多用途的基本材料，它通過(guò)熱氧化生長(zhǎng)和為滿(mǎn)足不同要求采用。,圖4.45 平均殘余應(yīng)力與退火溫度的關(guān)系曲線(xiàn),不同工藝淀積獲得.二氧化硅的腐蝕速率對(duì)溫度最敏感，溫度越高，腐蝕速率越快，腐蝕時(shí)必須嚴(yán)格控制溫度。4.4.2.6氮

33、化硅 在集成電路工業(yè)中，氮化硅（Si3N4）廣泛用于電絕緣和表面鈍化。PECVD氮化硅主要用于集成電路的鈍化，由于氮化硅的多孔性，在HF中其腐蝕速率高于熱法生長(zhǎng)的二氧化硅，因而在表面微結(jié)構(gòu)中應(yīng)用不多 ,主要應(yīng)用于多晶硅表面微結(jié)構(gòu)的基體絕緣。4.4.2.7磷硅玻璃（PSG） 磷硅玻璃也是一種應(yīng)用廣泛的犧牲層材料。其淀積應(yīng)力比二氧化硅小，其制備工藝：LPCVD采用SiO4、O和PH3，PECVD應(yīng)用SiH4、N2O和PH3或四乙氧

34、硅烷（TEOS），三甲亞磷酸鹽（TMP）淀積而成。,4.4.2.8粘附現(xiàn)象 在犧牲層被刻蝕后，微器件要進(jìn)行漂洗和吹干。在器件浸入和提出溶液的過(guò)程中，溶液蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的毛細(xì)管作用力，把微器件拉向基體產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，在兩表面之間形成接角力。,圖4.49 微器件粘附形成（a）和解決方法（b）示意圖,4.4.3多晶硅的機(jī)械特性 應(yīng)用于表面微構(gòu)件的薄膜存在著較大的殘余應(yīng)力該殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)薄膜淀積條件和后工藝過(guò)程十分敏感這些殘余應(yīng)力影響著構(gòu)

35、件負(fù)載特性、輸出、頻率其他重要運(yùn)行參數(shù)，所以在形成一個(gè)表面微加工工藝以前充分理解和掌握這些機(jī)械特性4.4.3.1原位特性試驗(yàn)裝置 薄膜本征應(yīng)變場(chǎng)估價(jià)的試驗(yàn)裝置是測(cè)量薄膜與基體分離后產(chǎn)生的尺寸變化。當(dāng)薄膜與基體分離后，薄膜的應(yīng)力得到松弛，其伸長(zhǎng)或縮短正比于本征應(yīng)變場(chǎng)的大小，試驗(yàn)裝置為應(yīng)力松弛提供了直接與間接的測(cè)量。(1)懸臂梁 測(cè)量懸臂梁的形變，可獲得應(yīng)變松弛的大小。薄膜殘余應(yīng)變與梁尺寸變化如下式表示：,（4-24）,式

36、中為殘余應(yīng)變；L0為懸臂梁原始長(zhǎng)度；L為與基體分離后懸臂梁的長(zhǎng)度。 （(2)）微 橋 對(duì)于細(xì)長(zhǎng)部件，當(dāng)端點(diǎn)負(fù)載超過(guò)其臨界值 發(fā)生彎曲時(shí)，Guckel等人提出測(cè)量局部應(yīng)變場(chǎng)的裝置。公式（4-25）為軸向負(fù)載細(xì)梁Euler（歐拉）彎曲應(yīng)變的表達(dá)式

37、 （4-25）,式中：K為邊界尺寸相關(guān)的常數(shù)；t為薄膜厚度；L為梁的長(zhǎng)度。,圖4.51所示微橋長(zhǎng)度與彎曲應(yīng)變的關(guān)系曲線(xiàn)，其本征應(yīng)變值于—3.2×10-4和5.6×10-4之間。,圖4.51微橋長(zhǎng)度與Euler變曲應(yīng)變關(guān)系,4.4.3.2 殘余應(yīng)力梯度 實(shí)際上薄膜淀積后還要經(jīng)歷許

38、多道工藝，面內(nèi)in-plane）應(yīng)力通常隨薄膜厚度而變，該應(yīng)力的改變形成一個(gè)本征彎曲矢量M，其大小由下式給出： （4-28）式中：t為薄

39、膜厚度；σx（y）為薄膜中心到y(tǒng)距離面內(nèi)應(yīng)力的大小。圖4.53給出了δ（χ）/χ與χ的關(guān)系曲線(xiàn)。.4.4.3.4負(fù)載響應(yīng)特性 前面討論了測(cè)量薄膜殘余應(yīng)力大小和均勻性的方法，大量其他的薄膜機(jī)械性能如楊氏模量、泊松比和屈服強(qiáng)度等對(duì)微構(gòu)件特性也起著同樣重要的作用，這些性能對(duì),圖4.53 撓曲度δ（χ）與懸臂梁長(zhǎng)度χ的關(guān)系,材料性質(zhì)也十分敏感，必須給予充分的注意。用一負(fù)載可調(diào)節(jié)器的納米壓痕儀（Nanoindenter）來(lái)評(píng)價(jià)

40、懸臂梁的機(jī)械特性 4.5鍵合技術(shù) 鍵合技術(shù)包括有陽(yáng)極鍵合技術(shù)，硅/硅基片直接鍵合，其他硅一硅間接鍵合技術(shù)等。陽(yáng)極鍵合又稱(chēng)靜電鍵合或協(xié)助鍵合，具有鍵合溫度較低，與其他工藝相容性較好，鍵合強(qiáng)度及穩(wěn)定性高，鍵合設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此廣泛應(yīng)用于硅/硅基片之間的鍵合、非硅材料與硅材料、以及玻璃、金屬、半導(dǎo)體、陶瓷之間的互相鍵合。,4.5.1.1    4.5.1.1陽(yáng)極鍵合機(jī)理 陽(yáng)

41、極靜電鍵合的機(jī)理：在強(qiáng)大的靜電力作用下，將二被鍵合的表面緊壓在一起；在一定溫度下，通過(guò)氧一硅化學(xué)價(jià)鍵合，將硅及淀積有玻璃的硅基片牢固地鍵合在一起. 陽(yáng)極鍵合質(zhì)量控制的主要因素：在硅片上淀積玻璃的種類(lèi)，硅基片的準(zhǔn)備，鍵合工藝和鍵合設(shè)備。 (1) 玻璃種類(lèi)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響 (2) 高質(zhì)量的硅基片準(zhǔn)備工藝 (3 (3) 控制陽(yáng)極鍵合工藝參數(shù)保證鍵合質(zhì)量 (4) 鍵合裝置對(duì)鍵合質(zhì)量的影響 陽(yáng) 4.

42、5.1.3 極鍵合技術(shù)的應(yīng)用 硅/硅陽(yáng)極鍵合的許多實(shí)例是在微電子器件中制造SOI（silicon on insulate）結(jié)構(gòu)，此處介紹一種具體工藝流程，如圖4.61所示。 .。,,圖4.61 陽(yáng)極鍵合在SOI結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,（1）在第一塊硅基片上用各向異性刻蝕技術(shù)刻出U型溝槽，并作氧化處理。（2）在上述氧化處理的表面上沉積100厚的多晶硅。（3）將多晶硅表面磨平，拋光后再氧化?；蛘咴诖藪伖獾谋砻嫔蠟R射沉積0.5~20厚的

43、Corning7740玻璃層。（4）選擇合適的陽(yáng)極鍵合工藝參數(shù)，將該基片與中一硅基片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合。,（5）對(duì)第一塊硅片進(jìn)行減薄，SOI結(jié)構(gòu)基本完成，可用作專(zhuān)用器件的制造。4.5.2 硅/硅基片直接鍵合技術(shù) 硅/硅基片直接鍵合，又稱(chēng)硅的熔融鍵合。應(yīng)用這種鍵合技術(shù)必須符合兩個(gè)要求：拋光的兩個(gè)基片表面必須緊密接觸；兩者界面處的硅原子能形成穩(wěn)定的鍵。4.5.2.1 硅/硅基片直接鍵合機(jī)理 拋光清洗后的硅基片表面，一般存在一

44、層很薄的1～6nm氧化物，以區(qū)別于熱法生成的氧化物，該薄層氧化物為本征氧化物（native oxide）。在實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，有的是硅/硅直接相鍵合，有的是硅/二氧化硅直接鍵合，也有的是二氧化硅/二氧化硅鍵合。4.5.2.2 硅-硅直接鍵合工藝及其質(zhì)量控制,鍵合質(zhì)量主要受鍵合界面處空洞存在的影響。因此要控制工藝參數(shù)對(duì)界面空洞形成及清除。（1）鍵合前基片表面預(yù)處理工藝 （2）鍵合溫度的控制 （3）鍵合強(qiáng)度 4.5.2.

45、3 鍵合基片界面處的微缺陷 4.5.3 其他硅-硅間接鍵合工藝硅-硅間接鍵合工藝還有多種，如有膠水、低溫玻璃、金硅（金錫）共晶及其他金屬，用合金中間層來(lái)達(dá)到鍵合目的。4.5.3.1 金硅共晶鍵合金硅共晶鍵合的基本機(jī)理：在超大規(guī)模集成電路技術(shù)中硅芯片與基片的焊接經(jīng)常使用金硅“焊錫”。金膜的厚度對(duì)鍵合質(zhì)量有一定的影響，若金膜太薄，沒(méi)有足夠的共晶熔體覆蓋整個(gè)鍵合界面，且冷卻下來(lái)后，該合金是硅加金二,相共晶，不太可能實(shí)現(xiàn)100%面

46、積的鍵合。而若金膜太厚，則成本高、內(nèi)應(yīng)力大，對(duì)硅-硅鍵合的成本和質(zhì)量也有影響，推薦的金膜厚度為100~1000nm。 金膜共晶鍵合的缺點(diǎn)：是對(duì)空腔密封器件性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以及硅帶隙結(jié)構(gòu)的破環(huán)，同時(shí)當(dāng)硅被金污染后，載流子的壽命急劇減小。4.5.3.2其他間接鍵合工藝 研究較多的其他硅/硅間接鍵合工藝是采用具有低軟化溫度的玻璃作為中間層。還有一種最簡(jiǎn)單的間接鍵合工藝是利用各種膠水。4.6其他微加工技術(shù) 其他微加

47、工技術(shù)分為三類(lèi)：超精密機(jī)械加工；非切削加工及物種加工技術(shù)。,第四章思考題1.MEMS制造工藝有哪兩類(lèi)主要技術(shù)？敘述各類(lèi)技術(shù)的主要內(nèi)容。2. 敘述硅刻蝕的濕法技術(shù)的主要工藝流程。各向同性刻蝕的特點(diǎn)是什么？各向異性刻蝕的機(jī)理是什么？。3．?dāng)⑹龉杩涛g的干法技術(shù)主要工藝流程。4.什么是物理腐蝕技術(shù)及物理和化學(xué)腐蝕過(guò)程相結(jié)合？5.簡(jiǎn)要敘述電化學(xué)自停止腐蝕技術(shù)。6.LIGA體微加工技術(shù)的組成部分是什么？及其主要工藝流程。7.什么是微

48、電鑄工藝？微電鑄工藝的難點(diǎn)是什么？如何解決？8.什么是微復(fù)制工藝及其工作原理？9.LIGA的變化技術(shù)有哪幾種？其特點(diǎn)是什么？,10.MEMS制造工藝中表面微加工的機(jī)理和特點(diǎn)是什么？11.二氧化硅在各種生長(zhǎng)與淀積過(guò)程中，各有什么優(yōu)缺點(diǎn)。12.氮化硅在LPCVD的淀積條件是什么？13.為什么說(shuō)鍵合技術(shù)是MEMS制造工藝中重要的組成部分。14.什么是陽(yáng)極鍵合技術(shù)，其機(jī)理及陽(yáng)極鍵合質(zhì)量的影響因素。15.應(yīng)用硅/硅基片直接鍵合技術(shù)的

49、要求是什么？,第二章 MEMS的設(shè)計(jì),另外 KJ法的派生有累積KJ法。累積KJ法是基于收集信息系統(tǒng)化的一種方法，為解決實(shí)際問(wèn)題存在一種了解信息結(jié)構(gòu)而客觀的觀點(diǎn)。根據(jù)一種“W形態(tài)問(wèn)題解決的模型”Kawakita建議從2個(gè)周期到6個(gè)周期累積法使問(wèn)題得到解決。如圖2.8所示。圖2.8 KJ法W型態(tài)問(wèn)題解決流程圖（a）基礎(chǔ)概要：?jiǎn)栴}解答的步驟（b）KJ法的6個(gè)周期,,2.1.2 M Nakayama法M．Nakayama法