➢表面微加工器件是由三种典型的部 件组成：⑴牺牲层；⑵微结构层； ⑶绝缘层部分
基本概念
➢在微机械加工中，通常将两层薄膜中的下 面一层腐蚀掉，只保留上面的一层，这种 技术称为牺牲层腐蚀，又称为分离层腐蚀。
➢利用牺牲层腐蚀技术直接在衬底表面制作 微机械元件结构的技术被称为“硅表面微 机械加工技术”。
MEMS 器件的加工
➢硅表面微机械加工是微机械器件完全制 作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种 加工技术。
➢一般来讲，微机械结构常用薄膜材料层 来制作，常用的薄膜层材料有：多晶硅、 氮化硅、氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、 硼硅酸玻璃(BSG)和金属。
表面微加工
➢表面微加工技术主要靠在基底上逐 层添加材料而构造微结构
➢1、最简单的方法式在漂洗和吹干期间，尽 量防止微器件与基体的接触，从液体中抽 出器件时尽量减少器件上的作用力，在最 后一道工序中采用低表面张力的液体。
➢2、超临界干燥 ➢3、低于三相点
表面微机械加工的特点
➢1、在表面微机械加工中，硅片本身不被刻 蚀，没有穿过硅片，硅片背面也无凹坑。
➢2、表面微机械加工适用于微小构件的加工， 结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的 反应离子刻蚀工艺。
小（精确控制膜厚，典 型尺寸为几个um）
单面工艺（正面） 材料选择性刻蚀 刻蚀：各向同性 残余应力（取决于淀积、 掺杂、退火）
牺牲层技术
➢属硅表面加工技术。
➢是加工悬空和活动结构的有效途径。
➢采用此种方法可无组装一次制成具有活
动部件的微机械结构。
70
➢牺牲层材料 60
热氧化 SiO2 低氧扩磷SiO2 低氧淀积SiO2
➢3、形成层状结构的特点为微器件设计提供 较大的灵活性。
➢4、可实现微小可动部件的加工。 ➢5、与IC工艺兼容性好。
利用牺牲层制造硅梁的过程
➢ A、淀积Si3N4并刻窗口 ➢ 在硅衬底上淀积一层Si3N4膜，作为多晶硅梁
的绝缘支撑，并有选择地腐蚀出窗口
B、局部氧化生成SiO2
➢ 利用局部氧化技术，在窗口处生成一层SiO2膜， 作为牺牲层。
2.残余应力
在微机械加工中是固有的
3.存在于薄膜结构中本身的应力
➢由微加工过程中原子结构局部变化产 生的
➢例如，过量掺杂会导致结构在表面微 加工后产生很大的残余应力
粘连
➢两个分离薄片粘附在一起的现象称为 粘连；
➢粘连是表面微加工中最严重的问题； ➢在牺牲层从被分离的材料层中去除时
发生
解决方法
硅 二氧 多 化 晶 硅 硅
表面微加工中的力学问题
表面微加工技术存在着三个主要的 力学问题： ➢⑴层间黏附； ➢⑵界面应力； ➢⑶静态阻力
界面应力
在双层结构中有三种典型的应力 ➢1.材料的热膨胀系数不匹配引起的 热应力
双层结构达到非常高的操作温度时，剧烈 的热应力会使SiO2薄层从Si基底脱离
MEMS工艺—— 面硅加工技术
梁庭
3920330(o) Liangting@
典型微加工工艺
➢微加工工艺分类 ➢硅工艺
➢平面工艺 ➢体工艺
➢特种加工工艺
➢LIGA工艺 ➢准分子激光加工工艺 ➢其它工艺
二、表面微加工技术
➢ 表面微机械加工以硅片为基体，通过多层 膜淀积和图形加工制备三维微机械结构。
多晶硅材料的主要特点
➢（5）由于生长的膜厚可以较好的控制， 与其他薄膜有良好的相容性，有利于制 造多层膜结构，给器件设计带来较大的 灵活性。
C、淀积多晶硅并刻微梁
➢ 在SiO2层及剩下的Si3N4层上淀积一层多晶硅膜， 厚约2um
D、横向腐蚀形成空腔
➢ 腐蚀掉SiO2形成空腔，即得到多晶硅桥式可活动 的硅梁
多层表面工艺
1）、多晶硅材料的主要特点
➢程，不仅省能，而且在集 成电路或集成传感器的制作中不会对 前期工艺制作的有源区边界及杂质分 布产生影响。
50
横向腐蚀深度
40
20
30
40
50
60
腐蚀时间(min)
牺牲层材料对比
材料 用 途
特点
腐蚀剂 腐蚀速率
(m/min)
二氧 释放多晶硅结 回火中收缩率低、薄膜稳定 HF
1.4
化硅 构
度高、腐蚀速率低
5:1BHF 0.12
磷硅 释放多晶硅结 腐蚀速率高、内应力小； HF
3.6
玻璃 构
体积稳定度低
5:1BHF 4.4
铝 释放有机结构 与 CMOS 工艺兼容
HF 或 H3PO4 >40
钛 用于 LIGA 中
HF
很快
释放电铸结构
影响牺牲层腐蚀的因素
➢牺牲层厚度
多晶
硅
➢腐蚀孔阵列
LT
O
➢塌陷和粘连及防止方法
➢酒精、液态CO2置换水； ➢依靠支撑结构防止塌陷。
典型牺牲层腐蚀工艺
➢ 氧化，做体硅腐蚀掩膜层； ➢ 光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口； ➢ 体硅腐蚀出所需底层结构； ➢ 去除SiO2； ➢ 生长或淀积牺牲层材料； ➢ 光刻牺牲层材料成所需结构； ➢ 生长结构材料； ➢ 光刻结构材料； ➢ 牺牲层腐蚀，释放结构层； ➢ 防粘结处理。
多晶硅材料的主要特点
➢（2）多晶硅薄膜对生长衬底的选择不 苛刻。衬底只要有一定的硬度、平整度 及能耐受住生长工艺温度即可。
➢（3）可以通过对生长条件及后工艺的 控制来调整多晶硅薄膜的电阻率，使它 成为绝缘体、导体或半导体，从而适应 不同器件或器件不同部分的需要。
多晶硅材料的主要特点
➢（4）多晶硅薄膜作为半导体材料 可以像单晶硅那样通过生长、扩散 或离子注入进行掺杂，形成N型或 P型半导体，制成p-n结；可以采用 硅平面工艺进行氧化、光刻、腐蚀 等加工。
淀积薄膜
裸片 释放结构
利用光刻图形化
表面微机械加工流程
淀积牺牲层膜
图形化
淀积机结构械薄膜
图形化牺牲层
体硅与表面微机械技术的比较
特点
体硅加工
表面微机械
核心材料 硅
多晶硅
牺牲层 尺寸
工艺要素
大（典型的空腔尺寸为几 百um）
单或双面工艺 材料选择性刻蚀 刻蚀：各向异性 刻蚀停止 图形加工
PSG、(SiO2)
➢ 硅片本身不被加工，器件的结构部分由淀 积的薄膜层加工而成，结构与基体之间的 空隙应用牺牲层技术，其作用是支撑结构 层，并形成所需要形状的最基本过程，在 微器件制备的最后工艺中解牺牲层。
➢表面微加工过程特点：
➢添加——图形——去除 ➢添加：薄膜沉积技术 ➢图形：光刻 ➢去除：腐蚀技术
➢表面微加工和IC工艺的区别：形成机械结构！