微機械加工工藝分為矽基加工和非矽基加工。下面主要介紹體加工工藝、矽表面微機械加工技術、結合加工、逐次加工。
下圖是微機械加工工藝的流程落圖。
(一)體加工工藝
體加工工藝包括去加工(腐蝕)、附著加工(鍍膜)、改質加工(摻雜)和結合加工(鍵合)。
主要介紹腐蝕技術。
腐蝕技術主要包括幹法腐蝕和溼法腐蝕,也可分為各向同性腐蝕和各向異性腐蝕。
(1)幹法腐蝕是氣體利用反應性氣體或離子流進行的腐蝕。幹法腐蝕可以腐蝕多種金屬,也可以刻蝕許多非金屬材料;既可以各向同性刻蝕,又可以各向異性刻蝕,是集成電路工藝或MEMS工藝常用設備。按刻蝕原理分,可分為等離子體刻蝕(PE:Plasma Etching)、反應離子刻蝕(RIE:Reaction Ion Etching)和電感耦合等離子體刻蝕(ICP:Induction Couple Plasma Etching)。在等離子氣體中,可是實現各向同性的等離子腐蝕。通過離子流腐蝕,可以實現方向性腐蝕。
(2)溼法腐蝕是將與腐蝕的矽片置入具有確定化學成分和固定溫度的腐蝕液體裡進行的腐蝕。矽的各向同性腐蝕是在矽的各個腐蝕方向上的腐蝕速度相等。比如化學拋光等等。常用的腐蝕液是HF-HNO3腐蝕系統,一般在HF和HNO3中加H2O或者CH3COOH。與H2O相比,CH3COOH可以在更廣泛的範圍內稀釋而保持HNO3的氧化能力,因此腐蝕液的氧化能力在使用期內相當穩定。矽的各向異性腐蝕,是指對矽的不同晶面具有不同的腐蝕速率。比如, {100}/{111}面的腐蝕速率比為100:1。基於這種腐蝕特性,可在矽襯底上加工出各種各樣的微結構。各向異性腐蝕劑一般分為兩類,一類是有機腐蝕劑,包括EPW(乙二胺,鄰苯二酸和水)和聯胺等。另一類是無機腐蝕劑,包括鹼性腐蝕液,如:KOH,NaOH,LiOH,CsOH和NH4OH等。
在矽的微結構的腐蝕中,不僅可以利用各向異性腐蝕技術控制理想的幾何形狀,而且還可以採用自停止技術來控制腐蝕的深度。比如陽極自停止腐蝕、PN結自停止腐蝕、異質自停止腐蝕、重摻雜自停止腐蝕、無電極自停止腐蝕還有利用光電效應實現自停止腐蝕等等。
(二)矽表面微機械加工技術
美國加州大學Berkeley分校的Sensor and Actuator小組首先完成了三層多晶矽表面微機械加工工藝,確立了矽表面微加工工藝的體系。
表面微機械加工是把MEMS的「機械」(運動或傳感)部分製作在沉積於矽晶體的表面膜(如多晶矽、氮化矽等)上,然後使其局部與矽體部分分離,呈現可運動的機構。分離主要依靠犧牲層(Sacrifice Layer)技術,即在矽襯底上先沉積上一層最後要被腐蝕(犧牲)掉的膜(如SiO2可用HF腐蝕),再在其上澱積製造運動機構的膜,然後用光刻技術製造出機構圖形和腐蝕下面膜的通道,待一切完成後就可以進行犧牲層腐蝕而使微機構自由釋放出來。
矽表面微機械加工技術包括制膜工藝和薄膜腐蝕工藝。制膜工藝包括溼法制膜和乾式制膜。溼法制膜包括電鍍(LIGA工藝)、澆鑄法和旋轉塗層法、陽極氧化工藝。其中LIGA工藝是利用光製造工藝製作高寬比結構的方法,它利用同步輻射源發出的X射線照射到一種特殊的PMMA感光膠上獲得高寬比的鑄型,然後通過電鍍或化學鍍的方法得到所要的金屬結構。乾式制膜主要包括CVD(Chemical Vapor Deposition)和PVD(Physical Vapor Deposition)。薄膜腐蝕工藝主要是採用溼法腐蝕,所以要選擇合適的腐蝕液。
(三)結合技術
微加工工藝中有時需要將兩塊微加工後的基片粘結起來,可以獲得複雜的結構,實現更