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制备MEMS器件的微细加工技术  

2010-11-19 17:44:52|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:戴晓光

 (湖北职业技术学院 机电工程系,湖北 孝感 432000)

 [摘 要] 文章综述了用于制备MEMS器件的几种典型微细加工技术的工艺原理、特点以及研究现状,并展望了这些微细加工技术的发展前景。

[关键词] 微机电系统;微细加工;器件

 1  前言

对于微机电系统(micro-electro-mechanical-system,缩写为MEMS)而言,主要由微传感器、微执行器、微信号处理电路以及外部环境接口等部分组成,所以微机电系统不仅可以感知世界,而且可以根据感知到的信号去执行相关的操作与任务,因此,MEMS已被广泛地应用于航空航天、健康医疗、环境监测、国防等领域[1]。MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域,是将半导体集成电路的微细加工技术和超精密机械加工技术结合起来,实现微电子与微机械一体化的系统,是半导体制作技术的延伸与拓展。因此,可以说MEMS与微电子技术是密不可分的,许多用于制作集成电路的微细加工技术同样可以用来制备MEMS中的三维形体与器件。用于制备MEMS器件的微细加工技术有很多,但总的来说有三种,即光刻技术、制膜技术、刻蚀技术。本文主要介绍了这三种微细加技术的研究现状,并对其演化技术及发展趋势进行了简要论述。

2  制备MEMS器件的微细加工技术

2.1 光刻技术

制备MEMS器件的微三维形体一般用光刻方法形成,而不是利用加工工具与材料的直接相互作用,这点与传统的机械加工方法不同,所以限制微三维结构尺寸精度的不是加工工具本身的尺寸,而是成像系统的分辨率,例如光波的波长,激光束的直径等,因此,高精度的几何形体在基底上的图形化是制备MEMS器件的关键技术[2]。目前,光刻技术是唯一可在基底上制作亚微米精度图形的技术,主要用来制作掩模版、体硅工艺中空腔腐蚀、表面工艺中牺牲层薄膜的沉积和腐蚀以及传感器和制动器初级电信号电路的图形化处理。

利用光刻技术制备MEMS器件的基本原理是将光刻胶用甩胶机均匀地涂在基底上,接着将绘制有预定图案的掩模版置于光刻胶的上方,然后用一束分辨率很高的光束通过预先绘制有图案的掩模版,从而对光刻胶进行曝光。经显影后,在未清洗掉的光刻胶上留下了极微细的几何图形,从而实现掩模版的图案向基底的转移,利用光刻技术制备MEMS器件的一般工艺过程如图1所示。


图1  光刻技术的基本工艺示意图 

光学曝光技术具有以特点:1.掩模版制作工艺复杂,制作周期长。掩模版制作本身是一个微细加工过程,它涉及到曝光、显影、刻蚀等工艺过程。2.光学曝光所得到的图形分辨率受到光源波长的影响较大。为了提高图形分辨率,不断地减小波长,可是同时也带来另一个问题,那就是焦深的减小,如果曝光系统的焦深很小,则掩模成像中只能在很小的高度起伏范围内保证聚焦,超出这一范围就散焦了,所以必须保证分辨率与焦深之间的平衡。3.制备MEMS器件须采用厚胶工艺曝光,因为许多微机电系统需要比较大的深宽比,即要求具有一定的厚度,所以MEMS器件的三维结构受到光刻胶性能的影响较大。4. 制备MEMS器件的光刻技术对环境的洁净度要求很高,需要在高于洁净度为10的环境中进行。为了得到分辨率极高的图形,曝光所用光源也经历了由最初的普通紫外光源(波长为350-500nm)向深紫外(Ultra-Violet,缩写为UV。波长为150-300nm)光源的发展过程[3],光刻胶也由常用的酚醛清漆传统光刻胶向最典型的SU-8光刻胶发展[4]。当曝光光源为普通紫外光源和远紫外光源时,由于波长在曝光的过程中受到衍射效应的限制,其图形分辨率在一定程度上不能满足工业上对50-70nm最小图形尺寸的生产需要,势必让位给更先进的技术,因此人们对电子束曝光技术抱有很大的希望[5],电子束曝光技术的发展到现在已有40多年的历史。它与光学曝光技术一样,利用某些对电子束敏感的高分子聚合物(抗蚀剂,实际上与光刻胶是同一类的高分子聚合物)进行曝光,从而实现图形转移的技术。因为电子束的波长短,可以克服衍射效应的限制,从而使电子束曝光技术具有很高的分辨率,容易得到分辨率很高的图形。目前,利用现代电子束曝光技术与特殊的抗蚀剂可以制备小于10nm的显微结构。电子束直写的灵活性和高分辨率使电子束曝光技术成为当今制备亚微米微细结构的主要工具,而制备亚微米量级的微结构用普通的光学曝光技术是难以实现的。但直到现在,电子束曝光技术仍没有进入大规模的工业化生产阶段,主要是因为电子束曝光生产效率低,设备昂贵,而且用来制备MEMS器件时,电子束的工艺与补偿金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor缩写为CMOS)工艺不相兼容,辐射的电子束会损坏与污染CMOS器件,而且制备的器件其深宽比不大,对于MEMS器件中需要高深宽比的结构仍不能满足要求。后来人们又在波长更短的X射线(波长为0.01-10nm)曝光技术基础上发展了LIGA技术[6],LIGA是德文lithographie galvanoformung abformung的缩写,意思是光刻、电镀、注塑复制,它最显著的特点就是可以得到高深宽比的显微结构,而且所制备MEMS器件的侧避相当垂直,如图2所示[7]。虽然LIGA技术可以大批量地制备深结构的微系统,但从辐射的安全角度上考虑,这种设备必须进行遥控操作,而且还存在同步辐射光源发出的能量与抗蚀剂感光能量相匹配的问题[8],导致X射线源的实际利用率低,注塑复制时的速度受到很大的影响,导致生产效率低,而且其设备庞大和昂贵,用于光刻的掩模版制备相当困难而且制作周期长,导致新产品的开发要经过一个相当漫长的过程,在工业化大生产上受到很大的限制。后来又发展了深紫外-LIGA技术(UV-LIGA),即用深紫外光线来代替X射线,对厚胶SU-8进行曝光制备高深宽比的MEMS器件,如图3所示[9]。利用光刻技术制备高深宽比与垂直壁的MEMS器件一直是工程师们的追求,但是这些光刻技术都要制备掩模,导致制备成本高居不下,很难从实验室走向工业化生产。人们期待着一种无掩膜且可以快速制备MEMS器件的技术,激光直写技术的不断完善与发展给人们带来曙光。

2.2 制膜技术

薄膜是指在基底上形成的一种一维线性尺度远远小于它的其它二维尺度的薄层材料,它的特征厚度为10nm-10000nm 。在制备MEMS和微系统中广泛用到制膜技术,薄膜的用途主要表现在以下几个方面,一是用来形成热绝缘层或电绝缘层,如SiO2薄膜在两个电极之间形成电绝缘层,从而形成电容类器件;二是形成用于电导的多晶硅薄膜;三是常用来作引线或电接触的金属薄膜,同时还可以做压力传感器的垫片。常采用金刚石、陶瓷、超导材料、记忆合金如NiTi和压电材料如ZnO,同时还包括大量的金属材料如铝、银、金、钛、钨、铜等以及各种半导体材料生成的薄膜,制成的薄膜都具有优异的物理、化学、光电等性能[10]。若将不同的基底材料与相应的薄膜结合起来可以制成MEMS常用的微传感器等功能复杂的微机械器件。常用于制备MEMS器件的薄膜技术有物理气相沉积、化学气相沉积与外延沉积。对于物理气相沉积技术,典型的是射频磁控溅射技术,其工艺是利用射频磁控产生的等离子体在真空室内撞击惰性气体,使惰性气体电离,电离产生的正离子以很高的动能去轰击靶材,导致靶材中金属离子的蒸发,经冷凝后在基底表面上沉积厚度为10nm左右的金属膜,其工艺原理如图4所示。

 

图2 利用LIGA技术在厚度为350μm的SU-8胶上制取的特

征尺寸为7μm,深宽比达50:1的MEMS器件所用的三维结构

 

图3 利用UV-LIGA技术在SU8厚胶上制备的特征尺寸

为5μm、深宽比为26∶1的MEMS器件所用的三维结构
 

图4 射频磁控溅射工艺示意图    

MEMS器件常工作在一些环境恶劣的条件下,如高温、高速旋转等,所以保持MEMS器件的高温稳定性与耐磨性是很重要的。SiC薄膜在极高的温度下,都可以保持很高的稳定性,因此MEMS器件经常沉积一层碳化硅薄膜来防止器件在高温下被破坏。在MEMS中使用SiC的另一个原因是若采用铝掩模的干法腐蚀可以很易实现SiC薄膜的图形化。图5就是用射频磁控溅射技术制取的广泛用于MEMS器件的SiC薄膜,从图可以看出制取的SiC薄膜与具有一定角度的薄膜或基底粘结得很好,所以利用物理气相沉积技术可以制取组织致密与基底粘结性强的薄膜[11],这一点对于需要高速运动的MEMS器件是非常重要的。

 
a)水平式薄膜与倾斜角度为54.7°薄膜粘处的SEM照
图5 (b)SiC薄膜沉积在倾斜角度为54.7°的基底硅上的SEM照片

 

用物理气相沉积技术制取薄膜的种类毕竟是有限的,对图2的工艺进行改装,使物质之间发生化学反应,就可以制备用物理气相沉积技术无法制备的薄膜,这就是所谓的化学气相沉积技术。化学气相沉积技术是指单独或综合利用热能、辉光放电等离子、紫外光照射、激光照射等能源,使气态物质在具有一定温度的基底表面上发生化学反应,并在基底表面上形核长大,然后形成稳定的薄膜。这种工艺若是在标准大气压与高温基底上进行的,称为大气压化学相沉积(atmosphere pressure chemical vapor deposition,缩写为APCVD)。该工艺显著优点是工艺简单而且是在常温下进行,由于基底温度较高导致沉积速度很快,但是沉积出来的薄膜易受到污染,导致性能较差。为了制取更为均匀、性能更为稳定的薄膜,可以将反应室抽成真空,对基片进行加热并控制其温度,就得到了低压化学气相沉积(low pressure chemical vapor deposition,缩写为LPCVD)技术。如利用LPCVD技术制取热绝缘性能优异的Si3N4,在反应室里充入一定比例的NH3与SiH2Cl2[10],使之在一定温度下发生如下反应:

    

 4NH3(g)+3SiH2Cl2(g)  △   Si3N4(s)+6HCl(g)+6H2(g)

 

化学反应过程生成的Si3N4在基底上冷凝形成薄膜,可以用来制作传感器的高温保护膜和掩模。对于LPCVD有几个明显的特点,那就是制取的薄膜纯度很高而且均匀,因为化学反应是在真空下完成的,同时也有不可忽视的缺点,即反应室必须真空密封,这就要求反应室的结构强度必须足够大,足以抵抗真空压强,基底要有一定的温度,这样才可以生成更为均匀的薄膜。但是对于大工业生产而言,昂贵的真空设备,势必增加生产的成本;高温的基底材料必定会增加设备和工艺,而且还可能会破坏基底的性能。为了降低基底的温度,后来又发展等离子增强化学气相沉积技术,等离子增强化学气相沉积(plasms enhanced chemical vapor deposition,缩写为PECVD)技术是利用射频等调子体将能量传递到反应物气体上,这样可以使基底保持在较低的温度,然后具有一定能量的气体物质在基底上形核并长大,最后形成稳定的薄膜。其优点是具有较低的基底温度,工艺简单易操作,但是制取的薄膜容易受到污染。因此,在制备MEMS器件的过程中,往往将物理气相沉积技术与化学气相沉积技术综合利用,从而来制取所期望的薄膜,制备微CO2传感器所用的薄膜就是一个典型的例子[12]。首先用溅射法制备Na+导电薄膜,然后用LPCVD制取厚度为150nm的Si3N4绝缘层薄膜,再用APCVD技术制备厚度为300nm的SiO2薄膜,这样可以充分发挥物理气相沉积与化学气相沉积的优势,制备性能优异的MEMS器件。

能够产生高温的热源是物理气相沉积与化学气相沉积得以快速制备性能优异的薄膜的关键技术,激光物理气相沉积(Laser physical vapor deposition,缩写为LPVD)与激光化学气相沉积(Laser chemical vapor deposition,缩写为LCVD)技术利用激光高方向性与高能量的优点在气相沉积技术的基础上取得了长足的进步与发展[13],拓展了气相沉积技术的应用范围,是一个具有广阔应用前景的工艺。如医疗上常用的MEMS器件,需要抗疲劳、低摩擦和坚硬的表面,就可以用LPVD制备类金刚石薄膜[14],它的基本工艺过程如图6所示。该工艺的显著优点就是工艺简单、制膜速度快,制备的薄膜具有很好的保成分性而且薄膜厚度可以很好地控制在原子数量级。

图6   激光物理气相沉积工艺示意图

    

有关沉积薄膜的技术有很多,如分子束外延沉积[15],利用外延沉积技术生长的薄膜可以按基底的晶向生长,并可以不依赖于基底中的杂质种类和掺杂水平从而来控制薄膜的导电类型、电阻率和厚度等参数。外延沉积工艺一个明显的优点就是可以在基底上进行选择性的沉积和多层薄膜沉积,从而增加MEMS器件中微结构的厚度,相对于溅射技术而言,制膜过程中发生的物理与化学反应要缓和得多。

2.3  刻蚀技术

当在基底上完成光刻以实现图形转移和制膜之后,就可以利用刻蚀技术在基底上制备MEMS器件所需要的三维结构。刻蚀技术是通过物理或化学方法对原有材料进行去除,从而形成微器件所需要的空腔结构,是制备具有高深宽比的MEMS器件的重要工艺。常用于制备MEMS器件的刻蚀技术有两种,一种是化学刻蚀也叫湿法刻蚀;另外一种是干法刻蚀或等离子体刻蚀。对于化学刻蚀,它的基本原理是利用一定浓度的酸液或碱液与基底材料发生化学反应,从而将参加反应的基底材料去除,在基底上形成空腔结构。根据材料对腐蚀剂具有不同的腐蚀速度又分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。各向同性刻蚀是指刻蚀剂沿基底向各个方向以相同速度对基底进行腐蚀,得到的空腔通常是一个不完整的球形,常用于各向同性刻蚀的试剂是一些酸性溶液,具有代表性的酸性溶液有HNA和具有一定配比浓度的HF、HNO3与CH3COOH的混合溶液;而各向异性刻蚀是指刻蚀剂沿基底向各个方向以不同速度对基底进行腐蚀,在优先的方向上以较快的速度腐蚀,得到的空腔通常是具有一定倾斜角度的壁,常用于各向异性刻蚀的是一些碱性溶液,如氢氧化钾、乙二胺和邻苯二酚与四甲基氢氧化铵等[15]。图7为用各向异性刻蚀溶液TMAH(trimethyl ammonium hydroxide)刻蚀硅基底得到的气体传感器示意图,其中腐蚀的硅表面具有达19μm的深沟槽[16]。湿法刻蚀的优点是设备简单,生产成本低,刻蚀速度也较快,因此易得到广泛应用。但有个明显的缺点就是在利用溶液对基底进行刻蚀的过程中,由于化学反应是一个放热过程,产生的热量易导致溶液沸腾和流动,使基底的表面质量降低,而且对于一些特殊的化合物如硅的氮化物,却没有相应的湿法刻蚀方法。

 图7 (a)用TMAH溶液结合刻蚀保护层制作的气体传感器

 7 (b)用TMAH溶液刻蚀硅表面得到的具有19μm的微结构

 

对于干法刻蚀,在制备MEMS器件中常用到的是反应离子刻蚀技术。该技术的工艺原理是利用气体放电产生的混有大量化学活性气体离子的等离子体与基底表面发生相互作用,这些活性气体离子不断地剥蚀材料表面,从而生成能被真空抽气系统排出的挥发性物质。这样在基底的表面上不断地发生“作用—剥蚀—排出”的循环过程,基底也就逐层地被刻蚀出具有一定深度的沟槽。尽管利用反应离子技术可以在基底上获得一定深度的凹槽,但是相比于湿法刻蚀技术而言其刻蚀的速度比较慢,而且所获得的凹槽内壁在深度方向上有一定的倾斜度,这在制备MEMS器件的电极时是极其有害的,因此为获得具有垂直壁的深槽成为研究者们不断追求的目标。后来发展了深层反应离子刻蚀技术(Deepth reative ion etching,缩写为DRIE),即在刻蚀的过程中,利用反应离子与侧壁的相互作用生成具有一定厚度的保护层,可以使MEMS器件获得较高的深宽比,而且可以使凹槽的侧壁完全垂直,极大地延伸与拓展了反应离子刻蚀技术。图8是利用深层反应离子刻蚀技术制备的深沟槽结构,槽深40.1μm,深宽比达107∶1,在利用深层反应离子刻蚀技术制备的三维微结构中,是目前世界上最大的深宽比[17]。深层离子刻蚀技术虽然能获得近乎垂直的测壁沟槽,但是刻蚀速度缓慢,而且须在超真空的环境中进行。同时,由于反应离子与基体剧烈作用,导致飞溅物污染基体表面,所以极大地限制了该项技术的推广与应用。

图8 利用深层反应离子刻蚀技术制备的深沟槽结构

3   展望  

纵观制备MEMS器件的各种微细加工技术,对这些技术所采用的工艺与材料而言,都有不同的优点和不足的地方,但是大部分微细加工技术是利用曝光原理来进行图形转移,然后利用刻蚀技术得到一定深宽比的三维微结构,这些技术从掩模的制备到微结构的制造涉及到多个工艺步骤,就仅掩模的制备就要花去大量的成本与时间,严重地影响了MEMS器件的开发周期与应用,这些困难和挑战并没有难倒奋斗在科技前沿的工作者,他们一直在向降低MEMS器件的开发成本、提高MEMS器件的可靠性以及实现MEMS器件的工业化生产的方向上在努力,比如Laser-LIGA、UV-LIGA等这些准LIGA技术就是为了克服X射线的缺点而开发的微细加工技术,相信不久的将来低成本的LIGA技术或准LIGA将会走出实验室,实现大规模的生产与应用。

还有一个值得关注的技术就是激光直写技术,激光直写技术利用激光方向性好、能量密度高与光斑尺寸小的优点,在微细加工方面具有极大的发展潜力,为微细加技术指明了一个新的发展方向。激光直写技术利用激光可以直接在基底上制备具有一定深宽比和垂直侧壁的MEMS器件的三维微结构,无需制备掩模,缩短了开发周期,大大地降低了制作成本;而且激光在光斑区与材料发生相互作用的过程中,对其他地方没有影响,为提高微细加工的质量提供了保证,从而引起了人们的高度重视。未来的激光直写技术将同CAD/CAM技术、新材料以及机器人技术相互融合与渗透,在制备高质量的MEMS器件方面开辟自己独特的领域。

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