微機電系統制造工藝綜述

胡藝森

南京理工大學 機械工程學院，江蘇南京，210094

0 引言

微機電系統（MEMS）起源于20世紀50年代，是基于集成電路和微機械加工技術發展起來的多學科交叉具有廣泛應用空間的機械系統，MEMS依據其功能設計主要分為微傳感器、微執行器、微機械射頻器件等，其作為微納制造技術中較為成熟的方向之一，以其微型化、智能化的優勢，在國防軍工、航空航天、汽車制造、數碼產品等領域均有著廣泛的應用前景。

1 MEMS技術發展現狀

21世紀以來，MEMS微執行器、微傳感器取得了飛速的發展，新型的微器件正在逐步取代原來的小型機械，加速度計、壓力傳感器等是MEMS發展最為成熟的方向。產業觀察人士預計，在未來 MEMS器件的生產及銷售量將迅速增加，會給人類社會帶來一場新的技術革命[1]。

我國高度重視MEMS技術的研發：1993年和1994年，國家科委、原國家自然科學基金委員會確定MEMS為重大項目和重點項目；2010年，國家高技術研究發展計劃（863計劃）先進制造技術領域提出“典型MEMS器件設計制造與應用關鍵技術”主題項目[2]，旨在研發高性能MEMS器件與系統，實現典型MEMS器件與系統的批量化制造與應用，包含八個課題，涉及汽車電子、油氣田檢測、航空航天等多個重要領域。2021年國家“十四五”規劃中明確提出實現微機電系統（MEMS）工藝的突破發展[3]。

MEMS加工工藝是MEMS技術最為重要的研究方向，MEMS加工工藝主要包括體微加工、表面微加工和光刻、電鍍、鑄塑工藝（LIGA）。受限于LIGA工藝的高制造成本，目前應用最廣的加工工藝為體微加工、表面微加工兩種，本文主要介紹了這兩種加工工藝的加工方法及應用，并對其優缺點、發展狀況進行了論述[4]。

2 MEMS制造工藝的方法和材料

MEMS制造是在集成電路（IC）制造技術基礎上，隨著微加工技術的成熟而逐漸發展起來的，相比于集成電路制造，MEMS器件包含三維微型結構以及可動結構，使得MEMS器件的制造工藝更加復雜。MEMS器件為了體現不同的功能而結構各不相同，往往具有懸空、高深寬比等特征，因此目前沒有一種統一的工藝能滿足全部MEMS器件制造的需求。

MEMS制造工藝主要包括表面微加工技術、體微加工技術、LIGA技術等。表面微加工技術是利用薄膜沉積、光刻、刻蝕等方法，通過將材料逐層添加在基底上，最后去除犧牲層從而構造微結構。體微加工技術是指將硅襯底自上而下地進行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是制備具有立體結構的MEMS器件的重要方法。LIGA技術使用同步X射線發生器等設備，批量制造高深寬比的微結構[5]。目前應用范圍最廣、技術最成熟的為前兩者。

MEMS用到的主要材料是硅，這是因為MEMS加工技術中最基礎的是硅的刻蝕技術，利用硅的各向異性刻蝕，可以使硅的不同晶向發生不同速率的刻蝕，從而形成特定的機械結構，且硅具有良好的機械特性，能夠滿足大部分微傳感器和微執行器的材料力學特性的需求，同時采用硅制造能夠與IC集成，形成更加復雜的微系統。隨著MEMS發展的多樣化以及應用領域的不斷拓展，新材料也層出不窮，如金屬、生物相容材料、高分子材料等[6]。

除了硅材料，MEMS加工工藝中也需要用到刻蝕劑、掩膜材料，這些材料的選用與具體加工工藝相關，如濕法刻蝕中常用氫氧化鉀（KOH）溶液作為刻蝕劑，二氧化硅（SiO2）作為掩膜材料；干法刻蝕中常用六氟化硫（SF6）作為刻蝕劑，SiO2作為掩膜材料[7]。

3 MEMS技術及應用

3.1 體微加工技術

體微加工技術是指在硅襯底上利用各向異性刻蝕技術制造各種MEMS器件，主要包括濕法刻蝕和干法深刻蝕[8]。硅的濕法各向異性刻蝕是最早開發的微加工技術，濕法刻蝕是利用被刻蝕材料與刻蝕溶液發生化學反應進行刻蝕，而干法深刻蝕是利用深反應離子刻蝕（DRIE）進行硅的各向異性刻蝕，是20世紀70年代以來新發展的深刻蝕技術。

3.1.1 濕法刻蝕

濕法刻蝕需要用到的材料和儀器有刻蝕溶液、反應器皿、控溫裝置、清洗機等，常用的各向異性刻蝕溶液為KOH溶液、四甲基氫氧化銨（TMAH）聯氨的水溶液，這些堿性溶液對硅的刻蝕速率與晶相有關[9]。不同晶面刻蝕速率不同的原因尚不明確，目前普遍認為其與鍵的密度有關，晶面上分子密度越大、分子間距越小，連接鍵的數量和強度越大，鍵密度就越大，發生刻蝕反應所需的能量就越大，因此更難以刻蝕[10]。

濕法刻蝕憑借其工藝簡單、成本較低等優勢在加速度傳感器、壓力傳感器等器件中有著廣泛的應用。任建軍等人設計的電容式加速度傳感器如圖1所示，采用玻璃-硅-玻璃的三層立體結構，中間層的硅結構為采用濕法刻蝕形成的四端懸臂梁結構，中間質量塊的上下表面和上下兩層玻璃均帶有電極，形成差動電容[11]。質量塊受到加速度后發生位移改變了電容極板間距，通過測量其電容即可得到加速度。中間硅極板的加工流程如圖2，其整體采用了雙面對稱刻蝕工藝，首先在上下表面生成SiO2掩膜層；通過勻膠、光刻實現SiO2掩膜層圖形化，利用濕法腐蝕窗口；使用TMAH刻蝕硅板形成傳感器阻尼間隙；并再次生成SiO2掩膜層并利用緩沖氫氟酸（BHF）進行圖形化處理；濕法腐蝕硅板形成懸臂梁結構后進行結構釋放；最后去膠并漂洗表面的SiO2。

任霄峰利用TMAH溶液濕法刻蝕實現了大尺寸晶圓微臺面結構的工程化制備，其工藝流程如圖3，首先，在硅片上下兩側同時生成SiO2介質掩膜層；通過光刻技術及SiO2刻蝕工藝，將掩膜層刻印出圖形；清洗去除光刻膠后，利用TMAH溶液進行濕法刻蝕制備出微臺面結構[12]。

濕法刻蝕是目前實驗室中應用非常廣泛的加工工藝，其利用的主要試劑為KOH溶液和TMAH溶液，在實際應用中，濕法刻蝕會出現刻蝕表面不平整等現象。為了優化刻蝕結果，研究人員多從刻蝕溶液入手，通過實驗改進溶液配方和刻蝕條件，如加入異丙醇等添加劑以改善硅腐蝕表面的平整度，控制刻蝕溫度，改進刻蝕溶液循環速率等手段，有效提高了微機械結構的機械性能[13]。濕法刻蝕技術歷久彌新，未來仍有很大的發展空間，如利用負壓技術改變刻蝕環境氣壓等方式優化刻蝕效果，具有一定的研究價值。

3.1.2 干法深刻蝕

干法深刻蝕具有以下特點：刻蝕速率較高，比一般的濕法刻蝕速率的2~15倍；具有高深寬比，能夠穿透整個硅片；被刻蝕材料的晶向對刻蝕結構基本無影響，能夠刻蝕出任意形狀的垂直結構；被刻蝕材料與阻擋材料的刻蝕選擇比高，容易保護。干法深刻蝕是利用氟基化物六氟化硫（SF6）氣體放電產生的等離子體進行刻蝕，同時利用保護氣體把六氟化硫的各向同性刻蝕轉變為各向異性刻蝕，由此實現深刻蝕[14]。

DRIE主要分為Bosch工藝和低溫刻蝕工藝，前者基本原理是以較高的頻率輪流通入刻蝕氣體SF6和保護氣體八氟環丁烷（C4F8），交替進行刻蝕和保護的過程，實現高深度的刻蝕。低溫刻蝕法同樣利用SF6實現刻蝕，并且在通入SF6的同時通入氧氣，氧氣產生的等離子體與被刻蝕結構發生化學反應，在刻蝕結構內壁形成一層SiOxFy保護層，其刻蝕和保護是同時進行的[15]。

干法深刻蝕以其高深寬比的特性，正在被越來越多地應用于體微加工技術，利用不同的刻蝕氣體及保護氣氛，干法刻蝕也可以刻蝕多晶硅、二氧化硅、金屬等材料，具有極高的應用價值。目前，干法深刻蝕已經被廣泛應用于微傳感器、微執行器、微醫療器件等領域。

SungKim等人基于電磁耦合等離子體對硅進行深反應離子刻蝕，制備了一種新型的具有高靈敏度和高反應速度的電容式濕度傳感器，如圖4。傳感器的結構如圖5所示，首先在硅襯底上沉積氮化硅與下電極材料；用光刻技術刻制圖案；旋涂具有濕度敏感特性的聚酰亞胺薄膜并固化；在薄膜上沉積多孔鉻（Cr）膜形成上電極；最后通過DRIE進行微細加工，利用三氟甲烷（CHF3）/O2和SF6/O2兩組氣體先后通入以實現高深度刻蝕硅襯底，最終形成懸浮的氮化硅膜結構[16]。

干法深刻蝕技術也可以應用于納米生物技術領域，H.Uetsuka等人利用反應離子深刻蝕技術加工出用于原子力顯微鏡（AFM）懸臂梁的納米針，如圖6所示，納米針可以將蛋白質、氨基酸等物質注射入活細胞中[17]。實驗采用多晶金剛石薄膜作為襯底，利用四氟化碳（CF4）和氧氣（O2）混合氣體深刻蝕，通過改變偏置功率得到更加平滑的納米針。

干法深刻蝕技術相比于濕法刻蝕有著更大的加工空間。不同的工藝條件，如刻蝕氣及保護氣氣氛的選擇、氣體流量、反應環境的壓強等差異會使制備出來的微器件性能有很大差異，因此有必要對干法刻蝕技術進行更加深入的研究，以獲得更加高效、高質量的MEMS器件。

3.2 表面微加工技術

表面微加工涉及的主要技術包括薄膜淀積、光刻和刻蝕：薄膜淀積技術是指在襯底表面通過物理或化學方法沉積一層納米級或微米級厚度的薄膜；光刻是一種將光學掩模版上的圖形復制到襯底表面的工藝，即通過對光刻膠層進行有選擇性的光源照射，改變膠層的化學性質，然后利用顯影液溶解光刻膠上發生化學變化的可溶解區域得到圖形的過程[18]。

表面微加工技術通過在犧牲層薄膜上淀積結構層薄膜，再移除犧牲層釋放結構層，從而達到結構可動的目的，其主要步驟包括淀積薄膜、光刻圖形化、淀積犧牲層薄膜、犧牲層圖形化、淀積機械結構層薄膜、機械結構層圖形化、去除犧牲層（釋放結構）[19]。

表面微加工技術已經在多種MEMS產品上得到了應用，胡放榮等人基于表面微加工工藝制作了一種新型的變形鏡驅動器，如圖7。變形鏡主要應用于各種自適應光學系統，在外加電壓控制下，變形鏡的鏡面可以產生形變以達到實驗目的。其主要加工工藝如圖8，首先氮化硅材料的絕緣層沉積在硅襯底上（圖8（a））；在上方沉積并刻蝕多晶硅作為驅動器的下電極（圖8（b）（c））；再沉積一層SiO2犧牲層（圖8（d））；刻蝕犧牲層構成上電極的定位點（圖8（e））；沉積并刻蝕多晶硅作為驅動器的上電極（圖8（f）（g））；進行二氧化硅濕法刻蝕犧牲層，釋放結構，烘干（圖8（h））[20]。

表面微加工技術可以實現加工10μm厚度內的微結構，可以實現多層懸空結構，是MEMS加工工藝中不可替代的微加工技術，因其加工結構的特殊性而對器件的力學性質要求較高，并且需要解決粘連、殘余應力、摩擦、驅動等問題。

4 結語

本文闡述了國內外微機電系統（MEMS）發展情況，論述了MEMS制造技術的種類、特點及應用領域，總結了濕法刻蝕、干法深刻蝕、表面微加工三種常用的MEMS加工工藝的原理、加工方法及應用。目前體微加工和表面微加工兩大MEMS加工技術有著獨特優勢，在未來的研究中可嘗試通過改變其加工條件，如改變濕法刻蝕溶液的配比、改變刻蝕環境壓強等方式進一步探究優化MEMS器件性能的可行性，為MEMS發展指明方向。