第五讲微细加工技术

1、1 现代传感器的发展方向是微型化、多功能化和智能化。在硅现代传感器的发展方向是微型化、多功能化和智能化。在硅 集成电路工艺基础上发展起来的微细加工技术能将尺寸缩小集成电路工艺基础上发展起来的微细加工技术能将尺寸缩小 到光波长数量级，且能批量生产微型低成本传感器。除氧化、到光波长数量级，且能批量生产微型低成本传感器。除氧化、 掺杂、光刻、腐蚀、沉积等硅集成电路工艺外，还有一些独掺杂、光刻、腐蚀、沉积等硅集成电路工艺外，还有一些独 特的加工技术和新的加工方法，如各向异性腐蚀技术、特的加工技术和新的加工方法，如各向异性腐蚀技术、LIGA 技术、键合技术、准分子激光加工技术等，不但可进行高精技术、键合

2、技术、准分子激光加工技术等，不但可进行高精 度三维加工，还可以将微型传感器和信号检测及处理电路集度三维加工，还可以将微型传感器和信号检测及处理电路集 成一体，以及将微型机械元件等执行器与传感器集成一体，成一体，以及将微型机械元件等执行器与传感器集成一体， 组成微系统。组成微系统。 2 硅膜片电容式压硅膜片电容式压 力传感器力传感器 （1）在单晶硅基底上，用）在单晶硅基底上，用各向异性腐蚀技术各向异性腐蚀技术（体去除加工）制成一个三（体去除加工）制成一个三 维空腔，空腔上形成一个硅膜片，直径维空腔，空腔上形成一个硅膜片，直径1000微米，厚微米，厚20微米。微米。 （2）在硅基底上）在硅基底上沉

3、积沉积SiO2掩膜作绝缘层（厚度几个微米）；在绝缘层上掩膜作绝缘层（厚度几个微米）；在绝缘层上 蒸镀蒸镀直径直径700微米，厚微米，厚20微米的金属电极。微米的金属电极。 （3）通过）通过光刻、照相、腐蚀、镀层光刻、照相、腐蚀、镀层等微电子工艺制作集成电路等微电子工艺制作集成电路IC。 （4）在电极与集成电路周围用）在电极与集成电路周围用键合技术键合技术制作支承，分别把镀层电极和屏制作支承，分别把镀层电极和屏 蔽层（静电盾）的玻璃衬底与支承用键合技术连接。蔽层（静电盾）的玻璃衬底与支承用键合技术连接。 （5）通过预留连接孔与外部连接引线，电容电极间隙在）通过预留连接孔与外部连接引线，电容电极间

4、隙在15微米之间。测微米之间。测 量时感知电容与校正电容比较，产生信号输出。量时感知电容与校正电容比较，产生信号输出。 3 一、光刻技术一、光刻技术 l光刻技术是加工制造半导体集成电路和集成传感器微图形结光刻技术是加工制造半导体集成电路和集成传感器微图形结 构的关键技术。光刻技术的运用使大规模生产变得经济可行。构的关键技术。光刻技术的运用使大规模生产变得经济可行。 可以在一块晶片上并行制造众多结构，可以将先前设计的众可以在一块晶片上并行制造众多结构，可以将先前设计的众 多结构复制出来，无磨损、无破坏地传送到晶片上。多结构复制出来，无磨损、无破坏地传送到晶片上。 l所谓光刻是指在一块平整的硅片上

5、利用照相复制与化学腐蚀所谓光刻是指在一块平整的硅片上利用照相复制与化学腐蚀 相结合的技术将超小型的图案刻印上去来制作复杂精密的电相结合的技术将超小型的图案刻印上去来制作复杂精密的电 路或微机械结构的技术。路或微机械结构的技术。 l光刻技术中涂在光刻硅片上的光刻胶与相片中的相纸原理是光刻技术中涂在光刻硅片上的光刻胶与相片中的相纸原理是 一样的，掩膜与底片的功能也是一样的。一样的，掩膜与底片的功能也是一样的。 l对光刻技术的一般要求是：高分辨率、高灵敏度、低缺陷、对光刻技术的一般要求是：高分辨率、高灵敏度、低缺陷、 精密套刻对准和大尺寸硅片加工等。精密套刻对准和大尺寸硅片加工等。 4 光刻工艺流程

6、光刻工艺流程 底膜处理底膜处理旋转涂胶旋转涂胶烘焙烘焙 对准与曝光对准与曝光显影显影坚膜烘坚膜烘 焙焙 5 1.光学光刻技术光学光刻技术 光刻法是通过将掩膜在感光抗蚀剂内成像而生成图形的。光刻法是通过将掩膜在感光抗蚀剂内成像而生成图形的。 常用光源为水银蒸汽灯，波长为常用光源为水银蒸汽灯，波长为435nm、405nm、365nm。 光刻方法主要有三种：接触式、接近式、投影式。光刻方法主要有三种：接触式、接近式、投影式。 掩膜与抗蚀剂直接接触，称为接触式光刻；若是与抗蚀剂之掩膜与抗蚀剂直接接触，称为接触式光刻；若是与抗蚀剂之 间有一个小间隙（间有一个小间隙（2050m），以防止掩膜由于粉尘粒子被

7、），以防止掩膜由于粉尘粒子被 擦伤，则称为接近式光刻；高分辨率系统利用透镜在抗蚀剂擦伤，则称为接近式光刻；高分辨率系统利用透镜在抗蚀剂 上生成掩膜原图的缩小影像，称为投影式光刻。上生成掩膜原图的缩小影像，称为投影式光刻。 6 接近式光刻装置示意图接近式光刻装置示意图 7 接触式光刻示意图接触式光刻示意图 接近式光刻示意图接近式光刻示意图 8 投影式光刻系统示意图投影式光刻系统示意图 9 2.X射线光刻技术射线光刻技术 极高分辨率（衍射效应可忽略），成像图形清晰极高分辨率（衍射效应可忽略），成像图形清晰 10 刻蚀刻蚀是体硅微加工技术常用方法。刻蚀的基本目标是在涂是体硅微加工技术常用方法。刻蚀的

8、基本目标是在涂 胶的硅片上正确复制掩膜图形。有图形的光刻胶层在刻蚀胶的硅片上正确复制掩膜图形。有图形的光刻胶层在刻蚀 中不会受到腐蚀液显著的侵蚀，未被光刻胶保护的区域则中不会受到腐蚀液显著的侵蚀，未被光刻胶保护的区域则 会被有选择地刻蚀掉。会被有选择地刻蚀掉。 刻蚀包括：（刻蚀包括：（1）湿法各向同性刻蚀；（）湿法各向同性刻蚀；（2）湿法各向异性）湿法各向异性 刻蚀；（刻蚀；（3）等离子各向同性刻蚀；（）等离子各向同性刻蚀；（4）反应离子腐蚀）反应离子腐蚀 （RIE）；（）；（5）自停止刻蚀技术。）自停止刻蚀技术。 湿法刻蚀是用化学反应方式去除硅片表面的材料。它刻蚀湿法刻蚀是用化学反应方式去除

9、硅片表面的材料。它刻蚀 线条比较粗，一般应用在尺寸相对比较大的情况下。线条比较粗，一般应用在尺寸相对比较大的情况下。 KOH是一种被广泛使用的腐蚀液。是一种被广泛使用的腐蚀液。 硅微加工技术之刻蚀技术 二、刻蚀技术二、刻蚀技术 11 对硅的刻蚀包括各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。各向异性对硅的刻蚀包括各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。各向异性 刻蚀主要用于在硅衬底上形成不同的微结构，因此用途更刻蚀主要用于在硅衬底上形成不同的微结构，因此用途更 广。广。 硅微加工技术之刻蚀技术 12 （1）各向同性刻蚀）各向同性刻蚀 对硅的各向同性刻蚀主要完成以下工艺过程：对硅的各向同性刻蚀主要完成以下工艺过程： l清除

10、硅表面的污染或修复被刻划伤了的硅表面；清除硅表面的污染或修复被刻划伤了的硅表面； l形成单晶硅平膜片；形成单晶硅平膜片； l形成单晶硅或多晶硅薄膜上的图案，以及圆形或椭圆形截面形成单晶硅或多晶硅薄膜上的图案，以及圆形或椭圆形截面 的腔和槽等。的腔和槽等。 硅的各向同性刻蚀通常采用氧化剂硝酸、去除剂氢氟酸、以硅的各向同性刻蚀通常采用氧化剂硝酸、去除剂氢氟酸、以 及醋酸混合成的刻蚀剂，一般称为及醋酸混合成的刻蚀剂，一般称为HF-HNO2刻蚀系统。刻蚀系统。 其刻蚀速率最大接近其刻蚀速率最大接近1mm/min。通过改变刻蚀剂的成分配。通过改变刻蚀剂的成分配 比、浓度、温度可以获得不同的刻蚀速率。比、

11、浓度、温度可以获得不同的刻蚀速率。 13 （2）各向异性刻蚀）各向异性刻蚀 对硅的各向异性刻蚀是制造微机械结构的关键技术之一，对硅的各向异性刻蚀是制造微机械结构的关键技术之一， 利用这种技术能够制造出微传感器和执行器的精密三维结构。利用这种技术能够制造出微传感器和执行器的精密三维结构。 由于单晶硅为各向异性体，表现在化学刻蚀性方面也为各向异由于单晶硅为各向异性体，表现在化学刻蚀性方面也为各向异 性，即在各向的刻蚀速率不同。刻蚀速率与晶向、掺杂浓度及性，即在各向的刻蚀速率不同。刻蚀速率与晶向、掺杂浓度及 外加电压有关。沿主晶面（外加电压有关。沿主晶面（100）的刻蚀速率最快，沿（）的刻蚀速率最快

12、，沿（111） 面最慢，刻蚀速率比约为面最慢，刻蚀速率比约为4001。（。（110）面的刻蚀速率介于）面的刻蚀速率介于 两者之间。两者之间。 各向异性刻蚀主要用于在硅衬底上形成不同的微结构，因此用各向异性刻蚀主要用于在硅衬底上形成不同的微结构，因此用 途更广。途更广。 14 l硅在不同晶面上的晶胞密度不同是造成各向异性刻蚀的主要硅在不同晶面上的晶胞密度不同是造成各向异性刻蚀的主要 原因。（原因。（111）面上的晶胞堆积密度大于（）面上的晶胞堆积密度大于（100）面，所以其）面，所以其 刻蚀速率慢。此外还与硅表面上未成对的每个原子悬挂键的刻蚀速率慢。此外还与硅表面上未成对的每个原子悬挂键的 密度

13、有关。（密度有关。（100）面上每个硅原子有两个悬挂键，可以结合）面上每个硅原子有两个悬挂键，可以结合 两个两个OH;（111）面上每个硅原子仅有一个悬挂键，所以刻蚀）面上每个硅原子仅有一个悬挂键，所以刻蚀 速率慢。背键数（与次表面硅原子结合的速率慢。背键数（与次表面硅原子结合的Si-Si键称为背键）键称为背键） （111）面上有三个，（）面上有三个，（100）面上有两个，因此（）面上有两个，因此（111）面上）面上 使硅原子氧化要打断使硅原子氧化要打断3个背键，所以其刻蚀速率比预期的更慢。个背键，所以其刻蚀速率比预期的更慢。 l与各向同性刻蚀一样，各向异性刻蚀的机理就是对硅进行氧与各向同性刻

14、蚀一样，各向异性刻蚀的机理就是对硅进行氧 化。常用的刻蚀剂是化。常用的刻蚀剂是KOH（氢氧化钾）（氢氧化钾）+水水+异丙醇的混合液。异丙醇的混合液。 15 干法刻蚀是用等离子的方法与硅片产生化学或者物理反应。干法刻蚀是用等离子的方法与硅片产生化学或者物理反应。 其主要技术有反应离子刻蚀技术（其主要技术有反应离子刻蚀技术（RIE）和感应耦合等离）和感应耦合等离 子体刻蚀技术（子体刻蚀技术（ICP）。干法刻蚀的优点是控制精度高、）。干法刻蚀的优点是控制精度高、 大面积刻蚀均匀性好、污染少。大面积刻蚀均匀性好、污染少。 干法刻蚀步骤大致如下：干法刻蚀步骤大致如下： l 刻蚀用气体在足够强的电场作用下

15、被电离，产生离子、电刻蚀用气体在足够强的电场作用下被电离，产生离子、电 子及游离子等刻蚀物质；子及游离子等刻蚀物质； l 刻蚀物质穿过停滞气体层（气体屏蔽层），扩散在被刻蚀刻蚀物质穿过停滞气体层（气体屏蔽层），扩散在被刻蚀 晶片（或薄膜）的表面上，并被表面吸收；晶片（或薄膜）的表面上，并被表面吸收； l 产生化学反应刻蚀。反应生成的挥发性化合物由真空泵抽产生化学反应刻蚀。反应生成的挥发性化合物由真空泵抽 出腔外。出腔外。 16 l 离子刻蚀离子刻蚀 离子刻蚀可以实现比化学刻蚀更高的刻蚀精确度。它是利用离子刻蚀可以实现比化学刻蚀更高的刻蚀精确度。它是利用 气体的等离子体生成物或者溅射进行刻蚀的。

16、刻蚀步骤大致气体的等离子体生成物或者溅射进行刻蚀的。刻蚀步骤大致 如下：如下： 刻蚀用气体在足够强的电场作用下被电离，产生离子、电刻蚀用气体在足够强的电场作用下被电离，产生离子、电 子及游离子等刻蚀物质；子及游离子等刻蚀物质； 刻蚀物质穿过停滞气体层（气体屏蔽层），扩散在被刻蚀刻蚀物质穿过停滞气体层（气体屏蔽层），扩散在被刻蚀 晶片（或薄膜）的表面上，并被表面吸收；晶片（或薄膜）的表面上，并被表面吸收； 产生化学反应刻蚀。反应生成的挥发性化合物由真空泵抽产生化学反应刻蚀。反应生成的挥发性化合物由真空泵抽 出腔外。出腔外。 17 离子刻蚀的种类包括采用物理方法的离子刻蚀和离子束刻蚀、离子刻蚀的种

17、类包括采用物理方法的离子刻蚀和离子束刻蚀、 采用化学方法的等离子体刻蚀、采用物理和化学相结合的反采用化学方法的等离子体刻蚀、采用物理和化学相结合的反 应离子刻蚀和反应离子束刻蚀。应离子刻蚀和反应离子束刻蚀。 l自停止刻蚀自停止刻蚀 为了能够精确控制刻蚀程度，可以采用一些措施来将刻蚀为了能够精确控制刻蚀程度，可以采用一些措施来将刻蚀 在控制良好的厚度上停止，这种技术称为自停止刻蚀。在控制良好的厚度上停止，这种技术称为自停止刻蚀。 轻掺杂自停止刻蚀轻掺杂自停止刻蚀 重掺杂自停止刻蚀重掺杂自停止刻蚀 阳极自停止刻蚀等等阳极自停止刻蚀等等 18 三、表面膜的加工工艺三、表面膜的加工工艺 表面膜的加工工

18、艺是微传感器技术中最基础的工艺，可分为厚表面膜的加工工艺是微传感器技术中最基础的工艺，可分为厚 膜工艺和薄膜工艺两类。厚膜工艺出现较早，应用技术成熟；膜工艺和薄膜工艺两类。厚膜工艺出现较早，应用技术成熟； 而薄膜工艺与而薄膜工艺与MEMS技术有良好的兼容性，是微传感器研发应技术有良好的兼容性，是微传感器研发应 用的主流工艺。用的主流工艺。 1.厚膜工艺厚膜工艺 厚膜工艺采用的是具有弥散在有机溶剂中的普通金属或贵金属厚膜工艺采用的是具有弥散在有机溶剂中的普通金属或贵金属 微粒（平均直径为微粒（平均直径为5m）的膏剂或）的膏剂或“涂料涂料”，以及使这些膏剂，以及使这些膏剂 固化的玻璃料。依据弥散微

19、粒的不同，膏剂可以分为导电型、固化的玻璃料。依据弥散微粒的不同，膏剂可以分为导电型、 电阻型、介质型三种。这些膏剂按照预定的图案，通过丝网印电阻型、介质型三种。这些膏剂按照预定的图案，通过丝网印 刷技术制作到基片上。然后将带有沉积膜的基片烘干、焙烧，刷技术制作到基片上。然后将带有沉积膜的基片烘干、焙烧， 使金属粉结块，使沉积膜与基片结合。使金属粉结块，使沉积膜与基片结合。 19 2.薄膜工艺薄膜工艺 薄膜由在抛光的高纯度（薄膜由在抛光的高纯度（99.6%）氧化铝或若碱性玻璃基片上进）氧化铝或若碱性玻璃基片上进 行沉积形成。行沉积形成。 薄膜工艺采用的沉积方法与集成电路制造中采用的方法相同，即薄

20、膜工艺采用的沉积方法与集成电路制造中采用的方法相同，即 旋转涂敷、蒸镀、溅射（物理气相淀积（旋转涂敷、蒸镀、溅射（物理气相淀积（PVD） 、反应性生、反应性生 长、化学气相沉积和等离子体沉积等长、化学气相沉积和等离子体沉积等 。 （1）旋转涂敷）旋转涂敷 薄膜材料在挥发性溶剂中溶解并灌注到快速旋转的基片上。旋转薄膜材料在挥发性溶剂中溶解并灌注到快速旋转的基片上。旋转 时，液体蔓延，挥发性溶剂蒸发，从而留下时，液体蔓延，挥发性溶剂蒸发，从而留下0.150m的均匀固的均匀固 体层。该法简单而廉价，但当基片存在超出膜厚体层。该法简单而廉价，但当基片存在超出膜厚23倍的台阶时，倍的台阶时， 这种方法难

21、以得到连续的膜。这种方法难以得到连续的膜。 旋转涂敷方法最常见于平面光刻工艺中，用于在基片表面制备光旋转涂敷方法最常见于平面光刻工艺中，用于在基片表面制备光 刻胶薄膜。在微传感器中，常用于制备化学微传感器敏感膜。刻胶薄膜。在微传感器中，常用于制备化学微传感器敏感膜。 20 （2）物理气相淀积（）物理气相淀积（PVD）。）。 物理气相淀积是利用真空蒸镀法和溅射法，使被淀积的原物理气相淀积是利用真空蒸镀法和溅射法，使被淀积的原 子（或原子团、分子）经过一段空间飞行后落到衬底上面而子（或原子团、分子）经过一段空间飞行后落到衬底上面而 淀积成薄膜的方法。其中真空蒸镀法可以用蒸发铝合金来制淀积成薄膜的方

22、法。其中真空蒸镀法可以用蒸发铝合金来制 作电极或直接在敏感元件上制作薄膜，其优点是设备简单、作电极或直接在敏感元件上制作薄膜，其优点是设备简单、 成膜速度快，但形成的薄膜强度低，难以制造化合物膜。溅成膜速度快，但形成的薄膜强度低，难以制造化合物膜。溅 射法目前应用更广泛，它包括直流溅射和射频溅射。直流溅射法目前应用更广泛，它包括直流溅射和射频溅射。直流溅 射只能溅射合金薄膜，在应用上具有局限性；而射频溅射可射只能溅射合金薄膜，在应用上具有局限性；而射频溅射可 用于制造金属膜、介质膜、压阻膜、压电膜及半导体膜等。用于制造金属膜、介质膜、压阻膜、压电膜及半导体膜等。 21 l 蒸镀蒸镀 在安放着基

23、片的真空室内，通过真空蒸镀的方法也可形成薄膜。在安放着基片的真空室内，通过真空蒸镀的方法也可形成薄膜。 如图。如图。 22 l 溅射溅射 23 （3）反应性生长）反应性生长 一些能与基片起反应的材料可以通过它们的反应来沉积，一些能与基片起反应的材料可以通过它们的反应来沉积， 称为反应性生长，这种方法广泛用于硅表面生长二氧化硅。称为反应性生长，这种方法广泛用于硅表面生长二氧化硅。 干法氧化：干法氧化： 湿法氧化：湿法氧化： 22 222 SiOSiO SiH OSiO+2H （硅片）+ （气体）（薄膜） （硅片）+2（气体）（薄膜） 该法简单，在含有反应气体的炉中就可完成，薄膜的质量该法简单，在

24、含有反应气体的炉中就可完成，薄膜的质量 好。但受反应物向基片表面下进行扩散的速度限制，仅能好。但受反应物向基片表面下进行扩散的速度限制，仅能 制备厚度不超过制备厚度不超过1m的的很薄的薄膜。很薄的薄膜。 24 （4）化学气相淀积（）化学气相淀积（CVD）。）。 l化学气相淀积是把含有构成薄膜元素的一种或多种化合物、化学气相淀积是把含有构成薄膜元素的一种或多种化合物、 单质气体供给基片，借助于气相作用或在基片上的化学反应单质气体供给基片，借助于气相作用或在基片上的化学反应 生成所需要的薄膜。主要生成反应过程为：使含有待淀积材生成所需要的薄膜。主要生成反应过程为：使含有待淀积材 料的化合物升华为气

25、体，与另一种气体或化合物在一个高温料的化合物升华为气体，与另一种气体或化合物在一个高温 反应室中进行反应，生成固态的淀积物质，使之淀积在加热反应室中进行反应，生成固态的淀积物质，使之淀积在加热 至高温的衬底上，生成薄膜。这种方法可以制造出多种用途至高温的衬底上，生成薄膜。这种方法可以制造出多种用途 的微机电器件薄膜，如介质膜、半导体膜等。化学气相淀积的微机电器件薄膜，如介质膜、半导体膜等。化学气相淀积 又分为常压化学气相淀积、低压化学气相淀积、等离子强化又分为常压化学气相淀积、低压化学气相淀积、等离子强化 化学气相淀积化学气相淀积3种方法。种方法。 25 l 化学气相沉积（化学气相沉积（CDV

26、） 如图，高温使含有待沉积物质的化合物升华成气体，与另一如图，高温使含有待沉积物质的化合物升华成气体，与另一 种气体化合物在一个反应室中进行反应，生成固态的沉积物种气体化合物在一个反应室中进行反应，生成固态的沉积物 质，使之沉积在衬底上而生成薄膜。质，使之沉积在衬底上而生成薄膜。 26 目前主要用到的化学气相沉积法有：目前主要用到的化学气相沉积法有： l 常压化学气相淀积（常压化学气相淀积（APCVD）：经常用来淀积二氧）：经常用来淀积二氧 化硅膜。化硅膜。 APCVD淀积的薄膜台阶覆盖能力较差。淀积的薄膜台阶覆盖能力较差。 l 低压化学气相淀积（低压化学气相淀积（LPCVD）：具有良好的台阶

27、覆）：具有良好的台阶覆 盖能力。盖能力。 l 等离子增强化学气相淀积（等离子增强化学气相淀积（PECVD）：采用等离子）：采用等离子 体把电能耦合到气体中，促进化学反应的进行，从体把电能耦合到气体中，促进化学反应的进行，从 而来淀积薄膜的方式。而来淀积薄膜的方式。 27 例：薄膜工艺在压力微传感器制作中的应用例：薄膜工艺在压力微传感器制作中的应用 压力微传感器的电阻栅分布压力微传感器的电阻栅分布 在弹性衬底（如石英等绝缘材在弹性衬底（如石英等绝缘材 料）上进行溅射或沉积一层导料）上进行溅射或沉积一层导 电薄膜，再采用光刻方法形成电薄膜，再采用光刻方法形成 应变电阻，然后在应变电阻上应变电阻，然

28、后在应变电阻上 溅射一层溅射一层SiO2或或Al2O3来保护来保护 应变电阻使其不暴露于大气，应变电阻使其不暴露于大气， 以免电阻条被氧化。以免电阻条被氧化。 如果是金属弹性衬底，一般首如果是金属弹性衬底，一般首 先在金属弹性衬底上溅射一层先在金属弹性衬底上溅射一层 或多层绝缘膜（如或多层绝缘膜（如SiO2或或 Al2O3等）。等）。 溅射电阻薄膜后，再按下图工溅射电阻薄膜后，再按下图工 艺制作电阻栅。艺制作电阻栅。 28 在弹性衬底上溅射电阻薄膜在弹性衬底上溅射电阻薄膜 在电阻膜上均匀甩涂一层正性光刻胶在电阻膜上均匀甩涂一层正性光刻胶 在光刻胶上放置应变图形掩模板，并进行曝光在光刻胶上放置应

29、变图形掩模板，并进行曝光 进行显影、定影，去除不需要的光刻胶进行显影、定影，去除不需要的光刻胶 利用离子束溅射刻蚀，刻蚀掉没有光刻胶保护的电利用离子束溅射刻蚀，刻蚀掉没有光刻胶保护的电 阻薄膜阻薄膜 去除电阻栅上的光刻胶，即可得到应变电阻图形去除电阻栅上的光刻胶，即可得到应变电阻图形 29 四、硅的表面微加工工艺四、硅的表面微加工工艺 l表面微加工技术是以硅片作基片，通过淀积与光刻形成薄表面微加工技术是以硅片作基片，通过淀积与光刻形成薄 膜图形。膜图形。 l薄膜主要是多晶硅膜、氮化膜、二氧化硅膜等，它们为微薄膜主要是多晶硅膜、氮化膜、二氧化硅膜等，它们为微 器件提供敏感元件、绝缘层、结构层、耐

30、腐蚀、耐磨层和牺器件提供敏感元件、绝缘层、结构层、耐腐蚀、耐磨层和牺 牲层。牲层。 l薄膜生成常采用物理气相淀积和化学气相淀积工艺。薄膜生成常采用物理气相淀积和化学气相淀积工艺。 30 典型平面微加工技术：薄膜制备、光刻和刻蚀。典型平面微加工技术：薄膜制备、光刻和刻蚀。 图（图（a）用光刻胶薄膜掩盖要刻蚀的薄膜，然后通过掩膜使之曝光；）用光刻胶薄膜掩盖要刻蚀的薄膜，然后通过掩膜使之曝光； 图（图（b）显影后去除要刻蚀区域的光刻胶；）显影后去除要刻蚀区域的光刻胶； 图（图（c）刻蚀后，由于光刻胶的抗蚀作用，仅暴露的薄膜被刻掉；）刻蚀后，由于光刻胶的抗蚀作用，仅暴露的薄膜被刻掉； 图（图（d）洗掉

31、光刻胶后，得到所需图案。）洗掉光刻胶后，得到所需图案。 31 表面牺牲层技术表面牺牲层技术 l为了形成多层薄膜图形，需要采用表面牺牲层技术为了形成多层薄膜图形，需要采用表面牺牲层技术 l所谓牺牲层实际上是一层作为中间层的薄膜，在后续工序中所谓牺牲层实际上是一层作为中间层的薄膜，在后续工序中 这层薄膜将被去除，从而得到悬浮的可动的微机械结构部件。这层薄膜将被去除，从而得到悬浮的可动的微机械结构部件。 表面牺牲层制作的一般过程如下：先在衬底上淀积一层牺牲表面牺牲层制作的一般过程如下：先在衬底上淀积一层牺牲 层材料，利用光刻，刻蚀成一定的图形，然后淀积作为机械层材料，利用光刻，刻蚀成一定的图形，然后

32、淀积作为机械 结构的材料并光刻出所需的图形，再将支撑结构层的牺牲层结构的材料并光刻出所需的图形，再将支撑结构层的牺牲层 材料腐蚀掉，以形成一个空腔或使其上面的结构材料材料腐蚀掉，以形成一个空腔或使其上面的结构材料“悬浮悬浮” 起来，以形成悬臂梁、悬臂块、微型桥等各种运动机构。起来，以形成悬臂梁、悬臂块、微型桥等各种运动机构。 l常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属 等。常用的牺牲层材料有氧化硅、多晶硅、光刻胶。等。常用的牺牲层材料有氧化硅、多晶硅、光刻胶。 32 牺牲层技术 首先在厚首先在厚525m的硅片的硅片 上沉积一层上沉

33、积一层1m 厚的厚的 PSG（磷硅酸盐玻璃）（磷硅酸盐玻璃） 牺牲层（图（牺牲层（图（a）；）； 然后在然后在PSG上刻蚀出窗上刻蚀出窗 口（图（口（图（b），再在），再在 牺牲层上沉积牺牲层上沉积1m 厚厚 多晶硅（图（多晶硅（图（c），）， 然后对多晶硅进行刻蚀，然后对多晶硅进行刻蚀， 得到所需要的多晶硅悬得到所需要的多晶硅悬 臂梁（图（臂梁（图（d）。最）。最 后去掉牺牲层后去掉牺牲层PSG，由，由 于前面已经在于前面已经在PSG上刻上刻 蚀出窗口，多晶硅悬臂蚀出窗口，多晶硅悬臂 梁与硅片在裸露的窗口梁与硅片在裸露的窗口 处连接，从而可得到悬处连接，从而可得到悬 在硅片上面的悬臂梁结在硅

34、片上面的悬臂梁结 构（构（e） 33 五、三维结构（体）微加工工艺五、三维结构（体）微加工工艺 l体硅微加工技术常用方法有化学刻蚀和离子刻蚀。体硅微加工技术常用方法有化学刻蚀和离子刻蚀。 l三维结构的微加工可以通过平面工艺结合牺牲层技术实现三维结构的微加工可以通过平面工艺结合牺牲层技术实现 l可利用键合技术实现可利用键合技术实现 l可利用可利用LIGA技术实现技术实现 34 键合技术是指不用胶和黏合剂而将硅片与硅片、硅片与玻键合技术是指不用胶和黏合剂而将硅片与硅片、硅片与玻 璃或其它材料融合到一起，形成很强的键的一种加工方法。璃或其它材料融合到一起，形成很强的键的一种加工方法。 硅片键合往往与

35、表面硅加工、体硅加工相结合，用在硅片键合往往与表面硅加工、体硅加工相结合，用在 MEMS的加工工艺中。通常先进行硅片加工，装配好各个的加工工艺中。通常先进行硅片加工，装配好各个 微结构后实施键合工艺，以制造出复杂的三维结构，它适微结构后实施键合工艺，以制造出复杂的三维结构，它适 合批量生产。合批量生产。 键合技术主要通过加电、加热或加压的方法，使材料层很键合技术主要通过加电、加热或加压的方法，使材料层很 好地连接在一起。主要方法有静电键合（即阳极键合）、好地连接在一起。主要方法有静电键合（即阳极键合）、 热键合、金属共熔键合、低温玻璃键合、冷压焊键合等。热键合、金属共熔键合、低温玻璃键合、冷压焊键合等。 常见的硅片键合技术包括金常见的硅片键合技术包括金-硅共熔键合、硅硅共熔键合、硅-玻璃静电键玻璃静电键 合、硅合、硅-硅直接键合等。硅直接键合等。 键合技术 35 LIGA技术是德文光刻（技术是德文光刻（Lithographie）、电铸）、电铸 （Galvanoformung）和注塑（）和注塑（Abformung）三个德文单词的缩写。）三个德文单词的缩写。 LIGA工艺是一种基于工艺是一种基于X光线光刻技术的三维微结构加