制备MEMS器件的微细加工技术.doc

制备MEMS器件的微细加工技术 制备MEMS器件的微细加工技术 2010年11月19日 　　作者：戴晓光 　　（湖北职业技术学院 机电工程系，湖北 孝感 432000） 　　[摘要] 文章综述了用于制备MEMS器件的几种典型微细加工技术的工艺原理、特点以及研究现状，并展望了这些微细加工技术的发展前景。 　　[关键词] 微机电系统；微细加工；器件 　　1 前言 　　对于微机电系统（micro-electro-mechanical-system，缩写为MEMS）而言，主要由微传感器、微执行器、微信号处理电路以及外部环境接口等部分组成，所以微机电系统不仅可以感知世界，而且可以根据感知到的信号去执行相关的操作与任务，因此，MEMS已被广泛地应用于航空航天、健康医疗、环境监测、国防等领域[1]。MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是将半导体集成电路的微细加工技术和超精密机械加工技术结合起来，实现微电子与微机械一体化的系统，是半导体制作技术的延伸与拓展。因此，可以说MEMS与微电子技术是密不可分的，许多用于制作集成电路的微细加工技术同样可以用来制备MEMS中的三维形体与器件。用于制备MEMS器件的微细加工技术有很多，但总的来说有三种，即光刻技术、制膜技术、刻蚀技术。本文主要介绍了这三种微细加技术的研究现状，并对其演化技术及发展趋势进行了简要论述。 　　2 制备MEMS器件的微细加工技术 　　2.1 光刻技术 　　制备MEMS器件的微三维形体一般用光刻方法形成，而不是利用加工工具与材料的直接相互作用，这点与传统的机械加工方法不同，所以限制微三维结构尺寸精度的不是加工工具本身的尺寸，而是成像系统的分辨率，例如光波的波长，激光束的直径等，因此，高精度的几何形体在基底上的图形化是制备MEMS器件的关键技术[2]。目前，光刻技术是唯一可在基底上制作亚微米精度图形的技术，主要用来制作掩模版、体硅工艺中空腔腐蚀、表面工艺中牺牲层薄膜的沉积和腐蚀以及传感器和制动器初级电信号电路的图形化处理。 　　利用光刻技术制备MEMS器件的基本原理是将光刻胶用甩胶机均匀地涂在基底上，接着将绘制有预定图案的掩模版置于光刻胶的上方，然后用一束分辨率很高的光束通过预先绘制有图案的掩模版，从而对光刻胶进行曝光。经显影后，在未清洗掉的光刻胶上留下了极微细的几何图形，从而实现掩模版的图案向基底的转移，利用光刻技术制备MEMS器件的一般工艺过程如图1所示。 　　图1 光刻技术的基本工艺示意图 　　光学曝光技术具有以特点：1.掩模版制作工艺复杂，制作周期长。掩模版制作本身是一个微细加工过程，它涉及到曝光、显影、刻蚀等工艺过程。2.光学曝光所得到的图形分辨率受到光源波长的影响较大。为了提高图形分辨率，不断地减小波长，可是同时也带来另一个问题，那就是焦深的减小，如果曝光系统的焦深很小，则掩模成像中只能在很小的高度起伏范围内保证聚焦，超出这一范围就散焦了，所以必须保证分辨率与焦深之间的平衡。3.制备MEMS器件须采用厚胶工艺曝光，因为许多微机电系统需要比较大的深宽比，即要求具有一定的厚度，所以MEMS器件的三维结构受到光刻胶性能的影响较大。4. 制备MEMS器件的光刻技术对环境的洁净度要求很高，需要在高于洁净度为10的环境中进行。为了得到分辨率极高的图形，曝光所用光源也经历了由最初的普通紫外光源（波长为350-500nm）向深紫外（Ultra-Violet，缩写为UV。波长为150-300nm）光源的发展过程[3]，光刻胶也由常用的酚醛清漆传统光刻胶向最典型的SU-8光刻胶发展[4]。当曝光光源为普通紫外光源和远紫外光源时，由于波长在曝光的过程中受到衍射效应的限制，其图形分辨率在一定程度上不能满足工业上对50-70nm最小图形尺寸的生产需要，势必让位给更先进的技术，因此人们对电子束曝光技术抱有很大的希望[5]，电子束曝光技术的发展到现在已有40多年的历史。它与光学曝光技术一样，利用某些对电子束敏感的高分子聚合物（抗蚀剂，实际上与光刻胶是同一类的高分子聚合物）进行曝光，从而实现图形转移的技术。因为电子束的波长短，可以克服衍射效应的限制，从而使电子束曝光技术具有很高的分辨率，容易得到分辨率很高的图形。目前，利用现代电子束曝光技术与特殊的抗蚀剂可以制备小于10nm的显微结构。电子束直写的灵活性和高分辨率使电子束曝光技术成为当今制备亚微米微细结构的主要工具，而制备亚微米量级的微结构用普通的光学曝光技术是难以实现的。但直到现在，电子束曝光技术仍没有进入大规模的工业化生产阶段，主要是因为电子束曝光生产效率低，设备昂贵，而且用来制备MEMS器件时，电子束的工艺与补偿金属氧化物半导体（complementary metal oxide semicondu