【正文】 而是來自獨立的 離子源 。 由于這種濺射可在較低的工作氣壓下進行，得到的薄膜雜質(zhì)少。 目前已經(jīng)開發(fā)了多種濺射方法： 直流濺射 射頻濺射 （一）直流濺射： 在直流濺射時 靶材 (陰極 )和 基板 (陽極 )之間附加高的直流電壓，使濺射氣體發(fā)生輝光放電形成離子，由于正離子對陰極靶材的轟擊， 使靶材表面的原子濺出 ，沉積到基板的表面。如右圖所示。 在蒸發(fā)過程中，常常將 基板置于行星式裝片裝置 上，使基板在薄膜沉積過程中，不但圍繞行星旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，還圍繞基板的中心軸旋轉(zhuǎn)。 電子束加熱法可以蒸發(fā)熔點較高的金屬 (如 W、Mo、 Ta等 )，沉積的速率高，沒有發(fā)熱材料的沾污。因此氧化的速率受到以下兩種因素的限制： (i)硅和氧化劑在界面的 反應速率 ； (ii)氧在已經(jīng)形成的氧化膜中的 擴散速率 。反應式為： Si+O2 SiO2(干氧氧化 ) Si+2H2O(水蒸汽 ) SiO2+2H2 (水汽氧化 ) 干氧氧化得到的氧化硅，結構致密、干燥、均勻性和重復性好、掩膜能力強，與抗蝕劑的粘附性好，光刻時不易浮膠，鈍化效果好。硅氧化有多種方法，其中以熱氧化應用最為普遍。 外延技術有： 氣相外延 (VPE)， 也稱化學氣相淀積 (CVD)； 液相外延 (LPE)； 分子束外延 (MBE)； （ 3）表面改性： 表面改性是通過基板的 表面化學反應 ，如硅片氧化生成 SiO2， 或其它過程，如擴散，離子注入和離子交換等在基板表面形成化學組成、材料結構和性能參數(shù)與基板體內(nèi)部有 明顯差別的膜層 。例如在半導體基板上沉積金屬膜或介質(zhì)膜， 膜層與基板的材料組成不同，可以是晶體也可以是非晶體 。 薄膜的表面和界面狀況、晶體結構和晶體的取向排列、化學成分和膜層結構以及各種物理性能等都對器件的功能有直接影響。從陰極電子槍發(fā)射出來的電子束由 靜電場加速、磁場聚集 、最后由電場和磁場控制使電子束以一定的軌跡偏轉(zhuǎn)，從而得到需要的圖形。電子束可以在計算機控制下 直接進行圖形的刻蝕 ，也可以通過特殊掩膜進行圖形轉(zhuǎn)印。 對于高分辨率系統(tǒng)，半影畸變 ?須控制在10?m以下，因此要求 D/d 100。 幾何畸變是由射線束的發(fā)散產(chǎn)生的。 曝光用的 X射線的波長范圍在 ? 5nm，可以避免常規(guī)光刻中遇到的衍射問題。 光的波長（ ?）越短分辨率越高。 涂膠的關鍵是控制膠膜的厚度與膜厚的均勻性 。 （ 5）成品率、產(chǎn)出率： 成品率表示合格產(chǎn)品相對投入總數(shù)的百分比。分辨率在不同領域有不同含義： 物理上對分辨率的定義是能清楚地區(qū)分圖形中 兩點之間的距離 。 圖 B1 光學光刻過程示意圖（正性抗蝕劑） 評估各種光刻技術性能參數(shù)主要有： （ 1） 分辨率； （ 2）線寬； （ 3）準確度； （ 4）失真度； （ 5）套刻精度； （ 6）成品率、 產(chǎn)出率 。 下面繼續(xù)介紹抗蝕劑。直接刻寫式可省去該工序。 （ 3）投影式。所以抗蝕劑的敏感性能應與曝光光源的波長相匹配。 （ 2） X射線，采用 X射線作為能量的載體。 圖形技術是從石版印刷技術演變而成的。 （ 2）刻蝕技術：應用刻蝕方法去除薄膜多余部分。目前已用該材料制作微加速度計、微反射鏡等。 五、石英材料。 金剛石材料的熱導率極高，即散熱效果較好，可作為功率器件使用。 近年來隨著薄膜技術的發(fā)展，用多種 CVD方法成功地制備出金剛石薄膜。以前這種材料用于制造腐蝕性較強的反應器或像 Si3N4薄膜一樣，作為刻蝕的保護膜。 其發(fā)光性能和絕緣性能優(yōu)于硅材料，故GaAs仍是重要的材料，如果能在硅基板上形成GaAs， 則其用途將更廣泛。 多晶硅材料具有單晶硅類似的機械性能，多晶硅是表面微機械加工中廣泛應用的結構和犧牲層材料。因此，硅具有優(yōu)良的性能。 硅具有優(yōu)良的機械性能，較好的剛度（彈性模量與鋼相近）以及足夠的支撐強度。 是近幾十年來集成電路制造的主要半導體材料。 用于基板的材料主要有： （ 1）硅； （ 2）砷化鎵； （ 3）金剛石薄膜； （ 4）石英以及高分子材料。 各種加工技術都各有其本身的優(yōu)點和適應的加工范圍； 對于一個具體的 MEMS的制造、加工方法不是唯一的。 普通的半導體微加工技術 主要是一種二維加工技術，加工深度僅為 數(shù)個微米 。 MEMS的組成部分微傳感器、微處理器和微驅(qū)動器都是必需具有一定厚度的三維結構，是三維加工技術 。 應根據(jù)微器件特點和現(xiàn)有的技術條件，選用合適的一種或者幾種加工方法進行組合，以得到需要的微器件。 對材料的要求除了應具有較高的機械強度、軔性、價格低廉外，還希望它與 半導體材料及加工有優(yōu)良的相容性 。 已積累了豐富的硅材料微加工經(jīng)驗，并用它制成了大規(guī)模集成電路和單片處理機等。 硅作為微系統(tǒng)基板的另一個優(yōu)點是可方便地將測量、控制以及計算機的接口等電路全部集成在一塊基板上，縮短微機械器件和控制電路之間的連線、減少寄生電容，降低干擾，提高測量精度。 硅作為結構材料使用時，為了不增加材料內(nèi)部的缺陷，所以在對硅單晶加工時必須注意采用不產(chǎn)生缺陷的化學刻蝕加工技術。 二、 GaAs化合物半導體材料 GaAs的電子遷移率遠大于硅，因此可以制成 高速器件 ，而且與硅相比，還可在更高的溫度下運行（ 573K） （高溫器件）。 三、 SiC材料。 SiC材料也可作為金剛石薄膜的基板材料或者其它結構材料。金剛石薄膜可作為微系統(tǒng)中的 結構材料 。 金剛石材料有可能制造紫外波段藍光發(fā)光器件。 石英是具有 壓電性能 的材料，而且具有優(yōu)良的彈性和機械穩(wěn)定性，因此廣泛用于制作壓電探頭。 第二節(jié) 半導體微加工技術 半導體微加工技術是 MEMS加工技術中不可缺少的組成部分。 （ 3）薄膜技術：應用晶體在基板上生長形成薄膜、表面改性。微加工技術的首要任務是設法減小圖形的尺寸和提高精度。 （ 3） 電子束和離子束，采用電子和離子作為能量的載體。 光刻中圖形轉(zhuǎn)移的方式： 圖形轉(zhuǎn)移有掩膜版式、直接刻寫式進行曝光以獲得所要求的圖形。 （ 2）接近式（為了避免接觸式光刻對掩膜版的損傷，掩膜版與涂有抗蝕劑的基板有5?50mm的距離，但這犧牲了圖形的分辨率）。 目前尚難以對 X射線進行聚焦和偏轉(zhuǎn)，所以X射線不能適應直接刻寫方法。 直接刻寫是發(fā)展方向： （ 2）正性抗蝕劑（ 正膠 ）：感光的部分在顯影時被適當?shù)娜軇┤芙?，在基板上形成的圖形與掩模板上的 圖形相同 。 以下分別加以討論。 工程上分辨率通常用單位長度上可分辨的 高反差線對的數(shù)量 來表示。產(chǎn)出率表示單位時間內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)量。膠膜的厚度決定于光刻膠的粘度和旋轉(zhuǎn)速度。 光學系統(tǒng)分辨率 ?X取決于曝光采用光源的波長 ?： ?X = K?/N?A （ B－ 1） K是與抗蝕劑材料和曝光工藝有關的常數(shù)，一般為 。 下圖為不同光刻技術的比較。 X射線接近式 曝光裝置圖 由 X射線束的發(fā)散產(chǎn)生的幾何畸變 ?為： s為掩膜和樣品間距； D為光源到掩膜的距離； W為樣品的半徑。 在高分辨率系統(tǒng)中，要求幾何畸變 ?小于?m以下，由于目前集成電路用的硅片尺寸在 6英寸以上，這就對 s的變化提出了很高的要求。 電子束斑可以聚集到 ? 10 nm。 離子束： 離子束具有比電子束更短的波長，因此用離子束可以得到更高的分辨率 ，但離子束加工的設備更加復雜，這種加工方法近期尚未在微系統(tǒng)中有應用的可能，為此本節(jié)不進行討論。 按制備薄膜的方法有真空蒸鍍、濺射淀積、電離團束淀積、電鍍和涂覆五種。 （ 2）外延膜： 外延膜與基板之間有 相同或非常接近的晶體結構 ，膜層的晶格通常是基板晶格的延伸，或與基板晶體共格。其特點是整體性好，但不易獲得突變的界面，往往存在一定厚度的過渡區(qū)。 熱氧化硅比其它沉積得到的氧化硅薄膜具有更好的特性。但氧化的速率慢。 一般在氧化膜較厚時，后者占主導地位，因此氧化膜的厚度的增加取決于氧在膜內(nèi)的擴散速度，與時間的關系是 非線性 的。 （ 2） 真空蒸發(fā)： 蒸發(fā)是通過加熱方法將需要制備薄膜的材料在真空（ 10－ 4 10－ 5Pa） 中 氣化 ，隨后 沉積在基板表面 獲得薄膜的方法。這可以改善薄膜的均勻性和由于 陰影效應 ，出現(xiàn)薄膜內(nèi)部不均勻等問題。 （ 3）濺射： 圖 B－ 5 濺射裝置結構示意圖 磁控濺射和離子束濺射等。 （二）射頻濺射： 射頻濺射是在靶材和基板之間附加頻率為 MHz的射頻電壓。另外靶材轟擊出來的二次電子受磁場的約束不再直接轟擊基板，使得沉積過程中基板保持在較低溫度，可得到性能優(yōu)良的器件。離子在電場作用下進入真空室，轟擊靶材上的原子。 化學氣相沉積 (CVD)是指一種或幾種氣態(tài)化合物在基板的表面反應 形成固態(tài)薄膜的過程。 化學氣相沉積的種類很多，目前最常用的有： （ 一） 常壓化學氣相沉積 (APCVD)； （ 二）低壓化學氣相沉積 (LPCVD)； （ 三） 離子增強化學氣相沉積 (PECVD)； （ 四） 紫外光或微波增強的化學氣相沉 積（光輔助 CVD， MPECVD）； 化學氣相沉積設備一般由反應腔、基板架、可控的氣體導入系統(tǒng)、溫度可控的基板加熱系統(tǒng)等組成，如下圖所示。 三溫區(qū)加熱爐薄膜制備過程中，可以通過控制溫度、溫度梯度、總壓力、反應氣體的氣壓、抽氣速率和基板間隙來實現(xiàn)對沉積材料性質(zhì)的控制。 金屬有機化合物 CVD是利用金屬有機化合物分解的溫度較低，從而可在較低反應溫度沉積薄膜，得到外延生長的化合物半導體薄膜。 （ 5） 擴散與離子注入： 摻雜是半導體技術中的主要工藝之一，它是將所需的雜質(zhì)按要求的濃度與分布摻入半導體材料的特定區(qū)域中，以改變材料的特定區(qū)域的電學性質(zhì)。由于預擴散的溫度較低，所以擴散的較淺。再分布的目的為了得到所需的 擴散深度和濃度 。 （二）離子注入： 離子注入摻雜具有均勻性和重復性好、沾污少、可摻雜材料多、掩膜選擇靈活、易實現(xiàn)突變的雜質(zhì)分布、熱缺陷少、橫向效應小以及對化合物半導體的組分影響小等方面的優(yōu)點。 兩工藝比較如下圖所示。 圖 28 兩種圖形轉(zhuǎn)移方法 根據(jù)刻蝕是液相過程還是氣相過程又把刻蝕分為濕法和干法。 圖 2－ 9 刻蝕偏差示意圖 如果刻蝕只沿垂直于膜面的方向進行，而不在水平方向進行的稱為各向異性刻蝕， 如圖 2－ 10(a)所示，這時抗蝕劑圖形的側(cè)面與掩模圖形一致，刻蝕偏差為零，如下圖所示。 （ 1）濕法刻蝕 將被抗蝕劑覆蓋的基板浸泡在腐蝕液中、或?qū)⒏g液噴灑到基板上， 使未被抗蝕劑保護的材料與腐蝕液起化學反應，逐漸被腐蝕掉。但由于濕法刻蝕完全是化學作用，易于發(fā)生 鉆蝕 ，所以刻蝕的分辨率不高，線條不陡直，但薄膜較薄時影響不太大。 （ 2）干法刻蝕 干法刻蝕也是微電子工藝中制作圖形的常用方法。另一方面，為了保證要刻蝕的薄膜徹底腐蝕，常常需要 過腐蝕 ，這就進一步加大了鉆蝕的寬度，鉆蝕的寬度有可能達到厚度的兩倍。 與此同時，干法刻蝕也可用通過側(cè)向的鉆蝕，制作獨立的微結構。 等離子體刻蝕是利用等離子體與基板產(chǎn)生化學反應來進行刻蝕，如下圖所示。 由于在等離子刻蝕的反應室內(nèi)存在各種高能粒子，它們 轟擊抗蝕劑使刻蝕圖形損傷 ；形成各向同性的化學反應、無方向性的腐蝕。該項技術主要包括以下三種： 第 3節(jié) 硅材料微機械加工技術