MEMS工艺(4体硅微加工技术)梁庭(2)

1、湿法腐蚀的缺点：图形受晶向限制，深宽比较差，倾斜侧壁，小结构粘附。四、干法腐蚀狭义的干法刻蚀主要是指利用等离子体放电产生的化学过程对材料表面的加工广义上的干法刻蚀则还包括除等离子体刻蚀外的其它物理和化学加工方法，例如激光加工、火花放电加工、化学蒸汽加工以及喷粉加工等。干法刻蚀的优点：具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的选择比大、能进行自动化操作等干法刻蚀的过程：腐蚀性气体离子的产生离子向衬底的传输吸附及反应衬底表面的腐蚀钝化及去除腐蚀反应物的排除干法腐蚀的主要形式：*纯化学过程：（等离子体腐蚀 )*纯物理过程： (离子刻蚀、离子束腐蚀）*物理化学过程：反应离子腐蚀RIE ，感应耦合等离子体

2、刻蚀ICP.在物理腐蚀方法中，利用放电时所产生的高能惰性气体离子对材料进行轰击，腐蚀速率与轰击粒子的能量、通量密度以及入射角有关；在化学腐蚀中，惰性气体（如四氟化碳）在高频或直流电场中受到激发并分解（如形成氟离子），然后与被腐蚀材料起反应形成挥发性物质；在物理化学结合的方法中，既有粒子与被腐蚀材料的碰撞，又有惰性气体与被腐蚀材料的反应。反应离子刻蚀反应离子刻蚀（Reactive ion etch）是在等离子中发生的。随着材料表层的“反应剥离排放”周期循环，材料被逐层刻蚀到制定深度。衡量反应离子刻蚀的指标：掩模的刻蚀比刻蚀的各向异性程度其它：刻蚀速率、刻蚀均匀性等等离子腐蚀利用气体辉光放电电离和

3、分解稳定的原子所形成的离子和活性物质，与被腐蚀的固体材料作用，产生挥发性的物质或气态产品。刻蚀过程主要是化学反应刻蚀，是各向同性的，主要作为表面干法清洗工艺。 离子轰击的作用： 1.将被刻蚀材料表面的原子键破坏； 2.将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉DRIE、ICP刻蚀工艺刻蚀工艺1.现象现象（1）各向同性腐蚀（2）各向异性腐蚀（3）溅射腐蚀等离子体腐蚀的主要现象和特点 （1）速率高 （2）环境清洁，工艺兼容性好。（3）掩膜选择性好 30：1（4）表面光洁度好，应力集中少（5）无晶向限制主要特点主要特点min/7:mER（1）好的截面形状，易于满足铸模要求。（2）高的腐蚀速率，适于体硅要

4、求。（3）利用各向同性腐蚀，满足牺牲层腐蚀要求。（4）可用于活动结构制作。（5）可用于高深宽比结构制作。适应性适应性反应离子深刻蚀改善刻蚀的方向性，即各向异性，一直是反应离子刻蚀技术发展过程中不懈追求的目标。完全化学刻蚀是各向同性的，完全的物理刻蚀虽然有很好的方向性，但有很差的选择性，即掩模本身经受不了长时间的刻蚀。电感耦合等离子体（ICP），Bosch工艺反应离子深刻蚀的要求：需要较高的刻蚀速率，否则刻穿500um厚的硅片需要太长的时间；需要极好的各向异性，即刻蚀的边壁垂直。除了离子物理溅射之外，反应离子刻蚀从本质上是各向同性，为了阻止或减弱侧向刻蚀，只有设法在刻蚀的侧向边壁沉积一层抗刻蚀的

5、膜。Bosch工艺和Cryogenic工艺工艺所谓Bosch工艺就是在反应离子刻蚀的过程中，不断在边壁上沉积抗刻蚀层或边壁钝化八氟环丁烷离化后在底面和侧壁形成聚合物钝化层。通入刻蚀气体SF6刻蚀掉底部钝化层，并进一步刻蚀硅。新暴露的侧壁被新的钝化层覆盖。离子溅射刻蚀离子溅射刻蚀是纯粹的物理刻蚀过程，氩气是最通用的离子源气体。反应气体刻蚀利用二氟化氙XeF2在气态可以直接与硅反应生成挥发性SiF4产物的性质，可以对硅表面进行各向同性刻蚀。参数参数干法腐蚀干法腐蚀湿法腐蚀湿法腐蚀方向性对大多数材料好仅对单晶材料（深宽比高达100）生产自动化程度好差环境影响低高掩模层粘附特性不是关键因素非常关键选择

6、性相对差非常好待腐蚀材料仅特定材料所有工艺规模扩大困难容易清洁度有条件地清洁好到非常好临界尺寸控制非常好（0.1m）差装置成本昂贵较昂贵典型的腐蚀率慢（0.1m/min）到快（6m/min）快（1m/min以上）操作参数多很少腐蚀速率控制在缓慢腐蚀时好困难干法刻蚀与湿法腐蚀对比其它物理刻蚀技术激光微加工技术飞秒激光对材料表面的辐照时间如此之短，激光的能量没有时间转化为热量扩散到相邻区域；激光微加工是一种快速成型技术，不需要曝光、显影、刻蚀的中间步骤，不受材料形状与大小的限制；喷墨打印头上的孔q 工作原理电源Real混合气体：氦约80%，氮约15%， CO2 约5%通过高压直流放电进行激励波长1

7、0.6m，为不可见光能量效率5% 15%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源CO2激光器示意图q 激光器q 激光加工特点q 激光加工应用焦点位置对孔形状影响图7-74 激光焊接车身图7-73 激光切割电火花加工利用两个电极间的火花放电产生的高热使火花放电区的材料熔化；对材料的要求是导电特点：可加工导体或半导体超硬材料非接触加工可制作高深宽比结构q 工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表

8、面迅速被除去。 4个阶段： 1）介质电离、击穿，形成放电通道； 2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀； 3）抛出蚀除物； 4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。 电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液Real电火花加工机床q 工作要素q 电火花加工类型电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件电火花线切割机床电火花线切割加工加工过程显示q 电火花加工特点q 电火花加工应用工作原理：工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲

9、走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。 电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极q 电解加工特点q 电解加工应用 导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导电基体磨料阳极膜q 电解磨削电子束加工电子束加工 电子束加工是近年来得到较大发展的特种加工方法，在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。电子束加工主要用于打孔、焊接等的精加工和电子束光刻化学加工。电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台工作原理q 特点及应用离子束加工离子束加工 离子束加工与电子束加工的原理基本相同，不同的只是离子质量比电子质量大数千、数万倍，经过聚焦加速后，靠离子打击加工

10、件的动能，或将工件的原子撞击出来(撞击效应)，或将靶材的原子撞出后飞溅沉积到工件表面上（溅射效应），或直接将离子束中的离子打入工件表层之内(注入效应)。可实现对材料的“毫微米级”或“原子级”加工。超声波加工超声波加工一、超声波加工的基本原理一、超声波加工的基本原理 声波频率超过16000Hz被称为超声波。超声波加工是利用超声波振动的冲击磨料对工件进行加工的一种方法，它不仅能加工脆硬金属材料而且适合于加工不导电的脆硬非金属材料，如玻璃、陶瓷等。同时超声波还可用于清洗、焊接和探伤等。q 工作原理 变幅杆超声波发生器超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件超声波加工超声波加工二、超声波加工的

11、特点、方法及应用二、超声波加工的特点、方法及应用1、超声波加工适合于加工各种脆硬材料，材料越是脆硬，越适宜超声波加工；2、超声波可用于加工薄壁、薄片等易变形零件，加工精度高；3、超声波加工设备简单，但生产效率低。 加工方法加工方法可采用超声波直接加工、超声波旋转加工、超声波机械复合加工、超声波焊接、涂覆、清洗等。图7-76 超声波加工机床图7-77 超声波加工样件q 超声波加工特点及应用q 工作原理：q 加工装置（图7-78）q 喷嘴材料及工作条件（表7-11） 项目 材料 孔径/mm 至工件距离/mm 喷射角度/ 参数金刚石，蓝宝石，淬火钢0.0750.42.550030表7-11 喷嘴材料

12、及工作条件图7-78 水喷射加工装置示意图喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置排水器工件射流d利用超高压水（或水与磨料的混合液）对 工 件 进 行 切 割（或打孔），又称高 压 水 切 割 ， 或“水刀”。q 工艺参数（表7-12，表7-13） 表7-12 水喷射加工常用工艺参数 工艺参数 常用值 工艺参数 常用值 压力/MPa 70450 喷射力/N 45135 流速/m/s 300900 功率/kW 1040 流量/L/s 2.5 7.5 磨料耗量/kg/min 0.10.3工艺参数、效率、精度 石材 玻璃 ABS塑料 皮革 工件厚度/mm 25 12 2.8 4.45 喷嘴孔径/mm 0.3 0.3 0.1 0.1 流体压力/MPa 400 400 258 300 切割速度/m/min 0.1 0.1 0.85 0.55 切缝宽度/mm 0.5 0.5 0.2 0.2 切割精度/mm 0.05 0.05 表面粗糙度/m Ra12.5 Ra12.5 表7-13 几种材料高压水