综述：MEMS制造工艺研究进展

感知芯视界 2022-11-30 19:47

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来源：MEMS，谢谢

近期，来自南京理工大学的研究人员于《新型工业化》期刊发表综述文章，总结了体微加工技术和表面微加工常用的MEMS加工工艺的原理、加工方法及应用，并基于目前的加工技术与应用现状对MEMS加工工艺的未来发展进行了展望。

编辑：感知芯视界

体微加工技术

体微加工技术：通过对硅衬底材料进行深硅刻蚀工艺，得到较大纵向尺寸的微机械结构。深硅刻蚀工艺为湿法刻蚀或干法刻蚀。该工艺的优点是获得的结构几何尺寸较大、机械性能较好。

（1）湿法刻蚀

湿法刻蚀凭借其工艺简单、成本较低等优势在加速度传感器、压力传感器等器件中有着广泛的应用。有研究人员利用四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液湿法刻蚀实现了大尺寸晶圆微台面结构的工程化制备，其工艺流程如图1所示。首先，在硅片上下两侧同时生成二氧化硅（SiO2）介质掩膜层，通过光刻技术及SiO2刻蚀工艺，将掩膜层刻印出图形，清洗去除光刻胶后，利用TMAH溶液进行湿法刻蚀制备出微台面结构。

图1 TMAH体硅腐蚀工艺制备硅微台面结构工艺流程图

在实际应用中，湿法刻蚀会出现刻蚀表面不平整等现象。为了优化刻蚀结果，研究人员多从刻蚀溶液入手，通过实验改进溶液配方和刻蚀条件，如加入异丙醇等添加剂以改善硅腐蚀表面的平整度，控制刻蚀温度，改进刻蚀溶液循环速率等手段，有效提高了微机械结构的机械性能。湿法刻蚀技术历久弥新，未来仍有很大的发展空间，如利用负压技术改变刻蚀环境气压等方式优化刻蚀效果，具有一定的研究价值。

（2）干法深刻蚀

干法深刻蚀具有以下特点：刻蚀速率较高，可以达到湿法刻蚀速率的2~15倍；具有大的深宽比，能够穿透整个硅片；被刻蚀材料的晶向对刻蚀结构基本无影响，能够刻蚀出任意形状的垂直结构；被刻蚀材料与阻挡材料的刻蚀选择比高，容易保护。

有研究人员基于电磁耦合等离子体对硅进行深反应离子刻蚀（DRIE），制备了一种新型的具有高灵敏度和高反应速度的电容式湿度传感器，如图2所示。传感器的结构如图3所示，首先在硅衬底上沉积氮化硅与下电极材料；用光刻技术刻制图案；旋涂具有湿度敏感特性的聚酰亚胺薄膜并固化；在薄膜上沉积多孔铬（Cr）膜形成上电极；最后通过DRIE进行微细加工，利用三氟甲烷（CHF3）/氧气（O2）和六氟化硫（SF6）/O2两组气体先后通入以实现高深度刻蚀硅衬底，最终形成悬浮的氮化硅膜结构。

图2 （a）传感器图像；（b）图a中转角区域的特写视图

图3 湿度传感器设计结构图

干法深刻蚀技术也可以应用于纳米生物技术领域，有研究人员利用DRIE技术加工出用于原子力显微镜（AFM）悬臂梁的纳米针，如图4所示，纳米针可以将蛋白质、氨基酸等物质注射入活细胞中。实验采用多晶金刚石薄膜作为衬底，利用四氟化碳（CF4）和O2混合气体深刻蚀，通过改变偏置功率得到更加平滑的纳米针。

图4 金刚石纳米探针的扫描电子显微镜图像：（a）低偏置功率（100W）；（b）高偏置功率（200W）；（c）图b的近景图像

表面微加工技术

表面微加工技术通过在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜，再移除牺牲层释放结构层，从而达到结构可动的目的，其主要步骤包括淀积薄膜、光刻图形化、淀积牺牲层薄膜、牺牲层图形化、淀积机械结构层薄膜、机械结构层图形化、去除牺牲层（释放结构）。

表面微加工技术已经在多种MEMS产品上得到了应用，有研究人员基于表面微加工工艺制作了一种新型的变形镜驱动器，如图5。变形镜主要应用于各种自适应光学系统，在外加电压控制下，变形镜的镜面可以产生形变以达到实验目的。其主要加工工艺如图6所示，首先将氮化硅材料的绝缘层沉积在硅衬底上；接着，沉积并刻蚀多晶硅作为驱动器的下电极；随后沉积一层SiO2牺牲层，并刻蚀牺牲层构成上电极的定位点；接着，沉积并刻蚀多晶硅作为驱动器的上电极；最后，湿法刻蚀SiO2牺牲层，形成最终的结构，并进行烘干。