胡藝森

南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京，210094

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）起源于20世紀(jì)50年代，是基于集成電路和微機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展起來的多學(xué)科交叉具有廣泛應(yīng)用空間的機(jī)械系統(tǒng)，MEMS依據(jù)其功能設(shè)計主要分為微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械射頻器件等，其作為微納制造技術(shù)中較為成熟的方向之一，以其微型化、智能化的優(yōu)勢，在國防軍工、航空航天、汽車制造、數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 MEMS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來，MEMS微執(zhí)行器、微傳感器取得了飛速的發(fā)展，新型的微器件正在逐步取代原來的小型機(jī)械，加速度計、壓力傳感器等是MEMS發(fā)展最為成熟的方向。產(chǎn)業(yè)觀察人士預(yù)計，在未來 MEMS器件的生產(chǎn)及銷售量將迅速增加，會給人類社會帶來一場新的技術(shù)革命[1]。

我國高度重視MEMS技術(shù)的研發(fā)：1993年和1994年，國家科委、原國家自然科學(xué)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(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域提出“典型MEMS器件設(shè)計制造與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”主題項目[2]，旨在研發(fā)高性能MEMS器件與系統(tǒng)，實現(xiàn)典型MEMS器件與系統(tǒng)的批量化制造與應(yīng)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(lǐng)域。2021年國家“十四五”規(guī)劃中明確提出實現(xiàn)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）工藝的突破發(fā)展[3]。

MEMS加工工藝是MEMS技術(shù)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(yīng)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(yīng)用，并對其優(yōu)缺點、發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)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(shù)基礎(chǔ)上，隨著微加工技術(shù)的成熟而逐漸發(fā)展起來的，相比于集成電路制造，MEMS器件包含三維微型結(jié)構(gòu)以及可動結(jié)構(gòu)，使得MEMS器件的制造工藝更加復(fù)雜。MEMS器件為了體現(xiàn)不同的功能而結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(shù)、體微加工技術(shù)、LIGA技術(shù)等。表面微加工技術(shù)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(gòu)造微結(jié)構(gòu)。體微加工技術(shù)是指將硅襯底自上而下地進(jìn)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(jié)構(gòu)的MEMS器件的重要方法。LIGA技術(shù)使用同步X射線發(fā)生器等設(shè)備，批量制造高深寬比的微結(jié)構(gòu)[5]。目前應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)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(shù)中最基礎(chǔ)的是硅的刻蝕技術(shù)，利用硅的各向異性刻蝕，可以使硅的不同晶向發(fā)生不同速率的刻蝕，從而形成特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，且硅具有良好的機(jī)械特性，能夠滿足大部分微傳感器和微執(zhí)行器的材料力學(xué)特性的需求，同時采用硅制造能夠與IC集成，形成更加復(fù)雜的微系統(tǒng)。隨著MEMS發(fā)展的多樣化以及應(yīng)用領(lǐng)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(guān)，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(shù)及應(yīng)用

3.1 體微加工技術(shù)

體微加工技術(shù)是指在硅襯底上利用各向異性刻蝕技術(shù)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(fā)的微加工技術(shù)，濕法刻蝕是利用被刻蝕材料與刻蝕溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕，而干法深刻蝕是利用深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）進(jìn)行硅的各向異性刻蝕，是20世紀(jì)70年代以來新發(fā)展的深刻蝕技術(shù)。

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(yīng)器皿、控溫裝置、清洗機(jī)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(lián)氨的水溶液，這些堿性溶液對硅的刻蝕速率與晶相有關(guān)[9]。不同晶面刻蝕速率不同的原因尚不明確，目前普遍認(rèn)為其與鍵的密度有關(guān)，晶面上分子密度越大、分子間距越小，連接鍵的數(shù)量和強(qiáng)度越大，鍵密度就越大，發(fā)生刻蝕反應(yīng)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(yōu)勢在加速度傳感器、壓力傳感器等器件中有著廣泛的應(yīng)用。任建軍等人設(shè)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(jié)構(gòu)，中間層的硅結(jié)構(gòu)為采用濕法刻蝕形成的四端懸臂梁結(jié)構(gòu)，中間質(zhì)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(zhì)量塊受到加速度后發(fā)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(xiàn)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(jìn)行圖形化處理；濕法腐蝕硅板形成懸臂梁結(jié)構(gòu)后進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(xiàn)了大尺寸晶圓微臺面結(jié)構(gòu)的工程化制備，其工藝流程如圖3，首先，在硅片上下兩側(cè)同時生成SiO2介質(zhì)掩膜層；通過光刻技術(shù)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(jìn)行濕法刻蝕制備出微臺面結(jié)構(gòu)[12]。

濕法刻蝕是目前實驗室中應(yīng)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(yīng)用中，濕法刻蝕會出現(xiàn)刻蝕表面不平整等現(xiàn)象。為了優(yōu)化刻蝕結(jié)果，研究人員多從刻蝕溶液入手，通過實驗改進(jìn)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(jìn)刻蝕溶液循環(huán)速率等手段，有效提高了微機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能[13]。濕法刻蝕技術(shù)歷久彌新，未來仍有很大的發(fā)展空間，如利用負(fù)壓技術(shù)改變刻蝕環(huán)境氣壓等方式優(yōu)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?qū)涛g結(jié)構(gòu)基本無影響，能夠刻蝕出任意形狀的垂直結(jié)構(gòu)；被刻蝕材料與阻擋材料的刻蝕選擇比高，容易保護(hù)。干法深刻蝕是利用氟基化物六氟化硫（SF6）氣體放電產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行刻蝕，同時利用保護(hù)氣體把六氟化硫的各向同性刻蝕轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋钥涛g，由此實現(xiàn)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(hù)氣體八氟環(huán)丁烷（C4F8），交替進(jìn)行刻蝕和保護(hù)的過程，實現(xiàn)高深度的刻蝕。低溫刻蝕法同樣利用SF6實現(xiàn)刻蝕，并且在通入SF6的同時通入氧氣，氧氣產(chǎn)生的等離子體與被刻蝕結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在刻蝕結(jié)構(gòu)內(nèi)壁形成一層SiOxFy保護(hù)層，其刻蝕和保護(hù)是同時進(jìn)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(yīng)用于體微加工技術(shù)，利用不同的刻蝕氣體及保護(hù)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(yīng)用價值。目前，干法深刻蝕已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微傳感器、微執(zhí)行器、微醫(yī)療器件等領(lǐng)域。

SungKim等人基于電磁耦合等離子體對硅進(jìn)行深反應(yīng)離子刻蝕，制備了一種新型的具有高靈敏度和高反應(yīng)速度的電容式濕度傳感器，如圖4。傳感器的結(jié)構(gòu)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(shù)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(jìn)行微細(xì)加工，利用三氟甲烷（CHF3）/O2和SF6/O2兩組氣體先后通入以實現(xiàn)高深度刻蝕硅襯底，最終形成懸浮的氮化硅膜結(jié)構(gòu)[16]。

干法深刻蝕技術(shù)也可以應(yīng)用于納米生物技術(shù)領(lǐng)域，H.Uetsuka等人利用反應(yīng)離子深刻蝕技術(shù)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(zhì)、氨基酸等物質(zhì)注射入活細(xì)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(shù)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(hù)氣氣氛的選擇、氣體流量、反應(yīng)環(huán)境的壓強(qiáng)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(shù)進(jìn)行更加深入的研究，以獲得更加高效、高質(zhì)量的MEMS器件。

3.2 表面微加工技術(shù)

表面微加工涉及的主要技術(shù)包括薄膜淀積、光刻和刻蝕：薄膜淀積技術(shù)是指在襯底表面通過物理或化學(xué)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(xué)掩模版上的圖形復(fù)制到襯底表面的工藝，即通過對光刻膠層進(jìn)行有選擇性的光源照射，改變膠層的化學(xué)性質(zhì)，然后利用顯影液溶解光刻膠上發(fā)生化學(xué)變化的可溶解區(qū)域得到圖形的過程[18]。

表面微加工技術(shù)通過在犧牲層薄膜上淀積結(jié)構(gòu)層薄膜，再移除犧牲層釋放結(jié)構(gòu)層，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)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(jī)械結(jié)構(gòu)層薄膜、機(jī)械結(jié)構(gòu)層圖形化、去除犧牲層（釋放結(jié)構(gòu)）[19]。

表面微加工技術(shù)已經(jīng)在多種MEMS產(chǎn)品上得到了應(yīng)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(qū)動器，如圖7。變形鏡主要應(yīng)用于各種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，在外加電壓控制下，變形鏡的鏡面可以產(chǎn)生形變以達(dá)到實驗?zāi)康?。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(qū)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(gòu)成上電極的定位點（圖8（e））；沉積并刻蝕多晶硅作為驅(qū)動器的上電極（圖8（f）（g））；進(jìn)行二氧化硅濕法刻蝕犧牲層，釋放結(jié)構(gòu)，烘干（圖8（h））[20]。

表面微加工技術(shù)可以實現(xiàn)加工10μm厚度內(nèi)的微結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)多層懸空結(jié)構(gòu)，是MEMS加工工藝中不可替代的微加工技術(shù)，因其加工結(jié)構(gòu)的特殊性而對器件的力學(xué)性質(zhì)要求較高，并且需要解決粘連、殘余應(yīng)力、摩擦、驅(qū)動等問題。

4 結(jié)語

本文闡述了國內(nèi)外微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）發(fā)展情況，論述了MEMS制造技術(shù)的種類、特點及應(yīng)用領(lǐng)域，總結(jié)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(yīng)用。目前體微加工和表面微加工兩大MEMS加工技術(shù)有著獨特優(yōu)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(huán)境壓強(qiáng)等方式進(jìn)一步探究優(yōu)化MEMS器件性能的可行性，為MEMS發(fā)展指明方向。