（测试计量技术及仪器专业论文）微机械几何尺寸测量方法的研究.pdf

摘要 八十年代后期，随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，微电子机械系 统( m e m s ) 的研究得到了迅猛地发展。迄今为止，微机电系统器件已经大量应用 于军事、通信、汽车工业、航空航天和生物医疗等领域。微机电系统的发展与微 系统技术密切相关。除了要解决微机械的制造问题外，作为基础的微检测技术也 是起决定性的作用的，它为加工过程提供了定性或定量评判，是保证加工质量、 研究加工规律和提高微细加工水平的基础。实际生产中存在着有效微测量手段匮 乏和测量技术低下的严峻现实，对研究和掌握微细加工规律造成了很大障碍。寻 求有效的三维微结构加工方法已成为国际微机械研究的热点问题之一，三维尺寸 作为描述微结构外观特征的最基本的几何量，它的测量问题是基础。 本论文对微机电系统( m e m s ) 的概念、特点，微机械加工技术的种类、条件、 步骤进行了介绍，分析了国内外的测量测试方法，对测量表面形貌的各种方法的 优缺点进行了比较。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜对多 孔硅的表面进行了观测，经过比较，可以看出原子力显微镜是用于微观形貌分析 的更为有效的工具。采用双管显微镜、台阶仪、基于离焦误差检测原理的u b m 表面轮廓仪对腐蚀深度进行了测量，通过对它们的原理和实验结果的分析，可以 得出结论：光探针测量技术是用于m e m s 几何尺寸测量的非常有效的方法。微结 构三维尺寸的测量表明：离焦误差检测法的测量精度为l o n m ，可满足目前的微细 加工要求，有较大的测量范围：其测得的图像读数简便直观；既能测量深度尺寸， 又能实现表面粗糙度的测量。 对实验中测得的数据，进行了处理和分析，得到了腐蚀时问、电流密度、硅 片类型等对腐蚀深度的影响，对研究微机械加工工艺的规律提供了反馈指导。在 论文的最后，对今后的工作方向进行了展望。 关键词：m e m s ，微机械加工，表面形貌检测，几何尺寸测量，离焦误差法 a b s t r a c t s i n c et h el a t e19 8 0 s ，m e m sh a sm a d ef a s tp r o g r e s s e sa l o n gw i t ht h eq u i c k d e v e l o p m e n to fl s ia n dv l s i a tp r e s e n t ，m e m sc a nb ef o u n di ns y s t e m sr a n g i n g a c r o s sd e f e n s e ，t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，a u t o m o t i v e ，a e r o s p a c e ，b i o m e d i c i n ea n ds oo n t h ed e v e l o p m e n to fm e m si sc l o s e l yr e l a t e dt om i c r os y s t e mt e c h n o l o g y w en e e d s o l v et h em a n u f a c t u r i n gp r o b l e m so fm i c r o - m a c h i n e ，a n dm i c r o - d e t e c t i o nt e c h n o l o g y i sa l s of u n d a m e n t a la n dc r u c i a lt h a ti tp r o v i d e sq u a l i t a t i v eo rq u a n t i t a t i v ej u d g ef o r p r o c e s sa n d i st h eb a s i so fg u a r a n t e e i n gt h eq u a l i t y , i n v e s t i g a t i n gt h ef a b r i c a t i o nr u l e a n di m p r o v i n gm i c r o - f a b r i c a t i o nl e v e l i nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，d u et ol a c ko f e f f e c t i v em i c r o m e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dl o wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , i ti sd i f f i c u l t f o rs t u d y i n ga n dg r a s p i n gm i c r o f a b r i c a t i o nr u l e t h r e e - d i m e n s i o n a ls i z ei st h eb a s i c g e o m e t r i cs e n s et o d e s c r i b em i c r o s t r u c t u r es u r f a c ec h a r a c t e r , s oi t i s i m p o r t a n tt o i n v e s t i g a t ei t sm e a s u r e m e n tp r o b l e m i nt h i st h e s i s ，t h ec o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i co fm e m s ，t h ev a r i e t y , c o n d i t i o n ，a s w e l la st h ep r o c e s so fm i c r om a c h i n i n gt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ，t h em e a s u r e m e n t a n dt e s t i n gm e t h o d sa th o m ea n da b r o a da r ea n a l y z e d ，a n dt h ea d v a n t a g ew i t h d i s a d v a n t a g eo f m e a s u r e m e n tm e t h o d sf o rs u r f a c et o p o g r a p h ya r ec o m p a r e d w eu s e s e m ，t e m ，a f mt oo b s e r v et h es u r f a c eo fp o r o u ss i l i c o n ，a n da f t e rc o m p a r e d i tc a n s e ea f mi sam o r eu s e f u lt o o lf o rm i c r ot o p o g r a p h ya n a l y s i s w ea l s oa d o p tl i g h t s e c t i o n i n gm i c r o s c o p e ，s t e ph e i g h tm e a s u r i n gi n s m m a e n ta n du b m m i c r o f o c u s m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nd e f o c u s i n ge r r o rd e t e c t i o nt om e a s u r et h ee t c h e dd e p t h t h r o u g ha n a l y z i n g t h e i rp r i n c i p l e sa n de x p e r i m e n tr e s u l t s ，w ec a nc o n c l u d et h a t o p t i c a ls t y l u s i sa ne f f e c t i v em e a n sf o rm e m sg e o m e t r i cs i z em e a s u r e m e n t t h e e x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a td e f o c u s i n ge r r o rd e t e c t i o nm e t h o dc a na c q u i r e1 0 n m a c c u r a c y , a n dr e a c ht h er e q u i r e m e n t o fm i c r o f a b r i c a t i o na tp r e s e n t t h i sm e t h o dh a s b i gm e a s u r e m e n tr a n g e s ，c a ng a i n t h er e s u l t se a s i l y , f u r t h e r m o r e ，i tc a nm e a s u r eb o t h t h e d e p t h s i z ea n ds u r f a c er o u g h n e s s t h r o u g h d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ，w ec a nf i n dt h ei n f l u e n c e so f t i m e ，c u r r e n t d e n s i t ya n ds i l i c o nt y p eo n e r o d e dd e p t h ，s oc a np r o v i d et h ef e e d b a c ka n dg u i d ef o r s t u d y i n g t h er u l e so f m i c r o - m a c h i n i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：m e m s ，m i c r o m a c h i n i n g ，s u r f a c et o p o g r a p h yd e t e c t i o n ，g e o m e t r i c s i z em e a s u r e m e n t ，d e f o c u s i n ge r r o rd e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘生或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：起旭祥 签字闩期： 2 0 0 年月孑e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：莲芝旭磷 导师签名 签字e l 期：曲酊年7 月，日签字目期：年月日 聊 洳 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微机电系统( m e m s ) 的概念和特点”“2 2 0 世纪8 0 年代后期，随着大规模和超大规模集成电路的发展，微 型机电系统( m e m s ) 的研究自崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电 子之后又一个对国民经济和军事有重大影响的技术领域，将成为2 l 世 纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。 微机电系统( m ic r oe le c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m g ) 是指可 批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和 控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。m e m s 是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而 发展起来的。 m e m s 在不同的国家其名称也有所不同，在日本称为微机械 ( m ic r o m a c h i n e ) ，而在欧洲则是微系统技术( m ic r os y s t e m s t e c h n o lo g y ，m s t ) ，在英国有时也称为微工程( m ic r o e n g in e e r i n g ) 。 按结构尺寸大小，一般可将m e m s 分为微小型机械( m i l 3 i m e c h a n is m 结构尺寸在1 1 0 0 m m 之间) 、微型机械( m ic r o - m e c h a n is m ，结构尺寸 在10 m 1 m m 之间) 和纳米机械( n a n o m e c h a n is m ，结构尺寸在1 0 n m 1 0 p m 之间) 。这种分类实际上反映了在m e m s 的研究过程，是在不断地 由毫米级向微米级和纳米级过渡。 图1 1 所示为微型 机电系统的模型，它主 要由机械微结构、微传 感器、微执行器和微电 子组成。 图i ，iam e m s 组成示意图 第一章绪论 l 力b 光卜 一运动 传执 l 声卜 一能量 感 一 与其他微系统的通信接口i ， 行 l 温度卜 一信息 器器 化学b_ 一苴他 l 其它卜 图i 1b 微型机电系统( m e m s ) 模型 与传统的微电子技术和机械加工技术相比，m e m s 技术具有以下几 个比较明显的特点： ( 1 ) 微型化：m e m g 体积小( 芯片的特征尺度为纳米、微米级) 、 重量轻、功耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。例如：在1 平 方英寸大小的硅片上可以实现3 2 3 2 的光交叉连接( o x c ) ，这样就可 以节省空间，促使系统结构小型化，系统更加紧凑。 图1 2 所示为微马达和微齿轮的照片： 图1 ，2am e m s 微马达和一根头发的照片 图1 2b 微齿轮和蜘蛛腿的照片 ( 2 ) 硅基材料：m e | i l i s 的器件主要是以硅作为加工材料，这就使其 制作的器件的成本大幅度下降，大批量低成本的生产成为可能，而且 硅的机械电器性能优良，硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度 第一章绪论 类似于铝，热传导率接近钼和钨。 ( 3 ) 适于批量生产：m e m s 是采用类似集成电路( i c ) 的生产工艺和 生产过程，用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型 机电装置或完整的微电子机械系统。批量生产可大大降低生产成本， 从而m e m s 产品在经济性方面就更具有竞争性。 ( 4 ) 集成化和智能化：m e m s 可以把不同功能、不同敏感方向或致 动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微 执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。 微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出高可靠性和稳定性 的微型机电系统。 ( 5 ) 方便扩展：由于m e m s 技术采用模块设计，因此设备运营商 在增加系统容量时只需要直接增加器件系统数量，而不需要预先计 算所需要的器件系统数，这对于运营商来说是非常方便的。 ( 6 ) 多学科交叉：m e m s 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自 动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集中了当今科学技术发展 的许多尖端成果。通过微型化、集成化可以探索新的原理、新功能的 元件和系统，将开辟一个新技术领域。 1 2m e n s 测量测试方法 1 2 1 测试在m e m s 研究中的地位 m e m s 的研究领域包括微观理论基础( 微电子学、微机械学、微 动力学等) 、微系统设计技术、微细加工技术和微检测技术。其中，微 检测技术又可以分为几何尺寸测量、物理量测量和性能测试。 封装和测试是微机电系统工业化面l 临的最大挑战。m e m s 从设计 到封装全过程的各个环节都要贯彻测试的要求，在m e m s 研究的整个 过程中，存在着大量的测试项目3 。在概念与设计中要考虑设计的可 靠性；在设计与生产中测量掩膜特性、材料性能和批量的一致性；在 封装前后测量机电特性、加强性试验和失效分析；在进入市场后要跟 踪反馈用户意见。由于m e m s 的尺寸小、质量轻、易受环境影响等特 点，对测试提出了新的要求。目前在高校和研究机构里，开发了许多 m e m s 的实验室样品，但是，为了能把这些样品进行工业大量生产， 第一章绪论 还存在着许多问题。为了解决这些问题，对测试方法和工具提出了迫 切的要求。 1 2 2m e m s 力学量测量 m e m s 构件的力学量测量，有相当的难度。由于质量小，测量时 需尽量避免附加质量，避免其刚度的改变；由于尺度小，要求加载时 作用面积极小；由于体积小而相对表面积大，易受环境影响，所以， 对测试时环境温度、振动等有较高要求。为此，研究m e m s 构件力学 量测量的新实验技术( 实验原理，加载方式，提取有关力学量的有效方 法等) ，提高测试精度，降低测试成本，成为开发研究m e m s 的重要课 题。 下面对微型机械材料的应力测量“”方法进行介绍。 测量方法包括谐振频率法、加载变形方法( 薄膜变形、下塌电压 法) 、临界皱褶方法( 桥梁结构、应变转换结构) 、结构位移方法、偏 转方法、硅片弯曲方法、喇量光谱法等。 ( 1 ) 谐振频率法 对于两端简支梁，谐振频率与应变的关系如公式( 1 一1 ) ( e ，l , c o , n , m a 分别为弹性模量、梁长度、谐振角频率、振型阶数、惯性 质量、材料密度和截面积) ： 对于两端固支梁，应变s 与谐振频率国的关系为公式( 1 2 ) ( 1 4 ) ，其中r 为梁厚度， 、a ：和残余内应力为未知数，其它参数的 含义同上。利用这三个关系式以及适当的数值求解方法可以求得残余 应力盯。 2 丑五2 ( c o s 2 2 c 厅 一1 ) + ( 2 一五22 ) s i n 2 2 妇 = 0 a 2 2 一 2 = 1 2 d 2 t 2 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 亚，簪 第一章绪论 利用光纤耦合枫理来测量悬臂梁的横向固有振动频率，进而推导 梁构件杨氏模量和内应力的方法“，不仅原理简洁，具体实现也较为 可行。 在谐振频率法中，可以通过各种方法激振，包括静电方式、热方 式、声波方式、压电方式等。谐振频率的检测也有多种方式，包括三 角测量法、多普勒干涉法、电容测试法、压电法、压阻法等。谐振频 率法的精度比较高，是广泛采用的一种方法。 ( 2 ) 加载变形方法 薄膜变形： 如图1 5 所示，加载使薄膜产生变形，利用公式( 1 5 ) 来计算 仃和e 。 尸= 降 d + ( 端p ( 1 - - 5 ) 其中，u 为泊松比，d 为加载后薄膜中心的变形量，d 可采用干涉 方法进行测量，这种方法可以同时求盯和e ，但是常数c ，和c ：要用复 杂的数值计算或者f e m 方法获得，而且理论值和实验值之间有一定的 差距。 图1 5 薄膜变形 下塌电压法： 如图1 6 所示的两端支撑桥，在中间的电极与基板上的电极间施 加电压，静电力会使梁发生弯曲。当施加的静电力超过某一个值时， 梁会被急速下拉，直至坍陷。这时的电压一般称为下塌电压，与 残余内应力产生的p 有以下关系： 第一章绪论 v p l = 。8 i d o 万3 k p 丽i 石1 丽 k ：以而7 ，盯= p b t ( 1 6 ) 式中a 为电极面积，为截面惯性矩，d 。为电极间初始间距，b 、r 、f 为两边梁的宽度、厚度和长度。利用两个不同长度的桥可以同时求得 弹性模量和残余应力。 图1 6 下榻电压法 ( 3 ) 临界皱褶方法 桥梁结构： 处于压应力下的梁的应变如果超过某一个临界值，梁就会发生皱 褶( b u c k l i n g ) 。这个临界值与边界条件和梁的长度值有关，对于简支梁， 临界应变为占= 等茅。对于固支梁，i 临界应变为占= 三豢二。要得到这个 临界值，可以制作出大量的不同长度的梁，由首先发生皱褶的梁的长 度即可推出结构中的残余应力，但这种简单的桥梁结构只能测量压应 力。 应变转换结构： 如果要测量拉应力，则要将拉应力转换成压应力，然后再采用上 面的方法进行测量。目前，普遍采用两种结构进行应变转换，一种是 环形结构，由于拉应力的存在，环中间的梁受到压迫产生压应力，但 这种结构只能测量拉应力：另一种改进型结构是钻石结构，这种结构 既能测量拉应力，也能测量压应力。 临界皱褶方法比较简单，不需要另外的仪器进行测量，但是它的 一个普遍的缺点是要制造大量的结构来确定临界点，测量精度受梁长 第一章绪论 度同隔的影嫡。 ( 4 ) 结构位移方法 此种方法它是将应力转换为结构位移来测量，结构位移与应力之 间存在着一定的数学模型，应用得比较多的是t 形结构和h 形结构， 此种方法也比较简单，只需一个样品即可，而且可以测量拉应力和压 应力，但是由于位移量很小要精确测量它有定困难。 ( 5 ) 偏转方法 此种方法的原理 是将应变转变成容易 测量的角度 图1 7 ) ， 两边粱的应变会使中 间粱发生旋转，中间梁 的端可以做成指针 形式，这样当两个结构 放在一起进行测量时， 可以很方便地测出两 个中间粱发生的相对 位移，从而得出相应的 图 7 偏转结构 偏转角度。这种方法既不受拉、压应力的限制，也与边界条件无关。 ( 6 ) 硅片弯曲方法 在整个硅片上淀积待测的薄膜材料，薄膜的应力会造成整个硅片 弯曲，剥用公式( 】一7 ) 计算薄膜中的应力。 卵意鲁 叫， 其中e 。为硅片的弹性模量，v ，为硅片的泊松比，口是硅片的直径。 d ，、d 分别是薄膜和硅片的厚度。r 是硅片弯曲以后的曲率半径，利 用干涉方法可以测得。此种方法比较简单，但精度较低。 ( 7 ) 喇量光谱法 当光线通过薄膜时由于应力和晶体中缺陷的存在，透射光的喇 曼光谱形状会有所改变，光谱线会发生偏移，这个偏移量与应力存在 一定的数学关系，通过测量光谱线的偏移量，即可得知薄膜中的残余 应力大小。 ( 8 ) 静态伸缩法“ 其工作原理是先测出薄膜的应变，再根据应力应变的关系计算出 第一章绪论 应力。薄膜释放后，由于受到张应力或压应力作用，薄膜延伸或收缩。 从测试结构入手，通过结构的几何放大，推算出薄膜的应力和杨氏模 量。 1 2 3m e m s 动态特性的测试 微机电系统的成熟化设计使得精密测量和用视觉方法来描述动态 微机构越来越重要。 美国加州大学伯克利分校开发的频闪显微干涉系统”73 能在同一次 实验中测量同一平面和不同平面的运动。同一平面的运动的测量亚象 素精度优于5 n m ，结构静止或者以1 m h z 频率振动的不在同一平面的偏 移被以纳米精度记录。该系统用来研究在微机械装置中复杂机械模型 的激励。 系统如图1 8 所示，成像干涉仪不是采用逐点扫描，而是同时在很 多点上记录行为的并联方法，集成的计算机控制和数据采集单元能够 自动测量，分析软件从获得的数据中产生保留时间的表面高度图，系 统在几分钟内产生详细的微结构动态图。脉冲激光二极管作为频闪光 源允许在于赫频率的大振幅行为下的测量。 m a t t h e wrh a r t 等人用该系统测量了多晶硅表面微机械扫描镜的 动态特性“”“”。r i c h a r dsm u l l e r 等人用该系统测量了万向接头的静 电微执行器的全三维运动特性“，创新之处在于第一次在同一次实验 中既测量刚体同一平面的活动又能测量振动装置表面不在同一平面的 偏移图。 图1 - 8 频闪干涉系统 第一章绪论 美国麻省理工学院开发的计算机微视觉系统采用频闪图像的视觉 显微镜，能够测量周期重复过程，如图i 一9 所示。该装置可用来测量表 面轮廓和复杂的机械模型。d e n n isf r e e m a n 领导的m i t 团队使用该系 统达到了不在同一平面的测量精度优于5 n m ，同一平面的测量精度优于 2 5 n m 的实验结果”“。“。采用该装置测量了微加速度计的运动和频率 响应3 。 德国p o ly t e c 公司生产的激光多普勒振动仪“仆可以用来测量噪声 和不可重复的瞬时运动，该装置可以实时测量某点不在同一平面的速 度。如图卜1 0 所示，该装置包括了干涉仪和电控制器，扫描单元和干 涉仪通过玻璃光纤相连。氦氖激光作为连贯的光源，反射光的频率通 过声光调节器( 布拉格元件) 来改变。 图i 9 计算机微视觉系统图 图i 10 激光多普勒振动仪装置 第一章绪论 德国乌尔姆大学c h r i s t i a n r e m b e 等人采用仿电影摄影术视觉化和 测量微电机系统的动态特性”，进而推导出喷墨打印头的热气动微传 动器的动态现象的标定和仿真模型。使用该模型，通过识别由视觉装 置得到的摄影图像提取到的位置测量数学模型，能够计算气泡中的压 力传播。该装置能实时的视觉化m e m s 的动态现象，或者使用频闪观 测法以无限帧数视觉化周期重复过程。高速电影摄影术被证明是一项 有用的m e m s 动力学诊断工具，该实验装置如图1 1 1 所示： b e r b dt i b k e n 等人采用该装置测量了微继电器和微涡轮的高速电 影摄影术的图像序列，进行了基于模型的评估”。图像序列的视觉结 果包含了在微系统中的移动部分的动态位置数据，采用数学模型，能 够提取出微装置的力和扭矩的信息，过程的动态模型可以取得，并且 参数值是明确的，系统参数值可以算出。 c h r i s t i a nr e m b e 等人还用该装置测试了微光学衰减器的可靠性” 和微光开关的动力学测试”。 英国纽喀斯特大学的j a m e ss b u r d e s s 等人开发了全自动测量的 激光振动计系统，能够评估毫米级尺寸的微机械结构的动态特性”。 激光振动仪的主要优点是测量的非接触性和很高的位置精度，用于微 机械硅悬臂梁和桥结构的振动测量，通过模型分析软件有限元分析处 理振动测量，能得出振动的特征函数、自然频率和阻尼因数，从而评 估微结构的基本动态参数。测量系统如图卜1 2 所示： 图1 1 1 仿电影摄影术实验装置图 第一章绪论 单横光纤 圈1 1 2 测量系统 美国d a v i ss a r n o f f 研究中心的t z o n gs h y n g 等人采用高速x 光微 成像技术分析m e m s ( 如微电磁光开关和喷墨打印头) 中的流体和机 械运动”。通过高帧速的c c d 摄像机成像和测量了不同形状和尺寸的 微管道的稳态流动，周期运动的m e m s 装置能够被定格在特定时期， 其动态行为能通过显示一系列的相应图像来揭示。 美国空军研究实验室的d a n ie ljb u r n s ，h e r b e r tfh e l b i 开发 的系统能够测量微电机装置的自动光电特性”“，测量系统原理如图 卜13 所示，该光学方法在连续照明下使用视频成像有效的除去了其他 方法对被测运动频率施加的上限，所以在成本和测量速度上很吸引人。 自动m e m s 微谐振器测试台使用该方法测得的谐振频率和品质因数能提 取出在线谐振曲线参数。 i信号发生器 l 蔼掠机i 计算机 ih 哪3 2 5 a 2 1 l 雠搬如v 广 l a l 执i e w ij 图像 。 l 信号靛生器 l 显徽镜i 通角甚口总线 | ih p 3 3 2 5 a 2 0 m h z 2 0v l l、_ ， 模矩j | i i a 伯出 1i1 l a 6 0 3 酾j 舒端亩蕾士l r 俞蠢l网络 图1 - 13 实验台框图 意大利帕维亚大学的v a le r ioa n n o v a z z i l o d i 等人研究了对m e m s 的反馈干涉测量”“，对一种典型的微电机结构进行了测量，该结构由 在同一水平面内悬浮四个薄片弹簧的薄片所组成。通过这种光学方法， 第一章绪论 不仅能测量薄片的位移，还包括弹簧的运动。测量参数包括传动效率、 谐振频率和品质因数。s d o n a t j 等采用该装置测量了微陀螺仪的机械 参数”。干涉特性装置如图1 14 所示： 图1 - 14 测试m e m s 的干涉仪装置 上海光学精密机械研究所的瞿荣辉等人提出了一种基于光纤 m ic h e ls o n 干涉仪的测量方法1 ，分析了微机械部件不同运动状态对 光信号的影响，从而测得了硅基静电微机械振动器件的运动状态，给 出了微运动的振动频率。 长春光机所的张二星等人研制了m e m s 构件的运动参数测试仪”。 他们用一套放大光学系统，把目标成像在光电接受器上，能测量瞬态 平面直线运动和曲线运动，可实时给出速度、加速度。由于所测信号 微小，该测试仪为提高信噪比，设置了光栏以限制杂光，利用高频响 的c c d 和光电三极管接受信号，提高了仪器的灵敏度。 1 3 课题的意义和论文的主要内容 1 3 1 课题的意义 通过课题调研，了解到目前国内已经有4 0 多家高校和科研院所进 行了m e m s 的基础研究，清华大学、北京大学、东南大学等高校和科 研院所在微惯性器件、微执行器、r fm e m s 等的设计和研制方面已取 得一定的进展。目前，国内在微细加工技术的研究过程中，产品成品 率不高，难以实现产业化，还存在着许多问题，其中决定性因素之一 就是对测量测试研究的不够。为了解决这些问题，对测试方法和工具 提出了迫切的要求。 第一章绪论 微结构及其器件的有效检测技术已经成为阻碍微机械与微细加工 技术发展的瓶颈之。在实际生产中，由于测试手段匮乏，甚至只能 通过制件的试用过程来检验其加工质量，这对研究和掌握微细加工规 律造成了阻碍。m e m s 测试的主要目的是在工程发展中对设计和仿真 过程提供反馈，包括装置行为、系统参数和材料特性等。三维尺寸作 为描述微结构外观特征的最基本的几何量它的测量问题是基础。三 维微结构的几何尺寸包括平面和高度两个方向，高度方向上的测量更 难实现( 对于微结构，其高度、厚度和深度的尺寸方向是一致的，只 是各自相对的基准不同，可将它们统称为高度方向尺寸) 。通过对微机 械结构的几何尺寸的测量方法的研究，寻求适合的测量仪器，从而为 加工过程提供定性或定量评判，是保证加工质量，研究加工规律和提 高微细加工水平的基础。 1 3 2 论文的主要内容 本论文主要包括以下几个方面的内容： 1 对m e m s 的概念、特点及力学量测量和动态特性的测试方法进 行了详细的综述。 2 在介绍微机械加工技术的各种加工工艺方法的基础上，注重讲 述了被测样品的加工技术一一多孔硅技术。m e m s 的加工方法不同于 传统的机械加工，通过熟悉各种加工工艺特有的条件、步骤，才能决 定采用合适的测量方法。 3 分析比较可用于微机械结构测量的各种原理和仪器，采用扫描 电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜对电化学腐蚀得到的多 孔硅的形貌进行了观测，采用双管显微镜、台阶仪、表面轮廓仪对把 多孔硅腐蚀掉后的硅杯深度进行了测量，得到了实验数据。 4 对实验数据进行处理和分析，得出硅片类型、电流密度，腐蚀 时间等因素对多孔硅结构的影响，为工艺过程提供了反馈指导。 第一：章微机械加工技术及被测样品的制备 第二章微机械加工技术及被测样品的制备4 7 _ 67 在研究微机械结构的测量方法之前，首先需要对加工工艺有所了 解。m e m s 的加工方法有其独特性，不同与传统的机械加工，为了更好 的利用合理的方法进行测量，了解加工方法、过程、对结构的影响必 不可少。 微机械加工技术是在硅平面技术的基础上发展起来的，为微传感 器、微执行器和微电子机械系统制作微机械部件与结构的加工技术， 可分为硅基加工和非硅基加工。硅基加工技术较成熟，硅的力学性能 较好，适合做微型机械。硅基工艺包括体微机械加工、表面微机械加 工、键合技术、l i g a 和准l i g a 加工；非硅基加工包括微电火花加工、 微电铸、激光加工等。 2 1 微机械加工技术 2 1 1 体微机械加工( b u ikm ic r o m a c h in in g ) 体微机械技术是最早在生产中得到应用的技术，大多数硅压力传 感器的生产均使用了该技术。体微机械加工技术是对硅的衬底进行腐 蚀加工的技术，即用腐蚀的方法将硅基片有选择性地除去一部分，以 形成微机械结构。腐蚀分湿法腐蚀和干法腐蚀，其中湿法腐蚀又分为 各向同性、异性化学腐蚀、电化学腐蚀、掺杂控制的选择性腐蚀，干 法腐蚀分为等离子刻蚀、反应离子刻蚀( r i e ) 、离子束化学刻蚀 ( c a i b e ) 、反应离子束刻蚀( r i b e ) 等。 ( 1 ) 各向同性腐蚀 各向同性腐蚀是利用某些腐蚀液在硅的各个晶向上以相等腐蚀速 率进行刻蚀，常用的腐蚀液有h f 、h n o ，和醋酸的混合液( 简称h n a ) ， 硅基体刻蚀形成的型腔棱是圆角。各向同性的腐蚀剂受到要刻蚀的几 何结构的限制，在一些情况下，腐蚀速度会慢下来，因为扩散限制因 素会停下来。但是，通过搅拌腐蚀剂，这种影响会减少，产生接近完 美的圆形表面。 第二章微机械加工技术及被测样品的制备 图2 。i 为各向同性腐蚀的对比图： 2 1a 有搅动的同性腐蚀2 1b 没有搅动的同性腐蚀 ( 2 ) 各向异性腐蚀 各向异性腐蚀的基本概念：各向异性腐蚀就是基于单晶硅的不同 晶向的物理化学性质不同而使某些化学腐蚀液对不同晶向硅的腐蚀速 率不同，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。 各向异性腐蚀剂对不同晶面的单晶硅腐蚀速率相差很大。例如它们 对( 1 0 0 ) 晶面的腐蚀速度要比( 1 1 1 ) 面大几十倍甚至上百倍。而且 腐蚀速率和腐蚀特性与腐蚀液的成份、配比、温度、硅的掺杂浓度等 条件都密切相关。 各向异性腐蚀剂有无机腐蚀剂( 如k o h 、n a o h 、n h 4 0 h ) 和有 机腐蚀剂( 如e p w 一一乙二胺、邻苯二酚和水的混合液，e d p 一一联 胺、氨水混合液两类) 。最常用的无机腐蚀剂是k o h 溶液最常用的 有机腐蚀剂是e p w 。 图2 2 所示为对不同晶面异性腐蚀的对比： 啪 2 - 2a ( 1 0 0 ) 向硅的各向异性腐蚀2 - 2b ( 1 1 0 ) 向硅的各向异性腐蚀 第：章微机械加一技术及被测样鼎的制备 ( 3 ) 白停止腐蚀 由于硅的( 1 0 0 ) 面和( 1 1 1 ) 面的腐蚀速率相差很大，其横向尺寸非常 容易控制，但腐蚀深度的控制难度大，靠通过腐蚀时间来控制深度的 误差很大。因此，刻蚀自停止技术应运而生。该技术使用浓硼掺杂层 或电化学刻蚀停止技术能使腐蚀自动终止在特定层，可以精确控制腐 蚀深度，主要用于硅结构的制作。 将有p n 结的被刻蚀硅片放入k o h 或e d p 溶液中，当p n 结加 上反偏压及n 区半导体与收集极( 插入腐蚀液中) 加上反偏压时，溶液 将对p 型硅进行电化学刻蚀，并在p n 结界面的n 侧表面形成氧化层 而使刻蚀停止。 ( 4 ) 干法腐蚀 干法腐蚀又分离子法和激光法。 离子腐蚀法： 利用粒子对材料某些部件的轰击进行选择性的腐蚀方法。即用等 离子刻蚀、反应离予刻蚀( r i e ) 、离子束化学刻蚀( c 伸e ) 、反应离了 束刻蚀( r i b e ) 等工艺腐蚀多晶硅膜、氧化硅膜、氮化硅膜以形成微机 械结构，这种腐蚀技术有很高的分辨率和精度。 利用等离子体取代化学腐蚀液，把基体暴露在电离的气体中。气 体中的离子和基体原子间的物理和化学作用引起刻蚀。等离子体由低 压气体( 1 3 3 13 3 p a ) 的辉光放电获得，基片放置在射频极上，以便在基 片和等离子体之间产生大的自偏电位差( 几百伏) 。电位差使正离子从等 离子体加速到基片上，垂直于基片的离子碰撞能直接产生腐蚀。使用 s f 。和c ，f ，c i 的混合气体，能获得较好的各向异性和较快的腐蚀速率。 聚焦离子束蚀刻( i b e ) 在离子密度为a c m2 数量级时，能产生直 径为亚微米的射束，可对工件表面直接蚀刻，而且可以精确控制束密 度和能量。它是通过入射离子向工件材料表面原子传递动量而达到逐 个蚀除工件表面原子的目的，从而可达到纳米级的制造精度。 反应离子束蚀刻( r i b e ) 是一种物理化学反应的蚀刻方法。它将 一束反应气体的离子束直接引向工件表面，发生反应后形成一种既易 挥发又易靠离子动能而加工的产物：同时通过反应气体离子束溅射作 用达到蚀刻的目的。这是一种亚微米级的微细加工技术。 第二章微机械加工技术及被测样品的制各 图2 - 3 所示为深反应离子刻蚀( d r i e ) 的示意图 图2 - 3 深反应离子刻蚀( d r i e ) 激光蚀刻： 激光蚀刻通常采用y a g ( 钇铝石榴石) 激光和准分子激光。准分子 激光由于具有波长短( 2 0 0 n m ) ，聚焦直径小，功率谱密度高，且属于 冷光源等优点而成为最有前途的激光源。准分子激光蚀刻技术是当前 激光微细加工最先进的技术之一。目前常用的有氟化氩准分子激光和 氯化氙准分子激光。 氟化氩准分子激光器所产生的远紫外线激光束蚀刻塑料之类的聚 合物硬材料，不仅可以蚀刻出极其微细的线条，而且不产生热量，对 材料受光束焦点作用点处的周围没有热扩散和烧焦现象，因此称之为 冷激光蚀刻，材料的蚀刻并不是激光束辐射强度的直接作用，而是材 料受激光辐射后，破坏了聚合物原子之间的化学键，在相当低的温度 下气化产生细小分子的结果。而这些细小分子又带走了来自激光脉冲 的多余热量。这种准分子激光器所产生的远紫外线，其波长为1 9 3 n m ， 重复频率为1 h z 或大于1 h z ，脉冲宽度为1 2 n s 。一个脉冲即可蚀刻出 几微米的沟槽。利用这种激光脉冲，就能够把材料逐层剥下来，蚀刻 出微细的线条。 氯化氙准分子激光器产生的近紫外线的波长为3 0 0 n m ，其蚀刻过 程是：放在氯气中的硅片受到激光辐射后，氯分子分解为氯原子；与 此同时，硅片上受激光辐射的电子附在氯原子上，形成带负电荷的氯 离子又与带正电荷的硅原子发生化学反应，形成一种四氯化硅的挥发 气体，通过反应器除掉四氯化硅，提供新鲜氯气，于是硅片受到腐蚀， 第二章微机械加工技术及被测样品的制备 不需要感光胶就能得到所需要的图形。 这些蚀刻工艺的一个共同特点是，将掩膜上的图形直接转换到硅 片上，蚀刻出微细的图形。这和常用化学蚀刻工艺相比，工序减少到 只有原来的七分之一，生产成本降低到十分之一，而且不易损伤图形， 图形轮廓光洁；线宽达0 5 m ，理论上可达到0 1 2 5 p m ，非常适合于类 似超大规模集成电路之类的图形制作，如集成机构( i m ，i n t e g r a t e d m e c h a n i s m ) 。 激光腐蚀法通过辐射剂量调节，几乎任何形状的微型机械构件都 能由此腐蚀加工出来，这是其它方法所望尘莫及的。 就湿法和干法比较而言，湿法的腐蚀速率快、各向异性好、成本 低，但控制腐蚀深度困难。干法的腐蚀速度慢、成本较高，但能精确 控制腐蚀深度。对要求精密、刻蚀深度浅的最好用于法刻蚀工艺，对 要求各向异性大、腐蚀深度很深的则采用湿法腐蚀工艺。 目前，随着干法腐蚀技术的发展，已形成以干法为主，干、湿法 结合的刻蚀工艺。 2 1 2 表面微机械加工 表面微机械加工技术一般是采用光刻等手段使得硅片的表面淀积 或生长而成的多层薄膜分别具有一定的图形，然后去除某些不需要的 薄膜层，从而形成三维结构，由于主要是对表面的一些薄膜进行加工， 而且形状控制主要采用平面二维方法，因此被称为表面机械处理技术。 它与i c 有较好的兼容，最终被去掉的薄膜部分被称为牺牲层 ( s a c r i f ic i a ll a y e r ) ，而将其去除，仅保留其余薄膜所形成的结构的 过程，有时也称为结构释放。 ( 1 ) 薄膜沉积技术 表面微机械加工工艺中，要在硅基底上形成薄膜才能加工。薄膜 形成一般采用常压化学气相淀积( c v d ) 、低压化学气相淀积( l p c v d ) 和 等离子体增强化学气相淀积。前两者是利用基片表面的反应来生成薄 膜的，反应温度较高( 6 0 0 以上) 。而后者则是利用等离子体的活性在 较低的温度下( 3 5 0 4 0 0 ) 发生反应，所生成的薄膜性质( 折射率，膜 的刻蚀速度，红外线吸收等方面) 较好，用这种技术可以淀积彤d ：、鸥d 4 和多晶硅膜。用物理气相淀积即蒸发镀膜和溅射镀膜，可以制备铝、 钨、钛、镍等金属膜。组合这些膜，有的可以作为弹性膜材料，有的 可以作为牺牲层材料。 第二章微机械加工技术及被测样品的制备 ( 2 ) 牺牲层技术 牺牲层技术是将两层薄膜的下层薄膜腐蚀掉，从而得到上层薄膜， 并形成一个空腔结构的技术。这也是微机械加工中一项非常重要和特 殊的技术。 表面微机械技术可分为干法腐蚀牺牲层和湿法腐蚀牺牲层两种。 采用干法腐蚀方法的牺牲层材料有聚酰亚铵和光刻胶，结构材料主要 是金属，采用干法腐蚀对片上的其它器件影响较小，但横向腐蚀尺寸 有限，比较难做大尺寸的微机械结构。采用湿法腐蚀方法的牺牲层材 料有多晶硅、硅、磷硅玻璃( p s g ) 、a 1 和c r 等，结构材料有多晶硅、 ，虬、肼o ，等，湿法腐蚀对牺牲层有很高的选择性，横向腐蚀的尺寸 基本没有限制，可在很大范围内获得不同尺寸的微机械结构。牺牲材 料可用仅与牺牲材料作用的刻蚀剂选择去除。悬梁、悬臂梁、模板和 腔可选用这种方法制作。 图2 - 6 是制作双固定多晶硅桥的普通表面微机械加工工艺。首先 是在硅基底上淀积牺牲层材料，如淀积磷硅玻璃，其作用是为形成结 构层的后续工艺提供临时支撑。牺牲层的厚度一般l 2 p m ，淀积后， 牺牲层材料被腐蚀成所需形状。为了向结构层提供固定点，可腐蚀出 完全穿透牺牲层的窗口，以防止结构层在分离结束时移位，然后淀积 和