【学生作业】硅MEMS器件加工技术

MEMS加工技术主要包括硅基和非硅基两种加工技术。硅基MEMS加工技术是在硅片上制作EM...



MEMS 加工技术主要包括硅基和非硅基两种加工技术。硅基MEMS 加工技术是在硅片上制作EMS 器件, 此技术主要来源于传统的微电子加工技术, 因此具有批量化、成本低、集成度高等优点。非硅基MEMS 加工技术主要包括LIGA 、准LIGA 、精密机械加工等加工技术, 非硅基MEMS 加工技术可得到更大纵向尺寸的可动微结构, 缺点是批量加工能力、重复性差, 而且具有较高加工成本。本文主要介绍硅基MEMS 加工技术的几种典型工艺以及应用。

硅基MEMS 加工技术主要包括体硅MEMS 加工技术和表面MEMS 加工技术。体硅MEMS 加工技术的主要特点是对硅衬底材料的深刻蚀, 可得到较大纵向尺寸可动微结构。表面MEMS 加工技术主要通过在硅片上生长氧化硅、氮化硅、多晶硅等多层薄膜来完成MEMS 器件的制作。利用表面工艺得到的可动微结构的纵向尺寸较小, 但与IC 工艺的兼容性更好, 易与电路实现单片集成。

一

湿法SOG加工技术

SOG 工艺是通过阳极键合技术形成牢固的硅—氧键将硅圆片与玻璃圆片粘在一起, 硅作为MEMS器件的结构层, 玻璃作为MEMS 器件的衬底层,如图1所示

结构层由浓硼层形成, 对于各向异性的腐蚀液EDP , KOH 或者TMAH , 当硼掺杂原子浓度不小于1019 cm-3 时, KOH 腐蚀速率下降5 ～ 100倍(相对同样的单晶硅), 对于EDP 腐蚀液, 腐蚀速率下降250 倍, 利用各向异性腐蚀液对高掺杂层的低腐蚀速率特性达到腐蚀停止的目的[ 1] 。采用深反应离子刻蚀(DRIE) 工艺在浓硼层上形成各种设计的MEMS 结构, 再与玻璃键合,

采用自停止腐蚀去除上层多余的单晶硅, 完成加工。图2 是实物SEM 照片受扩散深度与浓度的限制, MEMS 器件结构层的厚度一般小于30 μm , 而且由于高浓度掺杂会造成硅结构损伤带来结构应力, 另外硅与玻璃的材料不匹配性也会带来较大结构应力, 自停止硅湿法腐蚀具有较低的加工精度, 这些也是湿法SOG 加工技术的缺点, 另外由于存在高温工艺也不适用于与IC 的单片集成, 但此工艺比较成熟, 工艺简单,也适合一些性能要求不高的MEMS 器件的加工以及批量加工。湿法SOG 加工技术适合多种MEMS芯片的加工, 如MEMS 陀螺仪、加速度计、MEMS 执行器等。

二

干法SOG加工技术

基本工艺结构类似湿法SOG 工艺, 同湿法SOG 工艺相比, 干法SOG 工艺主要变化在于去掉了浓硼掺杂与湿法腐蚀步骤, 而是采用磨抛减薄的工艺形成MEMS 芯片的结构层, 省去高温长时间硼掺杂会降低对结构层的损伤, 也避免了有毒或者容易带来工艺沾污的湿法腐蚀步骤, 这些也是干法SOG 加工技术的优点, 与湿法SOG 一样干法SOG同样具有不利于与IC 集成的缺点。干法SOG 加工技术适合多种MEMS 芯片的加工, 如MEMS 陀螺仪、MEMS 加速度计、MEMS 光开关、MEMS 衰减器等。干法SOG 加工技术采用了先键合后刻蚀(DRIE) 结构的过程, 如图3 所示图4 是采用干法SOG 工艺加工的MEMS 器件照片。三

正面体硅加工技术及应用

正面体硅工艺结合了深刻蚀、浓硼掺杂与湿法腐蚀工艺步骤, 如图5 所示, 首先对n 型硅片进行浓硼掺杂, 浓度满足硅湿法自停止腐蚀要求, 然后DRIE 硅结构, 刻蚀深度大于浓硼层的厚度, 最后在自停止腐蚀液里进行腐蚀, 释放结构。一次掺杂正面体硅工艺的结构厚度一般小于30 μm , 采用两次掺杂的正面体硅工艺的结构厚度可达60 μm 。正面体硅工艺是在单层硅片上完成MEMS 芯片的加工, 省去了与玻璃片的键合, 因此不存在由于材料不匹配带来的应力影响, 这是正面体硅工艺的一个优点, 但是正面体硅工艺也存在高温掺杂工艺, 缺点是不利于与IC 的单片集成, 另外由于是在单层硅片上完成MEMS 结构的加工, 因此存在不同电极间的绝缘问题, 前两种加工技术采用绝缘材料玻璃达到电极绝缘目的, 正面体硅采用pn 结达到电极隔离目的, 存在击穿电压与漏电的限制。正面体硅加工技术主要用于MS 光开关、光衰减器以及反射镜阵列的加工。图6 是采用正面体硅工艺制作的MEMS 器件实物照片。

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