微機電系統（mems）的主要工藝
姓名：曹光浦
班級：02321202
學號：1120120403
指導老師：何光
前言微電子機械系統（mems）的出現，極大地擴充套件了微電子領域的研究空間。從廣義上講，mems是指集微型感測器、微型執行器以及訊號處理和控制電路、介面電路、通訊和電源於一體的完整系統。mems主要包含了微型感測器、執行器及相應的處理電路三部分。
作為輸入訊號的自然界的各種資訊，首先通過感測器轉化成各種電訊號，經過訊號處理以後，再通過微執行器對外部世界發生作用。感測器可以把能量從一種形式轉化成另一種形式，從而將現實世界的訊號（如熱、運動等訊號）轉化成系統可以處理的訊號（如電訊號）。執行器根據訊號處理電路發出的指令完**們所需要的操作。
訊號處理器則可以對訊號進行轉換、放大和計算等處理。
微機電系統（mems）的主要工藝
1、體加工工藝
1.1腐蝕工藝
腐蝕是指一種材料在它所處的環境中由於另一種材料的作用而造成的緩慢的損害的現象。然而在不同的科學領域對腐蝕這一概念則有完全不同的理解方式。在微加工工藝中，腐蝕工藝是用來「可控性」的「去除」材料的工藝。
大部分的微加工工藝基於「top-down」的加工思想。「top-down」加工思想是通過去掉多餘材料的方法，實現結構的加工。（雕刻——泥人）作為實現「去除」步驟的腐蝕工藝是形成特定平面及三維結構過程中，最為關鍵的一步。
腐蝕工藝簡介圖
1.2濕法腐蝕
濕法化學腐蝕是最早用於微機械結構製造的加工方法。所謂濕法腐蝕，就是將晶元置於液態的化學腐蝕液中進行腐蝕，在腐蝕過程中，腐蝕液將把它所接觸的材料通過化學反應逐步浸蝕溶掉。用於化學腐蝕的試劑很多，有酸性腐蝕劑，鹼性腐蝕劑以及有機腐蝕劑等。
根據所選擇的腐蝕劑，又可分為各向同性腐蝕和各向異性腐蝕劑。各向同性腐蝕的試劑很多，包括各種鹽類(如cn基、nh 基等)和酸，但是由於受到能否獲得高純試劑，以及希望避免金屬離子的玷汙這兩個因素的限制，因此廣泛採用hf—hno3腐蝕系統。各向異性腐蝕是指對矽的不同晶面具有不同的腐蝕速率。
基於這種腐蝕特性，可在矽襯底上加工出各種各樣的微結構。各向異性腐蝕劑一般分為兩類，一類是有機腐蝕劑，包括epw(乙二胺、鄰苯二酚和水)和聯胺等，另一類是無機腐蝕劑，包括鹼性腐蝕液，如koh、naoh、nh4oh等。
1.3乾法腐蝕
乾法腐蝕是指利用高能束與表面薄膜反應，形成揮發性物質，或直接轟擊薄膜表面使之被腐蝕的工藝。乾法腐蝕能實現各向異性刻蝕，即縱向的刻蝕速率遠大於橫向刻蝕的速率，保證了細小圖形轉移後的高保真性。但工藝裝置昂貴，不適用於生產。
就濕法和乾法比較而言，濕法的腐蝕速率快、各向異性差、成本低，腐蝕厚度可以達到整個矽片的厚度，具有較高的機械靈敏度。但控制腐蝕厚度困難，且難以與積體電路進行整合。
濕法腐蝕和乾法腐蝕的優缺點比較
2、矽片鍵合工藝
矽片鍵合技術是指通過化學和物理作用將矽片與矽片、矽片與玻璃或其它材料緊密地結合起來的方法。矽片鍵合往往與表面矽加工和體矽加工相結合，用在mems的加工工藝中。常見的矽片鍵合技術包括金矽共熔鍵合、矽/玻璃靜電鍵合、矽/矽直接鍵合以及玻璃焊料燒結等。
2.1陽極鍵合
陽極鍵合又稱場助鍵合或靜電鍵合。陽極鍵合技術是wallis和pomerantz於2023年提出的。它可以將玻璃與金屬、合金或半導體鍵合在一起而不用任何粘結劑。
這種鍵合溫度低、鍵合介面牢固、長期穩定性好。陽極鍵合中，靜電引力起著非常重要的作用。在比較高的溫度下，緊密接觸的矽/玻璃介面會發生化學反應，形成牢固的化學鍵，如si-o-si鍵等。
如果矽接電源負極，則不能形成鍵合，這就是「陽極鍵合」名稱的由來。
2.2矽-矽直接鍵合
兩矽片通過高溫處理可以直接鍵合在一起，不需要任何粘結劑和外加電場，工藝簡單。這種鍵合技術稱為矽-矽直接鍵合技術。直接鍵合工藝是由lasky首先提出的。
矽-矽直接鍵合工藝如下：
（1）將兩拋光矽片（氧化或未氧化均可）先經含oh-的溶液浸泡處理；
（2）在室溫下將兩矽片拋光麵貼合在一起；
（3）貼合好的矽片在氧氣或氮氣環境中經數小時的高溫處理，這樣就形成了良好的鍵合。
直接鍵合工藝相當簡單。鍵合的機理可用三個階段的鍵合過程加以描述。
第一階段，從室溫到200°c，兩矽片表面吸附oh團，在相互接觸區產生氫鍵。在200°c時，形成氫鍵的兩矽片的矽醇鍵之間發生聚合反應，產生水及矽氧鍵，即
si-oh+ho-si→si-o-si+h2o。
到400°c時，聚合反應基本完成。
第二階段溫度在500~800°c範圍內，在形成矽氧鍵時產生的水向sio2中的擴散不明顯，而oh團可以破壞橋接氧原子的乙個鍵使其轉變為非橋接氧原子，即：
hoh+si-o-si=2 +2si- 。
第三階段，溫度高於800°c後，水向sio2中擴散變得顯著，而且隨溫度的公升高擴散量成指數增大。鍵合介面的空洞和間隙處的水分子可在高溫下擴散進入四周sio2中，從而產生區域性真空，這樣矽片會發生塑性變形使空洞消除。同時，此溫度下的sio2粘度降低，會發生粘滯流動，從而消除了微間隙。
超過1000°c時，鄰近原子間相互反應產生共價鍵，使鍵合得以完成。
在鍵合前，對矽片進行表面處理，使其表面吸附是至關重要的。對於熱氧化的鏡面拋光的矽片而言，熱氧化的sio2具有無定型的石英玻璃網格結構。在sio2膜的表面和體內，有一些氧原子處於不穩定狀態。
在一定條件下，它們可得到能量而離開矽原子，使表面產生懸掛鍵。有許多種方法可以增加熱氧化的矽表面的懸掛鍵。等離子體表面活化處理就是一種方法。
對於原始拋光矽片，純淨的的矽片表面是疏水性的，若將其浸入在含有氧化劑的溶液中，瞬間會在矽片表面吸附一層單氧層。隨著溶液溫度的提高（75°c~110°c），單氧層會向一氧化物、二氧化物過渡。由化學溶液形成的矽氧化物表面有非橋鍵的羥基存在，所以這有利於矽片的室溫鍵合。
常用的親水液有硫酸雙氧水、稀硝酸、氨水等。
鍵合良好的矽片，其鍵合強度可高達12mpa以上，這需要良好的鍵合條件。首先是溫度，兩矽片的鍵合最終是靠加熱來實現的，因此，溫度在鍵合過程中起著關鍵的作用。其次是矽片表面的平整度。
拋光矽片或熱氧化矽片表面並不是理想的鏡面，而總是有一定的起伏和表面粗糙度。如果矽片有較小的粗糙度，則在鍵合過程中，會由於矽片的彈性形變或者高溫下的粘滯回流，使兩鍵合片完全結合在一起，介面不存在孔洞。若表面粗糙度很大，鍵合後就會使介面產生孔洞。
最後，就是表面的清潔度。如果鍵合工藝不是在超淨環境中進行的，則矽片表面就會有一些塵埃顆粒，塵埃顆粒是鍵合矽片產生孔洞的主要根源之一。例如，若矽片厚350μm，顆粒直徑1μm，則引起的孔洞直徑為4.
2mm。可見，粘汙粒子對鍵合的影響程度。此外，室溫下貼合時陷入介面的氣體也會引起孔洞。
矽-矽直接鍵合工藝不僅可以實現si-si、si-sio2和sio2-sio2鍵合，而且還可以實現si-石英、si-gaas或inp、ti-ti和ti-sio2鍵合。另外，在鍵合矽片之間夾雜一層中間層，如低熔點的硼矽玻璃等，還可以實現較低溫度的鍵合，並且也能達到一定的鍵合強度，這種低溫鍵合可與矽半導體器件常規工藝相容。
2.3金屬共熔鍵合
金矽共熔鍵合常用於微電子器件的封裝中，用金矽焊料將管芯燒結在管座上。2023年這一技術用在了壓力變送器上。金矽焊料是金矽二相系（矽含量為19at.
%），熔點為363°c，要比純金或純矽的熔點低得多（見圖1）。在工藝上使用時，它一般被用作中間過渡層，置於欲鍵合的兩片之間，將它們加熱到稍高於金矽共熔點的溫度。在這種溫度下，金矽混合物將從與其鍵合的矽片中奪取矽原子以達到矽在金矽二相系中的飽和狀態，冷卻以後就形成了良好的鍵合。
利用這種技術可以實現矽片之間的鍵合。然而，金在矽中是復合中心，能使矽中的少數載流子壽命大大降低。許多微機械加工都是在低溫下處理的，一般矽溶解在流動的金中，而金不會滲入到矽中，矽片中不會有金摻雜。
這種矽-矽鍵合在退火以後，由於熱不匹配會帶來應力，在鍵合中要控制好溫度。
金矽共熔中的矽-矽鍵合工藝是，先熱氧化p型（100）晶向矽片，後用電子束蒸發法在矽片上蒸鍍一層厚30nm的鈦膜，再蒸鍍上一層120nm的金膜。這是因為鈦膜與sio2層有更高的粘合力。最後，將兩矽片貼合放在加熱器上，加一質量塊壓實，在350~400°c溫度下退火。
實驗表明，在退火溫度365°c，時間10分鐘，鍵合面超過90%。鍵合的時間和溫度是至關重要的。除金之外，al、ti、ptsi、tisi2也可以作為矽-矽鍵合的中間過渡層。
3、liga技術
3.1 liga技術的基本原理
liga是德文lithographie，galvanoformung和abformung三個詞，即光刻、電鑄和注塑的縮寫。liga工藝是一種基於x射線光刻技術的mems加工技術（工藝流程如圖所示），主要包括x光深度同步輻射光刻，電鑄製模和注模複製三個工藝步驟。由於x射線有非常高的平行度、極強的輻射強度、連續的光譜，使liga技術能夠製造出高寬比達到500、厚度大於1500 μm、結構側壁光滑且平行度偏差在亞微公尺範圍內的三維立體結構。
這是其它的微製造技術所無法實現的。liga技術被視為是微奈米製造技術中最有生命力、最有前途的加工技術。利用liga技術，不僅可製造微納尺度結構，而且還能加工尺度為公釐級的meso結構。
3.2liga技術工藝流程
3.2.1x射線深度光刻
將光刻膠塗在有很好的導電性能的基片上，然後利用同步x射線將x光掩模上的二維圖形轉移到數百微公尺厚的光刻膠上。刻蝕出深寬比可達幾百的光刻膠圖形。x光在光刻膠中的刻蝕深度受到波長的制約。
若光刻膠厚度10-1000微公尺應選用典型波長為0.1-1奈米的同步輻射源。
3.2.2顯影
將**後的光刻膠放到顯影液中進行顯影處理，**後的光刻膠如（ｐｍｍａ）分子長鍵斷裂，發生降解， 降解後的分子可溶於顯影液中，而未**的光刻膠顯影後依然存在。這樣就形成了乙個與掩模圖形相同的三維光刻膠微結構。
3.2.3電鑄製模
利用光刻膠層下面的金屬薄層作為陰極對顯影後的三維光刻膠微結構進行電鍍。將金屬填充到光刻膠三維結構的空隙中，直到金屬層將光刻膠浮雕完全覆蓋住，形成乙個穩定的、與光刻膠結構互補的密閉金屬結構。此金屬結構可以作為最終的微結構產品，也可以作為批量複製的模具。
對顯影後的樣品進行微電鑄, 就可以獲得由各種金屬組成的微結構器件。微電鑄的原理是在電壓的作用下,陽極的金屬失去電子, 變成金屬離子進入電鑄液, 金屬離子在陰極獲得電子, 沉積在陰極上, 當陰極的金屬表面有一層光刻膠圖形時, 金屬只能沉積到光刻膠的空隙中, 形成與光刻膠相對應的金屬微結構。微電鑄的常用金屬為鎳、銅、金、鐵鎳合金等。
由於要電鑄的孔較深, 必須克服電鑄液的表面張力, 使其進入微孔中, 用微電鑄工藝還要電鑄出用於微複製工藝的微結構模具, 要求獲得的模具無內應力, 因此,liga 技術對電鑄液的配方和電鑄工藝都有特殊的要求。解決該問題的辦法是: 在電鑄液中新增表面抗張力劑, 採用脈衝電源, 或利用超聲波增加金屬離子的對流。
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