（微电子学与固体电子学专业论文）mems湿法腐蚀工艺的研究.pdf

m e m s 湿法腐蚀工艺的研究 摘要 由于单晶硅在各种高p h 值的碱性溶液( 如：e p w ，k o h ，h 2 n n h 2 ，n h 4 0 h ，t m a h 等) 中表现出各阳异性腐蚀特性，因此在微电子、微光学、微机械系统领域，体硅微机械技 术得到广泛应用。随着应用的深入，器件性能的提高，要求单晶硅腐蚀表面光滑平整、无 缺陷，但实际卜- 在腐蚀剂( 如：k o h 、t m a h 等) 巾腐蚀后，单晶硅表面会出现一些粗糙状 态，关于这些粗糙状态的成因有许多解释，其中反应产物氢气和硅酸盐严重影响 了硅腐蚀面的粗糙度。 为了尽量消除单晶硅腐蚀表面的粗糙状态，人们提出了各种办法，例如：在腐蚀液中 加入氧化物( 氰铁酸盐或氧气) 或正向偏压电化学腐蚀，加入乙醇或异丙醇，进行超声振荡等。 通过加入表面活性剂以改善单晶硅各向异性腐蚀特性的报道还不多。 本文总结了硅在碱性腐蚀液中各项异性腐蚀的机理模型，并对模型的发展提出了建设 性的意见。 通过分析溶液的微观结构和溶液中粒子数密度的涨落，指出当溶液由于成分变化或外 界条件变化后，溶液的结构也随之发生变化，相应地溶液性质也会发生变化，影响了腐蚀 结果。着重介绍了表面活性剂的各种性质，以及溶液中加入活性剂后溶液性性质的改变。 通过大量的实验，测定了复合型非离子活性剂改变腐蚀液表面张力的状况；研究了溶 液p h 值对腐蚀结果的影响：首次重点分析了在k o h 溶液中加入超过c m c 的活性剂，硅 的腐蚀面粗糙状态随着活性剂浓度的变化而变化的情况，得到结论：当腐蚀液中加入的活 性剂浓度大于它的c m c 时，硅腐蚀面的粗糙状况随着活性剂的浓度的增大而减小；对于腐 蚀过程中产生的大量的气泡，可以加入双氧水的到很好的解决，最后分析了双氧水消除氢 气气泡的原因和双氧水参加硅腐蚀化学过程所起的作用。 关键词：m e m s ，各项异性腐蚀模型，非离子表面活性剂，粗糙度，k o h ，有机碱，h 2 0 2 河北工业大学顾 学位论文 as t u d yo ns i l i c o nw e te t c h i n gf o rm e m s a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sa n i s o t r o p i ce t c h i n gi ns o m eh i g h - p he t c h a n t s ( e d p , k o h ，h 2 n n h 2 ，n h 4 0 h ， t m a h ) ，s i n g l ec r y s t a ls i l i c o nh a sf o u n daw i d ea p p l i c a t i o nr a n g ei n c l u d i n gm i c r o e l e c t r o i c s ， m i c r o o p t i c sa n dm i c r o m e c h a n i c a ls y s t e m s w i t ht h ei n c r e a s i n gm a r k e to fd e l i c a t ea n dp r e c i s e d e v i c e s ，p r o d u c t i o no fs m o o t h ，d e f e c t - f r e es i l i c o ns u r f a c ei se s s e n t i a l h o w e v e r , t h e r ea p p e a r i n h o m o g e n e i t yo nt h ee t c h e ds i l i c o ns u r f a c e a n dt h e r ea r es o m ee x p l a n a t i o n sf o rt h i s a st os e e ， t h eh y d r o g e nb u b b l e sa n ds i l i c a t ep a r t i c l e sa f f e c tb a d l ye t c h e ds i l i c o ns u r f a c er o u g h n e s s t oa v o i dt h ei n h o m o g e n e i t yo ne t c h e ds i l i c o ns u r f a c e ，p e o p l eh a v eg i v e na l lk i n d so fw a y s ： a d d i t i o no fo x i d i z e r st oa l k a l i n ee t c h a n t ，e t c h i n gu n d e ra n o d i cb i a s ，a d d i n ga l c o h 0 1o ri s o p r o p y l a l c o h o l i n t oa l k a l i n ee t c h a n t ，e t c h i n gw i t hu l t r a s o n i ca g i t a t i o n ，e ta 1 t h e r ef e wo fr e p o r t sa b o u t a d d i t i o no fs u r f a c t a n t si ne t c h a n tf o rr e d u c i n gt h ee t c h e ds i l i c o ns u r f a c er o u g h n e s s t h i sp a p e rs u m m a r i z e sa l lk i n d so f m o d e l sa b o u ts i l i c o na n i s o t r o p i ce t c h i n g ，a n dp u t sf o r w a r d s o m es i g n i f i c a t i v en o t i o n sf o rt h ed e v e l o p m e n to f m o d e l s ， b yt h ew a yo fa n a l y z i n gt h es o l u t i o n sm i c r o s t r u c t u r ea n dp a r t i c l ed e n s i t yf l u c t u a t i o ni n s o l u t i o n w ec a nc o n c l u d et h a tt h es o l u t i o ns t r u c t u r ew i l lc h a n g ew h e nt h ei n g r e d i e n t si ns o l u t i o n a n do u t s i d ec o n d i t i o n sw i l lb e c o m ed i f f e r e n t a tt h es a m et i m e ，t h ec h a r a c t e r so fs o l u t i o nm a y c h a n g e w h i c ha f f e c t st h ee t c hr e s u l t s t h i sp a 口e ri n t r o d u c e st h es u r f a c t a n t sc h a r a c t e r sa n d a n a l y z e sh o wt h es o l u t i o n sp r o p e r t i e sw i l lc h a n g ea f t e ra d d i n gs u r f a c t a n ti n t os o l u t i o n t h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t s ，t h i sp a p e rm e n s u r a t e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u r f a c e t e n s i o na n d t h ed i f f e r e n tn o n i o n i c s u r f a c t a n tc o n c e n t r a t i o n si ns o l u t i o n w ea l s os t u d yh o wp h v a l u eo fe n c h a n t a f f e c t st h er e s u l t s t h i sp a p e rh a ss t u d i e dh o wk o he t c h a n tw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o ns u r f a c t a n ti n f l u e n c e s s i l i c o ne t c h e ds u r f a c ea n dt h ei d e ai sf i r s t l ys t a t e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fs u r f a c t a n ti nt h ee n c h a n ti sh i g h e r t h a ni t sc n l ct h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tr o u g h n e s so fe t c h e ds is u r f a c ed e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o nr c n q c lo fn o n i o n i cs u r f a c t a n t 7 t h em e t h o d ，t h a th y d r o g e np e r o x i d e ( h 2 0 2 ) i sa d d e di n t oe t c h a n t ， c a l le l i m i n a t et h eh y d r o g e nb u b b l e sa ta l l ，a tl a s t ，t h eh y d r o g e np e r o x i d e sa c t i o nd u r i n gs i l i c o ne t c h i n g i sa n a l y z c d k e yw o r d s ：m e m s ，m o d e l sa b o u ts i l i c o n a n i s o t r o p i ce t c h i n g ，n o n - i o n i c s u r f a c t a n t r o u g h n e s s ，k o h ，a l k a l a m i d e s ，t t 2 0 2 翌! ! 三些垒璧丝圭璧堡垒塞 第一章绪论m e m s 及其工艺技术 卜1m e m s ( 微电子机械系统) 简介 微电子机械系统( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，即m e m s ) 是j j7 - | i i 造机械利电子方酾微小集 或鑫蚓或系统瓣技术。箕含义有嚣方嚣：方垂撬m e m s 本身在线艘与搏积缀小，一般褥特征冗寸 在l 1 0 0 眦1 的m e m s 称为微米级系统，而将特征尺寸在l 一1 0 0 n m 的m e m s 称为纳米级系统( 如幽i 1 ) ； 另方面的禽义是指利用该技术手段所能实现的加工和运渤精度进入了微米髅至纳米龄级。 图1 1 由p r o f e s s o r l w a o f u j i m a s a ( t h e u n i v e r s i t y o f t o k y o ) 定叉 f i g 1 1t h ec o n c e p tb yp r o f e s s o rl w a of u j i m a s a ( t h eu n i v e r s i t yo f t o k y o ) 在各莺发建m e m s 的过程r 双壶 秀塞技术毫l l 重点不潮，霹纛对它魏囊名也不尽档疑： 在美国，m e m s 研究是在、_ 导体集成电路t 靛技术基础上延伸和拓展而米。m c n c 对m e m s 的定 义是：由屯子和机械元件组成的集成化微器件或系缆，它趟采用与集成电路兼容的大批量处理工艺制造 的，劳蓝尺寸在微米到毫米之闻。它将诗罄、转惑与执行融为一体，觚蠢改变了我翻惑舞灞 控翻叠然静 界的方式。 敞潮穆之为m i c m s y s t e m ，印徽系统，这一豫键更强调系统的观点，即如埘将多个徽疆化的抟感器、 执行嚣、处理电路等元部件集成为一个智能仡的有机攀体。n e x u s ( t h en e t w o r ko fe x c e l l e n c ei n n u l t i f u n c t i o n a lm i c o s y s t e m s ) 对m i c r o s y s t e m 的定义为：微系统产品具有微米结构，并且有由微绱构形成 提髅鹃技术功兢。徽系统由多个锻元 缀裁，碧挥为一个宠整沟系统避 于饶纯，班提供穆或多弹翡定 功能，在许多场台包括微电子功能。 在精密机械加工方颟有传统优势的日本则称之为m i c r o m a c h i n e ，即微机嚣。日本微机械巾心的定 义燕：礅橇槭楚盘只寄，l 个藤米人，j 、静功能元群。蠊戚静，它轻够菰 复杂、徽缩麓任务。 股地说，m e m s 贝确以r ”i f ：约束性的特征： f 1 ) ，t 寸盎毫米铡擞米越嗣之内，区别于一般宏( m a t t o ) ，列传统的、人丁i c m 足度的“机搬“。 f f = l 弗睁进入物理上的微删层次。但、整个器t f ：的体秘达it t i t l 3 数精级时，它与宏观领域内昀帮件不仅 足一个尺寸界限，l 町爿， 足一个在设计思想、制造原理和过样等方面b 宏观f 廿界截然4 i 同的概念界限，冈 噩乏，必颂疆究精瓣趣一淫论，玎发耨瓣如| ：方法，劳要臻究币弱熬鞠l 方法黠诸如残余瘴力、垮接力、 流体制7 l 体动态特性、热传递特性等刚索的影响； m e m s 湿法腐蚀工艺研究 ( 2 ) 基丁( 但不限f ) 硅微加工( m i c r o f a b r i c a t i o n ) 技术制造： ( 3 ) 与微电子芯片类同，可人批量、低成本生产，性能价格比比传统“机械”制造技术人幅提高。 m e m s 采用类似集成电路( i c ) 的生产工艺和加：f 过程，用硅微加：k 【：艺在一片硅片上可同时制造成 白上千个微，鸭机电装置或完整的m e m s ，使m e m s 有极高的自动化程度。 ( 4 ) m e m s 中的“机械”卯不限丁狭义的机械力学中的机械，它代表一切具4 j - f i e 量转化、传输等功 能的效应，包括力、热、声、光、磁，乃至化学、生物能等，h 此m e m s 是一个多学科交义的领域， 涉及到电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学利生物等多种学科，并集中j ，当今科学 技术发展的许多尖端成果。 ( 5 ) m e m s 的目标是微“机械”与i c 集成的微系统有智能的微系统。m e m s 可以把多种功能 的器什集成在一起，形成复杂的微系统微传感器、微执行器，甚至把不同功能、不同敏感方向或制 动方向的多个传感器或执行器集成丁体，形成微传感器阵列、微执行器阵列。 对于传统的“机械学”来说，m e m s 技术不仅打开了“微尺寸”新领域的大，也是真正实现机电一体 化的开始。m e m s 被认为是微电子技术的又一次革命，对2 l 世纪的科学技术、生产方式平人类生活质 量都会有深远的影响。 1 - 2m e m s 的发展历史 下面罗列了m e m s 发展过程中具有重要意义的事件： 1 9 5 0 s 1 9 5 8 硅应力仪实现商业化 1 9 5 9 在加州工业学院r i c h a r df e y n m a n 以“t h e r e s p l e n t yo f r o o ma t t h e b o t t o m ”一为题目表达了他 的具有里程碑式的思想。 1 9 6 0 s 1 9 6 1 第一个醚压力传感器 1 9 6 7 表面微机械发明成功。西屋研制了r e s o n a n t g a t ef i e l d e f f e c t t r a n s i s t o r ( r g t ) 。描述了从石丰 衬底应用牺牲材料释放微机械器件的技术。 1 9 7 0 s 1 9 7 0 第一个硅加速器 19 7 9 第一个微机械墨喷嘴 1 9 8 0 s 上半时： i j 开始进行表面硅微机械的实验。下半时期公众开始广泛关注m e m s 领域。 1 9 8 2 一次性血压计传感器 1 9 8 2 “s i l i c o na sam e c h a n i c a lm a t e r i a l ”总结了硅的材料特性和腐蚀数据。 1 9 8 2l i g ar 艺 1 9 8 8m e m s 第一次会议 1 9 9 0 s 19 9 2m c n c 在d c l e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ( d a r p a ) 资助h + 开始关t m n l t i u s e r m e m sp r o c e s sf m u m p s ) 的研究。 1 9 9 2 笫个微机械铰链 1 9 9 3 筑个表1 f i j 微机械加速器代山 1 9 9 4d r i e ( d e e pr e a c t i v ei o ne t c h i n g ) 被授了，专利 19 9 5b i o m e m s 高速发展 2 0 0 0m e m s o r 。c 学刚络纠f l - 产生巨人的商业市场 河北t 、人学硕士学位论文 m e m s 研制已取得很多成粜。多种尺寸为毫米剑微米量级的微机械零部件，如微梁、微探针、微齿 轮、微凸轮、微弹簧、微沟道、微喷嘴、微锥体、微轴承、微间f i , n 微连杆等等都已研制山米，冈而有 可能装配山种种微机械。m e m s 器件包括微传感器，如压力传感器、生物传感器、化学传感器、温皮、 磁场、光强等传感器利流量汁、加速度计等，很多已实用化。微执行器是另一类m e m s 器什，已见i 青报 导的有：微泵、微马达、微麦克风等等。此外己川微阀、微管道平微泵组成微化学分析系统4 1 i d n a 反应室。还有微小型机动下，乃至磁场中可以m ? f l z , j 小蝴蝶等系统在实验室中也己研制成功。但是真j r 已形成“二业或即将投入人量生产的可能要数微加速度讣、微陀螺和微数字转换器什阵列( d m d ) 。它们 都是由砗基微加工技术制造，且与j c 集成在一起，所以被认为是真正的m e m s 系统。 m e m s 产品已经应用到许多领域，如表1 1 所示： 表11m e m s 的应用 t a b l e1 1a p p l i c a t i o n so fm e m s a u t o m o t i v ee i e c t r o n l c sm e d i c a ic o m m u n i c a t i o n sd e f e n c e i n t e r n a l b l o o dp r e s s u r e f i b r e o p t i c m u nj h e n s n a v i g a t i o n d i s kd r i v el l e a d s s e n s o r n e b , v o r k g u i d a n c e s e n s o sc o m d o n e n t s a i rc o n d i t i o n i n qm u s c l er fr e l a y s ， c o i l l p r e s s o r i n k j e tp r i n t e r h e a d s s t i m u l a t o r s d r u g s w i t c h e s a n ds ur v e i l l a n c e s e n s o rd e l i v e r ys y s t e m s f i l t e r s b r a k ef o r c e p r 0 i e c t i o n s e n s o r s p r o j e c t i o n d i s p l a y sl n s u s p e n s i o n s c r e e n i m p l a n t e d p o r t a b l e c o n t l 。o it e l e v i s i o n s p r e s s u r es e n s o r sc o m n l u m c a t l o n s a r m i n gs y s t e m s d e v l c e sa n d a c c e l e r o m e t e r s i n s t r u m e n t a t i o n f u e i l e v e ia n d e a r t h q u a k ev o l t a g ec o n t r o l l e d e m b e d d e d v a p o u rp r e s s u r e s e n s o r s p r o s t h e t c s o s c i l l a t o r s ( v c o s ) s e n s o r s s e n s o r s a v i o n i c sm i n i a t u r e a i r b a gs e n s o r s p r e s s u r e a n a l y l i c a i s p l i t t e r sa n d c o u p l e r s d a t as t o l a g e s e n s o r si n s t r u l l l e n t s ”i n t e l l i g e n t ” m a s sd a t a p a c e m a k e r s t u n e a b l ei a s e r sa i r c r a f tc o n t r o l t v r e ss t o r a q es y s t e m s 1 - 3 加工m e m s 的主要工艺 m e m s 技术首先是和：丁艺制造技术微机械加工( m i c r om a c h i n i n g ) 上的突破。微机械加1 最 初是从硅微( 电子) 加1 ：技术发展起来的，故称之为硅基微机械) j l - e 但后来又发展出一系列独立于硅 微( 电子) 加一技术的各种新i ：艺，称之为1 f 砖基微机械加r 技术。 1 - 3 1 硅基微机械加工技术 辟是具有极好机械性能( 包括强度、硬度、热导和热膨胀等) 的材料对诈。多效应敏感，冈此是传 感器的首选材制之一。加之砖摹微加微电r 微加技术易j ：兼容集成为系统，所以，砖基微机械成 成为m e m s 加l 技术的主流，也是奉章论述的重点。 当l m ，砘基微加1 。技术可分为求血微机械加l 。技术( s u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ) 与体微机械加l 技术 ( b u l km i c r o m a c h i n i n g ) 两个主流。 实际一l 经过适当安排l 。序砗表面微加1 技术与硅体微加技术是可以兼容的，即为复合微机槭 加j 技术。此力法已研制山表面积为l m m x lh i m 的砖微麦克风。 河北t 、凡学碱| 学位论文 m e m s 研制已取得j 醴多成粜。多种尺i j 为毫米剑微米量级的微机械零部件，如微梁、微探针、微齿 轮微5 轮、微弹簧、微沟道、微喷嘴、微锥体、微轴承、微间门雨i 微连杆等等都已研制出来，田而，j 可能裂配出种种微机械。m e m s 器件包括微传感器，如压力传感器、牛物传感器、化学传感器、漏皮、 磁场、光盘等传感袢利流掣汁、加造度计等很多己实刚化。微执打器是另类m e m s 器什，己见请报 导的有微泵、诎马达、i ；_ | 盘复克风等等。j p c ：f b 已川微阔、微管道希l 微泵组成微化学分析系统i d n a 反应室。还有微小型机动午，乃至磁场中可以己行7 向小蝴蠼等系统在实验生中也己研制成功。但是史i l ： 已形成r 、或即将投入人晕生广的可能要数微自l 迷度讣、微陀螺和微数字转换器件阵列( d m d ) ，它仉 都是南碑丛微加r 技术制遗，r 与i c 集成在一起，所以被认为是真止的m e m s 系统。 m e m s 产品已经席川到许多坝域如表1i 所示： 表 im e m s 的应用 t a b l e1 1a p p l i c a t i o n so f m e m s a u t o m o t i v ee i e c t r o h i e s m e dj c a i c o r n m u n i c a t i o n sd e f e n c e i n t e r n a l b l o o dp r e s s u e f i b r e o p t i c n a v i g a t i o n d i s kd r i v el i | e a d s s e n s o r a e h v o r k m u n l t l o n s s e n s 0 sc o m d 。n e r o s g t | i d a n e e a i rt e n d i tj o n | n g l a k j e tp r i n l e r m u s c l er fr e l a y s c o i 1 p r e s s o rs t i m u l a t o r s d r u g s 螂t c h e s ，a n ds ur y e l l l a n e e h e a d s d e l i v e r ys v s t e e l sf i l l e r s pr o i e c t i o n b r a k ef o r c e d i s p l a y si n s e i i s o f s p r o j e c t i o n i m d l a n t e d p o r t a b l e s u s d e a s l o n s c r e e n p r e s s u r es e n s o r s c o r n r l l u l l i c a t i o f i s a r m i n gs y s t e m s c o n t r o it e l e v i s i o n s d e v i c e sa n d a c c e l e r o m e t e r s n s l rl i r n e n l a t o n f u e f e v e fa n d e a r t h q u e k e p r o s t h e a c s v o l t a g ec o n t r o l l e d e m b e d d e d v a p o u p r e s s u r e s e l l s e r s o s c i l l a t o r s ( v c o s ) s e n s o r s s e n s o r s a v i o n l c sm l n i a t u r e aj r b e qs e n s o r s p r e s s u r ea n a jv i i c a i s p l i t t e r sa n d d a t as t e la ( 】e c o u p l e r s i e s t r t l m e n t s ”i n t e l l i g e r d l m a s sd a t e p a c e m a k e r s t u n e a b l eb s e r s aj r c r a f tc o n l r o l t y r e ss c o r a g es y s t e m s 1 - 3 加工m e m s 的主要工艺 m e l v l s 技术首先是, l ! ! l i i l ：艺制造技术微机械加工( m i c r om a c h i n i n g ) 上的突破。微机械加l 鹾 初是从 i 丰微( 电子) 加1 。技术发展起来的，故称之为硅基微机械加下i 但后来叉发展山一系州独立丁砖 微( 电子) 加一技术的丹种新i 艺，称为1 f n 基微机械加r 技术。 1 - 3 1 硅基微机械加工技术 n 魁几有极好机触性能( 包括强度、硬度、热导利热l i ；胀等) 的材料对诈多效席戢感，网此挂传 感器的诗选, f t l 之一。加z 砖萆微加i 与微电r 微加i 技术易j 兼容集成为系统，所以，醇丛微机槭肺 成为m e m sj j 【1i 技术的士流，也是奉章论述的重点。 u _ f l _ ，盯：萆微加】技术叮分为求【：叮微机械加i 。技术( s u r f a c e m i e r o m a c h i n i n g ) 与体微机械加技水 ( b u l km i c r o m a c h i n i n g ) 两个主流。 实际上经过适当安排序n 表丽撒加i 技术与硅体微加i ：技术是可l l 兼弈的，邮为复台微l 槭 加j 技术。此力法已研制山表稠为l m m 1 1 1 1 1 1 1 的n 微麦血风。 加j 技术。此力法已研制山表稠为l m m 1 1 1 1 1 1 1 的n 微麦血风。 河北t 、人学硕士学位论文 m e m s 研制已取得很多成粜。多种尺寸为毫米剑微米量级的微机械零部件，如微梁、微探针、微齿 轮、微凸轮、微弹簧、微沟道、微喷嘴、微锥体、微轴承、微间f i , n 微连杆等等都已研制山米，冈而有 可能装配山种种微机械。m e m s 器件包括微传感器，如压力传感器、生物传感器、化学传感器、温皮、 磁场、光强等传感器利流量汁、加速度计等，很多已实用化。微执行器是另一类m e m s 器什，已见i 青报 导的有：微泵、微马达、微麦克风等等。此外己川微阀、微管道平微泵组成微化学分析系统4 1 i d n a 反应室。还有微小型机动下，乃至磁场中可以m ? f l z , j 小蝴蝶等系统在实验室中也己研制成功。但是真j r 已形成“二业或即将投入人量生产的可能要数微加速度讣、微陀螺和微数字转换器什阵列( d m d ) 。它们 都是由砗基微加工技术制造，且与j c 集成在一起，所以被认为是真正的m e m s 系统。 m e m s 产品已经应用到许多领域，如表1 1 所示： 表11m e m s 的应用 t a b l e1 1a p p l i c a t i o n so fm e m s a u t o m o t i v ee i e c t r o n l c sm e d i c a ic o m m u n i c a t i o n sd e f e n c e i n t e r n a l b l o o dp r e s s u r e f i b r e o p t i c m u nj h e n s n a v i g a t i o n d i s kd r i v el l e a d s s e n s o r n e b , v o r k g u i d a n c e s e n s o sc o m d o n e n t s a i rc o n d i t i o n i n qm u s c l er fr e l a y s ， c o i l l p r e s s o r i n k j e tp r i n t e r h e a d s s t i m u l a t o r s d r u g s w i t c h e s a n ds ur v e i l l a n c e s e n s o rd e l i v e r ys y s t e m s f i l t e r s b r a k ef o r c e p r 0 i e c t i o n s e n s o r s p r o j e c t i o n d i s p l a y sl n s u s p e n s i o n s c r e e n i m p l a n t e d p o r t a b l e c o n t l 。o it e l e v i s i o n s p r e s s u r es e n s o r sc o m n l u m c a t l o n s a r m i n gs y s t e m s d e v l c e sa n d a c c e l e r o m e t e r s i n s t r u m e n t a t i o n f u e i l e v e ia n d e a r t h q u a k ev o l t a g ec o n t r o l l e d e m b e d d e d v a p o u rp r e s s u r e s e n s o r s p r o s t h e t c s o s c i l l a t o r s ( v c o s ) s e n s o r s s e n s o r s a v i o n i c sm i n i a t u r e a i r b a gs e n s o r s p r e s s u r e a n a l y l i c a i s p l i t t e r sa n d c o u p l e r s d a t as t o l a g e s e n s o r si n s t r u l l l e n t s ”i n t e l l i g e n t ” m a s sd a t a p a c e m a k e r s t u n e a b l ei a s e r sa i r c r a f tc o n t r o l t v r e ss t o r a q es y s t e m s 1 - 3 加工m e m s 的主要工艺 m e m s 技术首先是和：丁艺制造技术微机械加工( m i c r om a c h i n i n g ) 上的突破。微机械加1 最 初是从硅微( 电子) 加1 ：技术发展起来的，故称之为硅基微机械) j l - e 但后来又发展出一系列独立于硅 微( 电子) 加一技术的各种新i ：艺，称之为1 f 砖基微机械加r 技术。 1 - 3 1 硅基微机械加工技术 辟是具有极好机械性能( 包括强度、硬度、热导和热膨胀等) 的材料对诈。多效应敏感，冈此是传 感器的首选材制之一。加之砖摹微加微电r 微加技术易j ：兼容集成为系统，所以，砖基微机械成 成为m e m s 加l 技术的主流，也是奉章论述的重点。 当l m ，砘基微加1 。技术可分为求血微机械加l 。技术( s u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ) 与体微机械加l 技术 ( b u l km i c r o m a c h i n i n g ) 两个主流。 实际一l 经过适当安排l 。序砗表面微加1 技术与硅体微加技术是可以兼容的，即为复合微机槭 加j 技术。此力法已研制山表面积为l m m x lh i m 的砖微麦克风。 m e m s 湿法脯蚀丁艺研究 硅基微机械加i 技术的特点是与i c 兼容，易于集成，冈此对r 序的改计总是先从栏个系统开始米 进行安排，采取白上而r ( u p d o w n ) 的设计力法，这是m e m s 与传统机械加k d 同的一个特点。 由于：| i 丰表面微加一i ：的运动机构能做到的深( j 学度) 与宽度( 横向尺寸) 之比很小，故被称为准，维 加t ；硅体j i l l ：i 技术能设计的机件纵向尺寸最多也只能做到3 0 0 4 0 0 9 m ，很小，所以叫做25 维加】。 从传统机械观点看，人“j 难于接受此类零件来组合成系统( 基 一臼r 而j ，即b o r o mu p 设计方法) ， 冈为这种零什没有足够驱动能力去推动r 一级。为提高驱动力矩，要求机械零件有一定的深宽比，冈而 所谓二维微加i 受人注视，进而发展出了许多新的微机械加1 ：技术。但作为m e m s 技术，可低价、人 批量生产仍是一个必要条件。 图1 2 ( a ) m e m s 硅马达与人的头发；( b ) 微电机的齿轮与蜘蛛的足 f i g 1 2 ( a ) am e m s s i l i c o nm o m rt o g e t h e rw i t has t r a n do f h u m a nh a i r ；( b ) t h el e g so f as p i d e rm i t es t a n d i n g o ng e a r sf r o mam i c r o - e n g i n e 1 - 3 2 非硅基微机械加工技术 在非硅基微机械加工技术中，l i g a 技术是其中最重要的技术之一。l i g a 技术起源于德国，在8 0 年代初由德国卡尔斯鲁尔核研究中心发明并取得专利。l 1 g a 技术是纳米微制造技术过程中最有生命力、 最有前途的方法。 利用l i g a 技术，不仅可制造纳米级的微小结构，而且还能制造大到毫米级的微型结构。因此对 l i g a 技术进一步深入研究探讨为推动微米纳米制造技术的发展很有必要。据报导用此技术已制造出包 括具有较大力矩的微马达、加速度计等。 剀i 3 微齿轮结构的镍铸塑模具 ( 直j 寻13 8 0 i t t m ，高5 0 p m ，轴直径2 5 9 m ) f i g 13t h em o d e lo fm i c r o g e a r s 此外口本尔求人，、删制成功的微线放电机床已经生，“，可加1 微米尺、的洞孔和进行其它精1 9 f h o 许；e b 加i 、激光加l 等加i 利料也小限1 。碎，所以和l i g a 一样属丁l f ：硅基微加j ：技术之列。 1 i 6 i d , q ；& = j r ll 的主要问题是与砘i c 集成的剀难，及山b o n o mu p 传统计思想带米的微装配的洲 雕。我例认为，既然m e m s 的最后目标是系统集成t - b ，则不| _ j 技术最斤婴以此为目标做剑相互扬k 避 州北丁业人学倾_ | ：学位论文 短，达到兼弈。从这点上看，硅基微, 0 d - t 技术发展可能是更为重要的。 l t cj ，在制造技术中，m e m s 的封装和姨配技术也是特别引人注目的。如前所述，白l 而r ( u p d o w n ) 的设计装配技术较易j i 解决：在自下而上( b o t t o m u p ) 的设计中，对于碎基，现在常川i # 碎 直接键合、硗一硼玻璃静l h 键合和胶粘等技术：对 二1 f 硅基，微小零件的装b e , 0 , ；t 会遇到许多麻烦，所以 今天川这种技术研制山的系统，其八寸一般比较人。 1 - 3 3 发展趋势 近年米，微电子器j l ：的集成化更为显著，已出现了把传感器、控制器、运算器及执行器集成在一块 芯片卜的“片上系统”( s y s t e mo nc h i p 简称s o c ) 。为适戍这种设计，发展起一种微电子的“柔性加r i 技术。即在j ：业领域，在同一生产线上能加工多种产品的柔性r 厂的发展趋势，对米米的微l b 于j ：艺将 装置有很人的影响。 一般讲，微机械技术和微电子机械系统的发展对微机械加工技术的要求是： 1 有加工能力，可以制作灵活多样的各种高深宽比的微机械结构，实现二维或准三维的设计加已 2 工艺简沽，设备成熟，可以高效率和低成本的批量生产。 3 成电路的相容性好，可以在硅片上同时制作微机械部件和信号处理与控制电路。 4 器件的封装，最好能实现片上封装。 5 以硅为主但能同时采用多种具有其它特性的结构材料。 因此，今后微机械加工技术发展的趋势应该是： 1 继续保持与硅集成电路的紧密关系，充分利用硅材料、广泛利用为集成电路开发的现有设备和技 术、并且向着不断的把信号检测电路和控制电路与微机械单片集成的方向发展。 2 上述三种技术在其发展过程中更加融台在一起，相互之间的界限更加模糊。实际上，由于微电子机 械系统的多样性和广泛性，也只有多种技术的结合才更能满足微机械技术和微电子机械系统进一步发展 的需要。 1 - 4 本课题研究的意义和创新点 由于单晶硅在各种高p h 值的碱性溶液( 如：e p w ，k o h ，t t 。n n h 。，n i 。o h ，t m a h 等) 中表现山各向异 性腐蚀特性，因此在微电子、微光学、微机械系统领域，体硅微机械技术得到广泛应用。随着应用的 深入，器件性能的提高，要求单晶硅腐蚀表面光