表面型的微加工技术在线视频

同学们好

今天我们将学习MEMS制造工艺的第三节

表面型的微加工技术

上一节课呢我们学习了MEMS制造工艺中

重要的体型微加工工艺

除此之外呢，MEMS制造工艺中

还有很重要的一种办法就是表面微加工工艺

那最主要的就是利用了牺牲层的办法

来制造MEMS的这个器件

那么我们还要看

比如这个流程图显示了一个

利用牺牲层的工艺步骤

首先啊我们在衬底上淀积一层牺牲层

这个白的牺牲层

比如说这个牺牲层是二氧化硅

然后呢我们对着牺牲层进行图形化

在图中就把左边给它去掉了

之后呢我们再淀积一层结构层

这个黑的这个是结构层

然后用湿法刻蚀工艺

使用特定的刻蚀液

比如说氢氟酸

专门用来刻蚀二氧化硅很快的

氢氟酸是可以刻蚀二氧化硅

但是它刻蚀硅很慢很慢的

将牺牲层呢选择性的给它刻蚀掉

最后呢我们就得到了一个半浮空的结构

所以牺牲层的工艺可以用在很多地方

比如说这个表面的微电感

我们要将中间的这个电极引出到外围来

又不能触碰到中间的其他的圆环电极

中间这个要出来要连到外面来

又不能碰到中间的所有电极

它只能作个浮空的结构

那么这种情况下呢

我们也是可以使用牺牲层工艺

形成一个像右图的一个悬空桥的结构

将信号给它引出来

有时候呢我们需要将结构层下方

大面积的牺牲层去掉

也就是牺牲经常会发生

那么这 就像我们现在的这张图

这个整个上面有个片子

但下面呢整个牺牲层都要给它去掉

这个时候呢我们就需要在结构层上面呢

刻蚀几个小孔来作为刻蚀开口

这样子可以增大刻蚀液与牺牲层的接触

它接触面积越大了

那我们的刻蚀效率就越高了

不然的话你就完全受这个

假如说我们这个片子我们边上

这个从边上 中间没有开口

从边上慢慢的 从边上往中间刻

它的速度是非常非常非常慢的

很难给它刻干净

那中间你开这个孔呢

它的刻蚀效率就高很多

那么再看这张图啊

这是个 微铰链结构

这个铰链就像我们门的那个铰链的结构

那主要用于组装微型的光学组件

右图是一个铰链接口的一个显微图

这个结构

同样也可以使用牺牲层的制造工艺来制造

所以说牺牲层的工艺

主要用于制造这种不连接的

浮空的或者半浮空的结构

好 让我们来仔细看一下

这个铰链的工艺流程

第一步我们是淀积一层第一层牺牲层

这个复杂一点 不止一层

不止一层牺牲层

所以我们第一步就淀积第一层的牺牲层

第二步呢是淀积和图形化第一层的结构层

得到这个活页的盖板

第三步呢是淀积第二层的牺牲层

就是这里面的灰色啊 深灰色

第四步呢是刻蚀出这个锚点

锚点用的这个孔

你看到左边两个小孔

第五步呢是淀积第二层的结构层作为锚点

你看它填进去了

第六步呢

这个第六步是图形化第二层的结构层

只留下这一块 只留下锚点的结构

那最后第七步呢

就是用湿法刻蚀的办法去掉所有的牺牲层

湿法第一层的结构层

就得到上面这种铰链结构了

是吧 大家回头看一下这个加工工艺

有两层的牺牲层 两层的结构层

通过巧妙的设计和最后的释放

我们就变成了一个铰链 一个微铰链啊

一个微的一个小门 对吧

是不是很有意思

你看我们利用各项同性啊 各项异性啊

牺牲层的各种各样的工艺办法

同学们可以制造出各种有意思的微纳结构来

所以大家也可以看到

这个表面微加工技术啊

用在MEMS里面

其实它整个一个用的具体的单步工艺

都是我们前面学过的东西

只是说把这个里面 不是去做这种

微电子的这种芯片 就是电路啊

而是做这种微型的这种机械结构

下面呢我们介绍一个牺牲层工艺中常见的问题

由于这个粘滞作用

刻蚀溶液 刻蚀完成后

随着液体溶液的逐渐蒸发

留下的液体会对这个结构施加一个表面张力

使得悬空的结构塌陷掉

从而使得器械失效

大家可以看到 对吧

我们本来有个多晶硅的这个beam

Polysilicon beam是我们的结构层

下面它这个Sacrificial 就是牺牲层

那么我们可以把它的牺牲层都刻蚀掉

到时候随着你的刻蚀溶液跑掉之后呢

最后它挥发的时候呢就会把上面这个

Polysilicon beam多晶硅的这个 beam给它拉下来

那怎么解决这个问题呢 有几种办法

第一种办法呢就是使用

有机支柱作为支撑的办法

在液体移除的时候呢

使用有机支柱来支撑住悬空的结构

比如说我们来看这个工艺流程

在这个的第四步

灰色的支柱啊 它其实就是一个有机支柱

这样在液体移除之后呢

由于有机支柱这个顶的作用

悬空的结构就不会塌陷下来

最后呢 我们再使用氧等离子体刻蚀的办法

把这个有机支柱给它去掉

这样呢我们就成功地解决了

液体蒸发的粘滞作用所引起的结构塌陷问题

这非常巧妙

第二种反粘滞的方法呢

就是使用超临界干燥环境

该环境需要在高于33.1摄氏度

和大于72.8个大气压的环境下实现

首先使用甲醇替换液体中的水

然后使用液态二氧化碳替代甲醇

然后呢我们升高温度

使得液态二氧化碳直接蒸发

那液态二氧化碳的直接蒸发的过程呢

它是不会引发粘滞作用的

通过这种办法已经成功地演示了

别人已经成功地做成了支持一个850微米长

850微米是很长 对吧 将近1毫米

850微米长的一个悬梁臂

说明这种方法是非常有效的

下面呢我们总结一下MEMS工艺中的

体微加工工艺和表面微加工工艺的优缺点

在体型微加工工艺中

它是一个非常廉价 简单的加工工艺

但同时它也会刻蚀浪费掉很多材料

因为把硅这个衬底给掏空了嘛

所以非常适合于只有简单几何形状的微型结构

那最后的微型结构受这个低的宽 高比的限制

因为我刻蚀下来 它总是有固定的形状等

那么如果采用表面的微加工工艺呢

你就需要用额外的牺牲层工艺

所以无疑增加了

掩膜板的设计和工艺的复杂度

同时刻蚀牺牲层也不是一项简单的工艺

需要考虑粘滞作用

刻蚀选择比等等比

工艺流程呢冗长 而且高成本

而它主要的优点就是说

工艺不受硅衬底厚度的有限的限制

可以选择多种多样的薄膜作为结构层

适用于阀门或者执行器等复杂几何形状的

微型结构的制造

这就是我们今天上课的内容

好 谢谢大家