【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 淀積 — 層薄膜，然后在上面涂覆抗蝕劑經(jīng)光刻形成圖形，最后通過刻蝕去除沒有被抗蝕劑保護(hù)的那部分薄膜，如右圖所示。 （ 2）加法 (additive)工藝： 先在基板上涂覆抗蝕劑經(jīng)光刻形成圖形，然后再淀積薄膜，這時(shí)一部分薄膜淀積在基板表面，另一部分淀積在抗蝕劑表面，最后在去除抗蝕劑時(shí)這部薄膜將隨之一起被清除，這種過程也稱為剝離 (lift— off)。 必須指出，如果采用同一種抗蝕劑（例如正膠），為了獲得相同的最終圖形，則二種方法所采用的掩膜版是相反的。 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。 （ 1）濕法刻蝕主要是化學(xué)作用。 （ 2）干法刻蝕方法較多，有主要是化學(xué)作用的等離子體刻蝕；主要是物理作用的離子束刻蝕(IBE)和濺射刻蝕（ SE）； 以及化學(xué)作用和物理作用相互增強(qiáng)的反應(yīng)離子刻蝕 (RIE)和反應(yīng)離子束刻蝕 (RIBE)。 刻蝕工藝的基本要求是真實(shí)地轉(zhuǎn)移圖形，但實(shí)際總存在一定的偏差 B， 它由抗蝕劑圖形尺寸df和掩膜圖形尺寸 dm確定： B = df— dm 刻蝕的這種偏差是由于刻蝕的方向性造成的，如下圖所示。 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(jìn)行，而不在水平方向進(jìn)行的稱為各向異性刻蝕， 如圖 2－ 10(a)所示，這時(shí)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。 各向異性刻蝕和各向同性刻蝕 如果刻蝕在薄膜的垂直和水平方向同時(shí)以相同的速度進(jìn)行刻蝕， 這時(shí)在抗蝕劑下薄膜的側(cè)面經(jīng)刻蝕后會(huì)形成四分之一圓弧狀，刻蝕偏差與膜厚相同，這種刻蝕稱為 各向同性刻蝕 ，如下圖所示。 刻蝕各向異性的程度取決于橫向和縱向的刻蝕速率的比值，可以用各向異性因子 Af來表示： Af = 1 – Vfl / Vfv (B－ 4) 式中 Vfl和 Vfv分別表示薄膜的橫向和縱向的刻蝕速率。 在各向同性刻蝕時(shí)， Vfl=Vfv， 所以 Af=0 當(dāng)橫向刻蝕速率 Vfl =0時(shí)，則 Af=1， 表示完全各向異性刻蝕，當(dāng) 0Af1時(shí)，也稱為各向異性刻蝕，但這時(shí)掩模下的薄膜在橫向也有被刻蝕的現(xiàn)象，這種刻蝕又稱為鉆蝕。 （ 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(hù)的材料與腐蝕液起化學(xué)反應(yīng)，逐漸被腐蝕掉。選擇適當(dāng)?shù)母g液配方可以獲得良好的刻蝕選擇性。 在微機(jī)械加工中為了去除犧牲層而保留運(yùn)動(dòng)部件和基板，通常也采用濕法刻蝕方法進(jìn)行。 濕法腐蝕的工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單、刻蝕速率快、生產(chǎn)效率高，是主要的刻蝕手段。但由于濕法刻蝕完全是化學(xué)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(shí)影響不太大。 將雙層材料放在某種刻蝕劑中，如下層材料易被腐蝕，這也稱為鉆蝕，在表面微機(jī)械加工中犧牲層就是利用這種鉆蝕方法進(jìn)行加工的。 濕法刻蝕腐蝕液大多具有強(qiáng)腐蝕性或含有有毒的物質(zhì)，使用時(shí)應(yīng)注意安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)。 在半導(dǎo)體微機(jī)械加工中常用的腐蝕劑如下表所示。 （ 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。它是通過氣體分子與樣品表面的原子進(jìn)行物理作用、化學(xué)作用或物理化學(xué)作用從而實(shí)現(xiàn)刻蝕的功能。 與濕法腐蝕的工藝相比，此工藝可以加工更細(xì)的微結(jié)構(gòu)。 因?yàn)樵跐穹üに囍?，腐蝕一般是各向同性的，在結(jié)構(gòu)的每一邊， 鉆蝕 的程度與薄膜的厚度相當(dāng)。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(jìn)一步加大了鉆蝕的寬度，鉆蝕的寬度有可能達(dá)到厚度的兩倍。 濕法腐蝕是無法制作 2?m以下數(shù)量級(jí)的微結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代在制作互補(bǔ)型金屬氧化物集成電路（ CMOS） 工藝中，需要 1?m以下的微結(jié)構(gòu)，必須采用干法刻蝕。 在微系統(tǒng)中，干法工藝進(jìn)一步被發(fā)展，通過對(duì)側(cè)壁的保護(hù)，可以制造高深寬比的微結(jié)構(gòu)，刻蝕的深度達(dá)數(shù)百微米。 與此同時(shí)，干法刻蝕也可用通過側(cè)向的鉆蝕，制作獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)。干法刻蝕已成為微系統(tǒng)中的關(guān)鍵加工技術(shù)。 干法刻蝕包括等離子體刻蝕、濺射刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕。它們與濕法刻蝕不同，不是在液相條件下而是在氣相狀態(tài)下進(jìn)行的。 等離子體刻蝕是利用等離子體與基板產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行刻蝕，如下圖所示。 圖 2－ 11 圓桶形和平板形等離子體刻蝕裝置 通入腔體的稀薄反應(yīng)氣體在高電壓作用下產(chǎn)生 輝光放電 ，刻蝕氣體分子在電子的撞擊下，積聚能量成為 活性的游離基或被電離成離 子 。這種粒子具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 如 CF4氣體，并不能直接與硅產(chǎn)生反應(yīng)，但 CF4被激發(fā)后，其中的氟原子就易與硅進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。 由于在等離子刻蝕的反應(yīng)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(xué)反應(yīng)、無方向性的腐蝕。 為了避免電子、離子和光對(duì)抗蝕劑的影響，采用如下圖所示的微波等離子體刻蝕裝置，將 放電區(qū)和反應(yīng)區(qū)分開，放電區(qū)產(chǎn)生的活性游離基由氣流輸送到樣品表面而引起刻蝕。 圖 2－ 12 微波等離子體刻蝕裝置 典型 IC工藝方法 近年來由于 IC工藝技術(shù)的發(fā)展，使平面微加工技術(shù)得到了長足的進(jìn)步，達(dá)到了完臻的地步。為了迅速滿足微系統(tǒng)的要求，將平面微加工技術(shù)使用到微系統(tǒng)中，建立了硅材料的微機(jī)械加工技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)主要包括以下三種： 第 3節(jié) 硅材料微機(jī)械加工技術(shù) MEMS加工技術(shù)是加工具有一定厚度的 三維加工技術(shù) 。 IC工藝是 二維加工即平面加工技術(shù) 。 硅材料的微機(jī)械加工技術(shù)包括： 表面微機(jī)械加工； 體腐蝕加工技術(shù)； 鍵合技術(shù)。 一、表面微機(jī)械加工技術(shù) 表面微機(jī)械加工是發(fā)展了的平面微細(xì)加工技術(shù)，其特點(diǎn)是采用 犧牲層， 即先在基板上沉積一層犧牲層，然后在犧牲層上再制作結(jié)構(gòu)層（包括運(yùn)動(dòng)件），在微結(jié)構(gòu)加工成特定的形狀后，再將犧牲層腐蝕掉，就得到了自由的微結(jié)構(gòu)層。 圖 2－ 14 表面微機(jī)械加工工藝過程 表面微機(jī)械加工工藝制造一層自由結(jié)構(gòu)的原理過程。這里的犧牲層為 氧化硅 ，結(jié)構(gòu)層為 多晶硅 。 表面微機(jī)械加工工藝與 CMOS工藝的兼容性好，可以將微機(jī)械系統(tǒng)和控制的集成電路集成在一起，因此這種加工工藝更適合于制造智能微系統(tǒng)。 表面微機(jī)械加工技術(shù)的特點(diǎn) 用表面微機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)的 結(jié)構(gòu)的尺寸可以在2?m左右 ，甚至亞微米的結(jié)構(gòu)，其極限尺寸主要受刻蝕（比如，反應(yīng)離子刻蝕 RIE） 工藝的限制。 表面微機(jī)械加工技術(shù)使設(shè)計(jì)有了更大的靈活性。 表面微機(jī)械加工技術(shù)可加工可動(dòng)的微部件，如靜電型微馬達(dá)。可加工有懸臂梁的微探測(cè)器、諧振器、可動(dòng)微反射鏡、光快門、加速度傳感器和微陀螺等。 圖 2－ 15 表面微機(jī)械加工技術(shù)制備靜電型微馬達(dá)的工藝流程 表面微機(jī)械加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是選擇合適的結(jié)構(gòu)層和犧牲層的材料。它們必須滿足以下 5方面的要求： （一）對(duì)犧牲層材料的要求 （ 1）犧牲層必須具備 良好的機(jī)械性能 （如粘附性好，低殘余應(yīng)力等），以防止在加工過程中器件失效（如剝離、斷裂等）的發(fā)生。 （ 2）在特定的刻蝕工藝中，結(jié)構(gòu)層和犧牲層之間的腐蝕速率差別大，即腐蝕的選擇性高。 犧牲層在刻蝕中必須是各向同性的，而且腐蝕的速率要快，不留殘物?；蛘咭袑?duì)上下層材料幾乎不侵蝕的刻蝕介質(zhì)。 （ 3）在犧牲層薄膜形成的溫度范圍內(nèi)不與上下層材料產(chǎn)生反應(yīng)。 （ 4）如果形成溫度較高，則要求犧牲層與上下二層材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)相近。 （ 5）如果需要與集成電路集成在一塊芯片上，其加工工藝應(yīng)與 CMOS工藝相容。 （ 二）對(duì)運(yùn)動(dòng)部件材料的要求 隨著器件尺寸的減少，器件的固有振動(dòng)頻率提高，因此微器件可以進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)。而隨著尺寸的減少，運(yùn)動(dòng)器件的摩擦阻力也隨之迅速增大。因此對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件材料選擇應(yīng)考慮如下 4個(gè)方面的問題： 電和熱的絕緣和傳導(dǎo)； 熱膨脹系數(shù)； 與犧牲層材料刻蝕特性的差異； 機(jī)械和熱的強(qiáng)度等。 以下具體討論典型器件的要求。 （三）典型微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮的問題 對(duì)于靜電型運(yùn)動(dòng)器件，如微馬達(dá)的轉(zhuǎn)子、直線型驅(qū)動(dòng)器、多模振子等微結(jié)構(gòu)： 要求其結(jié)構(gòu) 利于靜電驅(qū)動(dòng) ，同時(shí)電極之間應(yīng) 絕緣 。 轉(zhuǎn)動(dòng)器件必須具有較高的 機(jī)械強(qiáng)度 和低的 摩擦系數(shù) ，而且要能承受在刻蝕犧牲層時(shí)腐蝕液的 腐蝕 。 要解決摩擦問題： （ 1）從材料選擇上考慮。實(shí)驗(yàn)證明多晶硅和氮化硅的摩擦系數(shù)比硅和硅之間的摩擦系數(shù)??； （ 2）從接觸部位的材料上考慮。在轉(zhuǎn)子的接觸表面濺射潤滑材料（如二硫化鉬），以增加潤滑； （ 3）從結(jié)構(gòu)上考慮?？梢栽O(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)，利用轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的空氣壓力使運(yùn)動(dòng)部分上浮以減少接觸面積和摩擦力。 對(duì)于壓力、加速度和觸覺等傳感器以及微型泵等，都需要有高強(qiáng)度隔膜以隔離腔內(nèi)外空間。 這一類隔膜要求具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良的彈性性能?？刹捎醚趸琛⒌杌蛘邠脚鸸璧缺∧ぶ苽?，但這些制備的薄膜一般都具有較大的且取向不同的內(nèi)應(yīng)力。使制備的薄膜不平整。 采用不同的材料而采用同樣的工藝制備，則得到的薄膜其彎曲變形的情況是不同的。 有時(shí)為了得到彎曲變形較小的隔膜可以采用內(nèi)應(yīng)力方向不同的多層薄膜組成，如，采用 SiO2/Si3N4/SiO2的多層結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)應(yīng)力的抵消，可減少其彎曲變形。 微型閥件的閥門材料，希望既具有優(yōu)良的彈性同時(shí)應(yīng)有適當(dāng)?shù)娜彳浶裕话憧刹捎媚?400?C機(jī)械性能優(yōu)良的聚酰亞胺有機(jī)絕緣化合物或者厚度為 5 ~ 10?m硅薄膜。 （三）表面微機(jī)械加工中的一些問題 表面微機(jī)械加工制備的結(jié)構(gòu)的線度常常是在數(shù)百微米，而間隙卻是微米量級(jí)，因此，表面微機(jī)械加工必須避免微結(jié)構(gòu)的 變形和粘附 問題。 微結(jié)構(gòu)特別是運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)必須非常平直，沒有彎曲，以免結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)與基板相碰而增加摩擦阻力。 如上所述，要求制備的結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)無應(yīng)力。 圖 B－ 17 基板和微結(jié)構(gòu)形成粘附的過程 粘附 是表面微機(jī)械加工中的一個(gè)突出問題，在 濕法腐蝕時(shí)尤為嚴(yán)重 。一般在犧牲層被腐蝕后，將基板置于 去離子水或乙醇 中清洗并被干燥。顯然無微結(jié)構(gòu)的區(qū)域先被干燥，此時(shí)就會(huì)有一些殘余的液滴留在微結(jié)構(gòu)和基板之間，進(jìn)一步干燥可使液滴減小，最終消失。而此時(shí)由于 液體表面的張力 使薄而長的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲，并將微結(jié)構(gòu) 吸附 到基板的表面。當(dāng)液體完全揮發(fā)后，微結(jié)構(gòu)仍然被 粘附 在基板的表面。粘附的形成過程如左圖所示。 圖 2－ 18 三相圖 粘附 問題是由于 液滴的汽化 引起的。左圖是物質(zhì)氣、液、固三態(tài)存在的三相圖。 根據(jù)三相圖，物質(zhì)從液體變?yōu)闅鈶B(tài)有多種途徑。直接從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)會(huì)產(chǎn)生粘附。而從液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w還存在另外二種途徑：即 繞過 三相點(diǎn)法 和 繞過臨界點(diǎn)法 的二個(gè)途徑 。 在 超臨界狀態(tài) 下，流體的物理性質(zhì)處于氣體和液體之間，既具有與氣體相當(dāng)?shù)臄U(kuò)散系數(shù)和較低的粘度，又具有與液體相近的密度和對(duì)物質(zhì)良好的溶解能力。因此，超臨界流體是存在于氣、液這兩種流體狀態(tài)以外的第三流體。 超臨界流體的特性。例如，超臨界流體分子的 擴(kuò)散系數(shù) 比一般液體高 10～ 100倍，有利于傳質(zhì)和熱交換。其次是 可壓縮性 ，溫度或壓力較小的變化可引起超臨界流體的密度發(fā)生較大的變化。大量的研究表明，超臨界流體的密度是決定其溶解能力的關(guān)鍵因素，改變超臨界流體的密度可以改變超臨界流體的溶解能力。 二、體微機(jī)械加工技術(shù) 使用傳統(tǒng)的微細(xì)加工或精密的機(jī)械加工方法對(duì)硅進(jìn)行深層加工都存在著一定的困難。 通常采用掩膜深刻蝕技術(shù)解決這個(gè)問題 。 硅的體腐蝕分為各向同性刻蝕和各向異性刻蝕。 下圖是硅在液體介質(zhì)（濕法）和氣體介質(zhì)（干法）中的各向同性和各向異性刻蝕的幾種情況的例子。 圖 2－ 20 硅的各種刻蝕方法