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。
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 蚀速率显着不同 ,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。
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。
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、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。
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。
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。