【文章內(nèi)容簡介】 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地轉(zhuǎn)移圖形，但實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。 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以相同的速度進行刻蝕， 這時在抗蝕劑下薄膜的側(cè)面經(jīng)刻蝕后會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， Vfl=Vfv， 所以 Af=0 當(dāng)橫向刻蝕速率 Vfl =0時，則 Af=1， 表示完全各向異性刻蝕，當(dāng) 0Af1時，也稱為各向異性刻蝕，但這時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。 在微機械加工中為了去除犧牲層而保留運動部件和基板，通常也采用濕法刻蝕方法進行。 濕法腐蝕的工藝和設(shè)備簡單、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，在表面微機械加工中犧牲層就是利用這種鉆蝕方法進行加工的。 濕法刻蝕腐蝕液大多具有強腐蝕性或含有有毒的物質(zhì)，使用時應(yīng)注意安全生產(chǎn)和環(huán)境保護。 在半導(dǎo)體微機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行物理作用、化學(xué)作用或物理化學(xué)作用從而實現(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的微結(jié)構(gòu)。 因為在濕法工藝中，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。 濕法腐蝕是無法制作 2?m以下數(shù)量級的微結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代在制作互補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，干法工藝進一步被發(fā)展，通過對側(cè)壁的保護，可以制造高深寬比的微結(jié)構(gòu)，刻蝕的深度達數(shù)百微米。 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(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)得到了長足的進步，達到了完臻的地步。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械加工技術(shù)。該項技術(shù)主要包括以下三種： 第 3節(jié) 硅材料微機械加工技術(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) 。 硅材料的微機械加工技術(shù)包括： 表面微機械加工； 體腐蝕加工技術(shù)； 鍵合技術(shù)。 一、表面微機械加工技術(shù) 表面微機械加工是發(fā)展了的平面微細加工技術(shù)，其特點是采用 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（包括運動件），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 表面微機械加工工藝過程 表面微機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 。 表面微機械加工工藝與 CMOS工藝的兼容性好，可以將微機械系統(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)。 表面微機械加工技術(shù)的特點 用表面微機械加工實現(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。 表面微機械加工技術(shù)使設(shè)計有了更大的靈活性。 表面微機械加工技術(shù)可加工可動的微部件，如靜電型微馬達?？杉庸び袘冶哿旱奈⑻綔y器、諧振器、可動微反射鏡、光快門、加速度傳感器和微陀螺等。 圖 2－ 15 表面微機械加工技術(shù)制備靜電型微馬達的工藝流程 表面微機械加工技術(shù)實現(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）對犧牲層材料的要求 （ 1）犧牲層必須具備 良好的機械性能 （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ι舷聦硬牧蠋缀醪磺治g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）對運動部件材料的要求 隨著器件尺寸的減少，器件的固有振動頻率提高，因此微器件可以進行高速運動。而隨著尺寸的減少，運動器件的摩擦阻力也隨之迅速增大。因此對于運動部件材料選擇應(yīng)考慮如下 4個方面的問題： 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； 機械和熱的強度等。 以下具體討論典型器件的要求。 （三）典型微系統(tǒng)的設(shè)計考慮的問題 對于靜電型運動器件，如微馬達的轉(zhuǎn)子、直線型驅(qū)動器、多模振子等微結(jié)構(gòu)： 要求其結(jié)構(gòu) 利于靜電驅(qū)動 ，同時電極之間應(yīng) 絕緣 。 轉(zhuǎn)動器件必須具有較高的 機械強度 和低的 摩擦系數(shù) ，而且要能承受在刻蝕犧牲層時腐蝕液的 腐蝕 。 要解決摩擦問題： （ 1）從材料選擇上考慮。實驗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。可以設(shè)計一種結(jié)構(gòu)，利用轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動時的空氣壓力使運動部分上浮以減少接觸面積和摩擦力。 對于壓力、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械強度和優(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)良的彈性同時應(yīng)有適當(dāng)?shù)娜彳浶?，一般可采用?400?C機械性能優(yōu)良的聚酰亞胺有機絕緣化合物或者厚度為 5 ~ 10?m硅薄膜。 （三）表面微機械加工中的一些問題 表面微機械加工制備的結(jié)構(gòu)的線度常常是在數(shù)百微米，而間隙卻是微米量級，因此，表面微機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)特別是運動結(jié)構(gòu)必須非常平直，沒有彎曲，以免結(jié)構(gòu)在運動時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 是表面微機械加工中的一個突出問題，在 濕法腐蝕時尤為嚴(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，此時就會有一些殘余的液滴留在微結(jié)構(gòu)和基板之間，進一步干燥可使液滴減小，最終消失。而此時由于 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 繞過三相點法 和 繞過臨界點法 的二個途徑 。 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散系數(shù)和較低的粘度，又具有與液體相近的密度和對物質(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、體微機械加工技術(shù) 使用傳統(tǒng)的微細加工或精密的機械加工方法對硅進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 1．各向同性刻蝕 硅的濕法各向同性刻蝕廣泛用于： (a)受損硅表面的去除； (b)在單晶硅上制作微結(jié)構(gòu)； (c)在單晶硅或多晶硅上生成圖形。 最常用的硅的各向同性腐蝕介質(zhì)是氫氟酸（ HF）、 硝酸（ HNO3） 和水或冰醋酸（ CH3COOH） 的混合物，通常稱之為 HNA混合液。 在 HNA系統(tǒng)中，其刻蝕的反應(yīng)過程可以簡述如下： 硅表面原子產(chǎn)生陽極反應(yīng)形成兩個空穴，與水中 OH－ 結(jié)合形成 Si(OH)2， 而后又分解成 SiO2和 H2， 氫氟酸