微机电系统MEMS工艺
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微机电系统（MEMS）芯片的制造工艺主要借鉴了集成电路行业的技术积累，并在此基础上发展出针对可动微结构的专用加工方法。MEMS芯片制造的核心思想是在硅片上通过“加法”（沉积）和“减法”（刻蚀）的反复操作，逐层“雕刻”出所需的三维微观结构。MEMS工艺涉及光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、薄膜沉积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、键合等多项关键技术。一般而言，MEMS芯片制造的基本工艺包括三个关键步骤：沉积（Deposition）、图形化转移（Patterning）、刻蚀（Etching），整个过程循环进行直到完成微观结构。 MEMS的硅基微加工技术主要分为体微加工技术、表面微加工技术和复合微加工技术三大类。体微加工是对硅衬底本身进行有选择性地大量去除（减法加工），从而制造出三维结构；表面微加工则是在晶圆表面有序添加和移除薄膜层来构建可动微结构。 一、基片准备 MEMS制造的第一步是准备硅晶圆基底。硅具有良好的机械性能和与微电子工艺的高度兼容性，是MEMS器件最广泛使用的结构材料。通过化学清洗和去离子水冲洗去除晶圆表面的有机物、金属离子和颗粒污染物后，通常还需要在硅衬底表面通过热氧化工艺生长一层二氧化硅（SiO₂）薄膜，作为后续加工的绝缘层或刻蚀掩膜。 二、薄膜沉积 薄膜沉积是在晶圆表面制备各种功能薄膜的关键工艺。在MEMS加工中，薄膜可以是绝缘层、结构层、牺牲层或金属电极，薄膜厚度通常在几纳米至100微米之间。沉积技术主要分为两大类：化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。CVD利用气态反应物在晶圆表面发生化学反应生成固态薄膜，低压CVD（LPCVD）适用于多晶硅、氮化硅等高质量薄膜的生长，而等离子体增强CVD（PECVD）可在较低温度下沉积薄膜，适合已有电路结构的后续加工。PVD则通过物理方法（如溅射、蒸发）将靶材材料转化为气态后沉积到晶圆表面，主要用于金属电极和导电薄膜的制备。此外，氧化工艺可生长高质量的SiO₂薄膜，外延工艺则在衬底上生长与晶向一致的单晶薄膜。 三、光刻（图形化转移） 光刻是将设计好的MEMS结构图案转移到晶圆上的关键图形化工艺。其基本流程包括基片清洗、涂胶、前烘、对准曝光、显影、后烘和坚膜等步骤。首先在晶圆表面涂覆一层光敏材料（光刻胶）；然后通过掩模版（Mask）进行紫外线曝光，使光刻胶发生化学变化；最后将晶圆浸入显影液中，去除被曝光（正胶）或未曝光（负胶）区域的光刻胶，形成图案化的“保护层”。对于需要双面加工的MEMS器件，还需采用双面对准光刻技术，实现晶圆正反面图案的高精度套刻对准。SU-8等厚胶光刻技术因具有良好的力学性能和抗化学腐蚀性，在制造高深宽比MEMS微结构中得到广泛应用。 四、刻蚀 刻蚀是MEMS工艺中形成三维结构的关键步骤，即在光刻形成的保护层开口区域有选择性地去除材料。刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀两大类。 |
