基本思路

图1-1 表面硅MEMS加工工艺流程图

表面硅MEMS加工技术的基本思路是：先在基片上淀积一层称为牺牲层的材料，然后在牺牲层上面淀积一层结构层并加工成所需图形。在结构加工成型后，通过选择腐蚀的方法将牺牲层腐蚀掉，使结构材料悬空于基片之上，形成各种形状的二维或三维结构。表面硅MEMS加工工艺成熟，与IC工艺兼容性好，可以在单个直径为几十毫米的单晶硅基片上批量生成数百个MEMS装置。美国加州大学Berkeley分校的传感器与执行器研究中心（BSAC）首先完成了三层多晶硅表面MEMS工艺，确立了硅表面MEMS加工工艺体系。图1-1是一套表面牺牲层加工工艺流程。首先在衬底上淀积牺牲层材料（氧化硅）并形成可动微结构与衬底之间的连接窗口，然后淀积作为微结构的材料并光刻出所需的图形，最后利用湿法腐蚀去掉牺牲层，这样就行成了既能够活动又与衬底相连的微结构。

关键工艺技术

低应力薄膜技术

表面硅MEMS加工工艺主要是以不同方法在衬底表面加工不同的薄膜，并根据需要事先在薄膜下面已确定的区域中生长牺牲层。这些都需要制膜工艺来完成。制膜的方法有很多，如蒸镀、溅射等物理气相淀积法（PVD）、化学气相淀积法（CVD）以及外延和氧化等。其中CVD是微电子加工技术中最常用的薄膜制作技术之一，它是在受控气相条件下，通过气体在加热基板上反应或分解使其生成物淀积到基板上形成薄膜。CVD技术可以分为常压（ APCVD）、低压（LPCVD）、等离子体增强（PECVD）等不同技术。采用CVD所能制作的膜有多晶硅、单晶硅、非晶硅等半导体薄膜，氧化硅、氮化硅等绝缘体介质膜，以及高分子膜和金属膜等。由于在表面硅MEMS加工技术中最常用到的是多晶硅、氧化硅、氮化硅薄膜，而它们通常采用LPCVD或PECVD来制作。

1、LPCVD制膜技术。

多晶硅、氧化硅、氮化硅薄膜都可以采用LPCVD制作。

LPCVD多晶硅是利用硅烷（SiH4）热分解形成的硅淀积在基片上而成。多晶硅薄膜有非掺杂多晶硅进而掺杂多晶硅两种，后者是在淀积过程中添加气态掺杂剂（如乙硼烷、砷烷或磷烷）。LPCVD多晶硅薄膜的特性，如结构、晶粒大小、表面粗糙度、应力大小等，是由LPCVD的温度，压力以及气流量等条件决定的。典型的LPCVD多晶硅的淀积温度是在550℃~700℃之间，在低于600℃的生长温度条件下，得到的是非晶硅薄膜，而在630℃以上则能得到良好的多晶硅薄膜。在600℃之间生成的非晶硅薄膜的晶粒尺寸小、表面粗糙度小（<15Å），而在620℃以上生成的多晶硅薄膜的晶粒较大、表面较为粗糙（>50Å）。多晶硅的淀积速度随温度的升高而呈指数关系增加，一般约为几纳米/分到几百纳米/分。多晶硅薄膜的应力随生长温度和硅烷压力的不同而有着较大的变化。为了获得低应力的多晶硅薄膜，通常在LPCVD淀积多晶硅薄膜完成后，通过高温退火（>900℃）处理来释放应力。

LPCVD淀积氧化硅的方法有多种。一种是在低于500℃条件下，利用SiH4和氧气反应在基片上淀积形成氧化硅。由于是在低温条件下制作，因而这种方法淀积的氧化物也被称为低温氧化物（LTO），它通常被用作铝电极引线的钝化层，为了防止铝的退化，一般的淀积温度控制在400℃以下。同掺杂多晶硅相似，采用这种方法制作的氧化硅也可以在淀积过程中通过添加磷化氢或乙硼烷等气态掺杂剂形成掺杂的氧化硅如磷硅玻璃（PSG）或硼磷硅玻璃（BPSG）。LPCVD淀积氧化硅的另一种方法是在650℃~750℃的温度范围内，利用Si(OC2H4)4热分解形成四乙基原硅酸盐（TEOS）。TEOS具有良好的一致性和台阶覆盖性，但由于淀积温度较高，不能用作铝电极引线的钝化层。此外还有一种在约900℃条件下，通过SiCl2H2和N­2O反应淀积氧化硅的方法，这种氧化硅具有良好的薄膜特性和一致性，但不适于制作多晶硅的绝缘层。

LPCVD淀积氧化硅是在700℃~900℃条件下，通过SiCl2H2和NH3反应形成。一般来说，LPCVD淀积制作的氮化硅薄膜呈现出很大的张应力（约1000MPa），但是通过调整淀积温度（800℃~850℃）和反应气体流量（即增大SiCl2H2的流速，使生成的氮化硅薄膜中硅含量较多（富硅））可以制作出低应力（<100MPa）的氮化硅薄膜，这种低应力LPCVD氮化硅薄膜在MEMS领域已获得了广泛的应用。

2、PECVD制膜技术。

PECVD法是利用辉光放电的物理作用来激活化学气相淀积反应。其淀积温度一般在400℃以下，可以用来淀积氧化硅、氮化硅、PSG、BPSG、Al2O3等绝缘体及钝化膜和非晶硅薄膜以及有机化合物和TiC、TiN等耐磨抗蚀膜。在表面硅MEMS工艺中，PECVD主要用来制作低应力氮化硅薄膜。PECVD氮化硅是在低于400℃条件下，利用SiH4和NH3（或N2）反应形成。PECVD氮化硅的应力控制可以通过调整反应气体流量和等离子体的激活频率来实现。

牺牲层技术

牺牲层技术是在硅基板上，先制作一定形状的牺牲层材料，再用化学气相淀积等方法形成制作微型部件的结构层。最后，以融解或刻蚀法去除牺牲层，使微型部件的可动部分与基板分离。理想的牺牲层材料必须满足以下要求：膜的厚度必须控制在可接受的公差内，这是由于不均匀的沉积将导致机械部件表面粗糙或不平整；牺牲层在结构层部件释放时，必须能够被去除干净；牺牲层的腐蚀选择率和腐蚀速率必须很高，以便在腐蚀牺牲层时，结构的其他部分不被明显损伤。

在表面硅MEMS加工技术中，通常是以LPCVD法制作的多晶硅作为结构层而以LPCVD法或PECVD法制作的PSG或PBSG作为牺牲层材料。PSG或PBSG结构疏松，可以在氢氟酸（HF）水溶液中以较快的腐蚀速率被去除干净。而多晶硅在HF水溶液中的腐蚀速度非常慢，在经过长时间腐蚀PSG或PBSG后，多晶硅结构层不会发生明显腐蚀。

在早期的MEMS器件中发现：在微机械结构释放过程中，当用HF水溶液腐蚀牺牲层、释放多晶硅微结构、干燥时，硅片表面薄层水的表面张力使两片亲水、间隙在微米量级的硅片常常会黏合起来，这种黏合被称为“释放有关黏合”，直接影响着器件成品率。为了解决这个问题，国内外先后开发出了超临界CO2干燥法、冷凝升华法和牺牲层干法腐蚀法等方法，使硅片表面不生成水薄层来消除由于表面张力引起的黏合。近年来，出现了在表面涂覆自组装单分子层薄膜、碳氟（CF）薄膜或类金刚石碳（DLS）薄膜等疏水性薄膜的解决“释放有关黏合”的方案。值得指出，这种涂覆薄膜防止黏合的技术，不仅能够解决“释放有关黏合”，而且也能够解决发生在封装后器件中由于输入信号过冲时发生的“使用中黏合”。

工艺集成

图1-2 美国ADI公司的BiMEMS表面集成工艺