1、MEMS 加工技术及其工艺设备童志义摘要：微电子机械和纳米技术的研究覆盖了亚微米到纳米尺寸的特征范围，它主要依靠光刻和图形转换设备和工艺获得，但又不仅限于半导体加工范畴。光学光刻设备、感应耦合等离子体刻蚀，金属的溅射涂覆，金属的等离子体增强、介质隔离、掺杂注入、粒子束微写设备和射线源可以看作和纳米技术的机械加工手段，其各有独具的优势限制。现正被用于定制的器件到真空微电子器件和新颖的纳米工具的研究与开发应用。抗蚀剂喷涂技术为复杂形貌的器件光刻提供了高均匀性作图的厚胶基础。对于技术进入产业化的主要技术瓶颈封装技术研究与开发已成为当今世界各国关注的热点。同时，对于器件的测试技术的研究，目前在国际上也
2、引起了高度的重视。关键词： 微电子机械系统； 纳米技术； 光刻； 微电铸抗蚀剂喷涂； 微机械加工； 封装；测试MEMS Micromachining Technology and ToolsTONG Zhi-yi(The No. 45 Institute Research of CETC Pingliang 744000 China)Abstract: Research into Microelectromechanics(MEMS) and Nanotechnology covers the range of feature dimensions from submillimetre to
3、nanometer scales. It relies upon tools and processes for lithography and pattern transfer drawn largely but not exclusively from the silicon semiconcluctor industry. Optical lithography systems, ICP, Sputter coating of metals, Plasma enhanced chemical vapour deposition of metals and dielectric insul
4、ators and ion implantation doping, particle beam nanowriter tools and X-ray sources may be regarded as themachine toolsfor MEMS and Nanotechnology, each with their unique advantages and limitations. They are being exploited for R&D applications ranging from customized MEMS to vacuum microelectronics
5、 and novel nanotools. The technique bottleneck that MEMS technology come into industrialize of MEMS packaging technical RD is being the highlights of the whole world .Whilst ,the research of MEMS testing technique is also caused the height attach importance to the global area.Keywords: MEMS Nanotech
6、nology Processes Lithography LIGA Spray coating icromachining Packaging Testing是微电子技术与机械，光学领域结合而产生的，是世纪年代初兴起的新技术，是微电子技术应用的又一次革命性实验。很有希望在许多工业领域，包括信息和通讯技术，汽车，测量工具，生物医学，电子等方面成为关键器件，把在衬底上的与集成在一起，还可以产生许多新的功能。但是制造的加工技术主要有三种，第一种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基器件；第二种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造出小机器，再利用小机
7、器制造出微机器的方法；第三种是以德国为代表的（德文光刻，电铸的塑铸三个词的缩写）技术，它是利用射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。其中硅加工技术与传统的工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前的主流技术。随着电子，机械产品微小化的发展趋势，未来年，微机械 与微机电产业将逐渐取代半导体产业成为主流产业，为此，日本，美国一些著名企业均开始加强其组件模块制造能力。当前，微机械与产业已被日本政府列入未来年保持日本竞争力的产业，虽然目前组件模块市场主要集中在一些特殊应用领域，但未来的年内，组件模块市场规模将扩大到目前的倍，相关系统市场将增长倍（
8、见表） ，因此，掌握组件模块技术将有利于未来在市场取得主动权。微系统的增长包括微电子机械和最近对半导体产业设备和工艺开发具有重大影响的纳米技术。光学式电子束直写光刻与湿法蚀刻硅工艺的结合，促进了早期的技术的发展。最近，随着感应耦合等离子体刻蚀系统在深度垂直侧壁结构的应用使在单晶硅的开发成为可能。与此同时，半导体多晶硅的淀积和刻蚀工艺在复杂的多层系统中也获得成功的应用。而在硅材料和传统刻蚀、淀积工艺之外的一些新的发展趋势正在引起人们更多的关注。 加工技术传统的制造业依赖大量的关键机械设备和有关的工艺，这些设备和工艺已有几十年甚至上百年的历史了。例如铸造、锻造、车削、磨削、钻孔和电镀等均是一个综合
9、的制造环境所必不可少的。这些设备和工艺与大量的其它物理和化学手段及工艺均用作制造环境的基础，它们在半导体产业中均具有其相应的替代技术。光学光刻，耦合等离子刻蚀，金属的溅射涂覆，金属的等离子体增强化学汽相淀积和介质隔离以及在掺杂工艺中的离子注入和衬底处理，现都已成为集成电路制造中的常规工艺。基于电子束制版和光学投影光刻及电子束直写光刻这种基本的图形加工技术现已成为先进的纳米尺寸作图技术的主要角色。上述的这些设备和技术以及一些还未流行的设备的工艺目前正被用于的纳米技术制造，且成为微时代的微机械加工设备，三维微细加工的主要途径有光刻、准分子激光加工、体硅加工技术和深度反应离子刻蚀等。从目前看来，对于
10、大多数半导体产业来说，采用光学光刻分辨力小至 的可能性不可排除。其它的一些准备用于光学加工受到限制的替代技术有射线技术或极紫外投影光刻，电子束投影光刻（）以及接近式射线光刻。所有这些技术将与电子束直写系统和聚集离子束系统一起用于纳米尺寸光刻，并正在日益进入更为宽阔的的纳米技术应用领域。除了这些粒子束设备以外，基于扫描隧道显微镜（）原子力显微镜（）的探针系统也能用于光刻，进行分子的原子级材料的加工处理。从工艺上讲，的制造技术分为部件及子系统制造工艺和封装工艺、前者包括半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等；后者包括硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃封装、静电键合、压焊
11、、倒装焊、带式自动焊、多芯片组件工艺等。与微电子系统比较，区别在于其包含有微传感器、微执行器、微作用器、微机械器件等的子系统，相对静态微器件的系统而言，的加工技术难度要高。加工技术是在硅平面技术的基础上发展起来的，虽然历史不长，但发展很快，已成为当今最重要的新技术之一。从目前应用来看，其加工技术主要可分为硅基微机械加工技术和非硅基微机械加工技术。 硅基微机械加工技术目前正在使用的硅基微机械加工技术有三种：体硅体微机械加工、表面微机械加工 、复合微机械加工。体硅微机械加工这种加工是将整块材料，如单晶硅基片加工成微机械结构的工艺，与微电子生产中的亚微米光刻工艺比较，其工艺尺度相对较大而粗糙，线宽一
12、般在几微米到几百微米之间。根据蚀刻方法的途径的差异，体硅微机械加工又分为硅各向异性化学湿法腐蚀技术，熔解硅片技术， 反应离子深刻蚀技术。表面微机械加工技术这种技术是利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置，被加工的微机械装置一般包括一层用作电连接的多晶硅层和一层或多层的机械加工多晶层，由它们形成各种机械部件，如悬臂梁、弹簧、联动杆等。由于整个工艺都基于集成电路制造技术，因此可以在单个直径为几十毫米的单晶硅基片上批量生成数百个微机械装置。这种技术的最大优点是在与工艺完全兼容，但是，它制造的机械结构基本上都是二维的，若利用多层加工，也可制造结构复杂，功能强大的系统，但是微型元件的布局平面化和残余应
13、力等问题必须在设计中予以考虑。（）电子束光刻在扫描电子显微镜基础上发展而来的电子束光刻系统，提供了小至纳米尺寸分辩力的聚合物抗蚀剂图形转印的一种灵活的曝光设备，远远地超过了目前光学系统的分辨力范围。最先进的系统如光刻公司的 矢量扫描电子束曝光机，提供了小至几纳米的高斯束探针。激光控制的工作台允许基本图形拼接形成整体图形。这些系统提供了独特的灵活手段，适用于没有最终分辩损失的纳米技术要求的器件加工。 聚焦离子束光刻利用聚焦离子束设备修复光掩模和集成电路芯片经过年的发展在半导体业内已被接受。其与扫描显微镜，精密刻蚀和淀积的独特结合，能使聚焦离子束设备在研究中形成最佳的研究与开发的选择方法。很高的探
14、针分辩力还形成了新的机器（小至 ） 。它意味着聚焦离子束方法将在纳米技术的研究与开发中扮演一种非常关键的角色。这种系统通常由一个液态金属离子源提供一束镓离子加速到 后在靶材表面产生最大溅射率。 扫描探针加工技术（）扫描探针加工技术作为一种无掩模的加工手段，因其所需设备简单和加工精度达纳米量级，正在受到广泛的重视和研究。这项技术可以作刻蚀或者淀积加工，甚至可以用来操纵单个原子和分子。目前已经成功应用到刻划金属（和） 半导体（和）以及绝缘材料（和硅烷） ，还用于自组装单分子（）薄膜上。复合微机械加工技术该技术是体硅微机械加工技术和表面微机械加工技术的结合，具有两者的优点，同时也克服了二者的不足。非
15、硅基微机械加工技术 加工技术加工技术包括三个基本步骤，即借助于同步辐射光实现深层光刻，将样品浸入电解液中在凹槽处电镀金属以及去除光刻胶和隔离层，制造微塑注模进行微复制注塑成形的微电铸技术。这种技术能实现高深宽比的三维结构，其关键是深层光刻技术。为实现高深宽比，纵向尺寸达到数百微米的深度刻蚀，并且侧壁光滑，垂直，一方面需要高强度，平行性很好的光源，这样的光源只有用同步辐射光才能满足；另一方面要求用于技术的抗蚀剂必须有很好的分辩力，机械强度，低应力，同时还要求基片粘附性好。技术的最大优势在于：（）深宽比大，准确度高。所加工的图形准确度小于 ，表面粗糙度仅 ，侧壁垂直度，纵向高度可达 以上；（）用材
16、广泛。从塑料（、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等）到金属（、）到陶瓷（）等，都可以用技术实现三维结构；（）由于采用微复制技术，可降低成本，进行批量生产。激光微机械加工技术技术虽然具有突出的优点，但是它的工艺步骤比较复杂，成本费用昂贵。为了获得光源，需要复杂而又昂贵的同步加速器。相对于加工技术而言，激光微机械加工技术具有工艺简单、成本低等优点，它代表未来加工技术发展的方向。激光微机械加工技术依靠改变激光束的强度和扫描幅度对涂在基片上的光刻胶进行曝光，然后进行显影，最后采用反应离子刻蚀技术，按激光束光刻胶模型加工成微机械结构。显然，激光光刻技术比射线光刻的工艺要简单的多。将其与各向异性腐蚀工艺结合就可用
17、于加工三维结构。深等离子体刻蚀技术深等离子刻蚀一般是选用硅作为刻蚀微结构的加工对象，也即高深宽比硅刻蚀（） ，它有别于中的硅刻蚀，因此又称为先进硅刻蚀（）工艺。该技术采用感应耦合等离子体（）源系统，与传统的反应离子刻蚀（） ，电子回旋共振（）等刻蚀技术相比，有更大的各向异性刻蚀选择比和更高的刻蚀速率，且系统结构简单，使高密度硅离子刻蚀技术真正发展成了一项实用的刻蚀技术。这一技术的最大优越性是只采用氟基气体作为刻蚀气体和侧壁钝化用聚合物生成气体，从根本上解决了系统腐蚀和工艺尾气的污染问题。这一技术的关键是采用了刻蚀与聚合物淀积分别进行而且快速切换的工艺过程。同时还采用了射频电源相控技术使离子源电
18、源和偏压电源的相位同步，以确保离子密度达到最高时偏压也达到最高，使高密度等离子刻蚀的优势得到充分发挥。刻蚀技术可以达到很高的深宽比（：） ，选择性好，可以完成接近的垂直侧壁。紫外线厚胶刻蚀技术由于结构的特殊性，在传统的工艺基础上研究与之相适应的新工艺是持续发展的基础。深度光刻是其核心技术之一，其中紫外线厚胶光刻工艺作为高深宽比微机械制造的关键工艺，成为微机械工艺研究中的热点。使用紫外光源对光刻胶曝光，其工艺分为两个主要部分 厚胶的深层紫外光刻和图形中结构材料的电镀。其主要困难在于稳定、陡壁、高精度厚胶模的形成。对于紫外厚胶光刻适用光刻胶的研究，做得较多的是系列负性胶这种胶在曝光时，胶中含有少量
19、的光催化剂发生化学反应，产生一种强酸，能使胶发生热交联。胶具有高的热稳定性，化学稳定性和良好的力学性能，在紫外光范围内光吸收度低，整个光刻胶层可获得均匀一致的曝光量。因此将胶用于紫外光刻中，可以形成图形结构复杂，深宽比大，侧壁陡峭的微结构。清华大学微电子所的李雯等人，利用负胶工艺，通过 公司的双面对准光刻机曝光，获得了胶膜厚度为 ，深宽比值为，侧壁陡峭直度达以上的高深宽比，高陡直度的光刻图形。 对于器件厚胶图形的曝光，设备应满足大焦深，大面积和严格的均匀性以及适应各种特殊形状衬底的曝光要求。对于分步重复曝光设备，还必须保证满足大面积图形曝光的精密子场图形拼接技术要求。目前要这一领域应用较成功的
20、光学光刻设备有奥地利的公司的系列双面对准键合机，德国 公司的双面光刻机以及荷兰公司的 系列和系列扫描投影和分步投影光刻机。 三维表面光刻的抗蚀剂喷涂技术器件的加工要求不同于传统涂胶工艺的先进技术，由于器件衬底的尺寸和形状与传统的硅片不同，在光刻工艺的抗蚀剂表面涂覆均匀性方面提出了一些新的要求。即是对具有高度表面形貌的硅片，当采用一些刻蚀工艺加工一些不同的硅表面时，各种情况也变得更为突出。通过各向同性的湿法化学刻蚀和各向异性的干法等离子刻蚀工艺，产生了不同斜率的图形侧壁凹槽。此外，由于器件不断增长的集成度要求，提出了由平面结构向三维器件转移的上升趋势。这些技术的发展使得应用光刻工艺在已经具有一定
21、结构的衬底上采用光刻工艺成为必须。标准的传统旋涂技术用于三维结构的片子时，由于沟槽和凹槽的出现，抗蚀剂的涂覆是不均匀的，它甚至妨碍了旋转片子上抗蚀剂的分离。片子旋转引起的离心力与重力一起驱使抗蚀剂流向边缘。当表面张力超过时，抗蚀剂便甩离片子。这些力在片子表面开孔处分布是不相同的，使厚抗蚀剂覆盖了孔部图形。当抗蚀剂被曝光时，在片子不同位置的抗蚀剂厚度是不同的，因此抗蚀剂所吸收的能量也是不均匀的，它影响了部分显影或导致关键尺寸图形均匀性的降低。为了避免极限形貌片子涂胶的不均匀性，近几年发明了几项新的涂胶技术。其中正在研究推广的抗蚀剂喷涂技术最引人注目 。与现有的在极端三维结构的片了上均匀抗蚀剂涂覆
22、技术所不同，通过一种产生微滴烟雾剂的超声喷嘴式直接喷涂分配系统在高度三维结构化的片子上进行均匀地抗蚀剂喷涂沉积。由于采用喷涂分配技术，抗蚀剂呈雾状微滴形状。与抗蚀剂旋涂技术相比，这种技术有效地减少了片子上抗蚀剂流动力影响。微滴停留的地方抗蚀剂便沉积在其上，它有助于抗蚀剂在三维结构的片子上均匀分布。在喷涂中，片子在缓慢地旋转，同时，喷嘴分配装置的转臂在片子的半径范围内移动。这种集成技术便是由澳地利公司独家享有的 技术。使用该技术通过对深度结构片子的锐凸角喷涂抗蚀剂 已实现了从片了顶部到深的面的斜面上产生连续的金属条图形。并结合新颖的“”硅刻蚀方法在深度结构表面有效地产生了抗蚀剂线条，最终在深凹槽
23、上作出了连续的金属条图形。这种集成技术为众多的结构和设计新颖的互连结构以及先进的封装用途提供了一种广阔形貌作图能力。 E封装技术虽然封装的基本技术都是和微电子封装密切相关的，但是由于使用的广泛性，特殊性和复杂性，它的封装形状和微电子封装有着很大的差别。对于微电了来说，封装的功能是对芯片和引线等内部结构提供支持和保护，使之不受外部环境的干扰和腐蚀破坏；而对于封装来说，除了要具备以上功能以外，更重要的是器件要和测试环境之间形成一个接触界面而获取非电信号，而外部环境对灵敏度极高的敏感元件来说都是非常苛刻的，它要有承受各方面环境影响的能力，比如机械的（应力，摆动，冲击等） 、化学的（气体，温度，腐蚀介
24、质等） 、物理的（温度压力，加速度等）等；并且大部分器件都包含有可活动的元件；同时，由于器件体积小，因此都必须采用特殊的技术和封装。正是这些特殊的要求，大大增加了封装的难度和成本，成了封装技术发展的瓶颈，严重制约着封装技术的迅速发展和广泛应用。一般的封装比集成电路封装昂贵得多，仅封装成本就占总成本的甚至以上。目前，这一问题正在引起世界各国的极大关注。封装经过十几年的发展，其工艺已经比较成熟，出现了不少比较完善的封装形式。目前比较常用的封装形式有无引线陶瓷芯片载体封装，金属封装，金属陶瓷封装等，在微电子封装中倍受青睐的倒装芯片封装，球栅阵列封装和多芯片模块封装已经逐渐成为封装中的主流。其封装形式
25、可以分为单芯片封装，晶圆级封装，多芯片模块和微系统封装三个级别。 晶圆级封装晶圆级封装工艺是指带有微结构的晶片与另一块经腐蚀带有空腔的晶片键合而成。键合后，在微结构体的上面形成了一个带有密闭空腔的保护体（硅帽） ，这种方法使得微结构体处于真空或惰性气体环境中，提高了器件的品质因数值。晶圆级封装可以通过阳极键合工艺获得，键合后可以避免划片时器件遭到损坏。保护体是在微机械加工过程中经键合而成的，这对于保证晶片的清洁和结构体免受污染是很有效的方法。 芯片级封装倒装片封装倒装片封装不仅在微电子领域，而且在领域都是系统封装和集成的关键技术，它被广泛应用在微电子、通信和中。倒装片封装是指通过芯片和衬底之间
26、的电气连接，可以直接把裸片和衬底封装在一起。倒装片封装具有多种优点，因而可以被用于在线键合工艺，使其具有小体积，高性能，短连线（芯片和衬底） 。这种技术的芯片与衬底之间的距离成间隙，可以通过倒装片凸点的高度来精确控制。当上下芯片连接好后，下一步就要选择底部填充物。通常底部填充物是用来完全填充芯片间隙。但对器件来说，填满间隙会影响活动部件的运动。现在这种封装一般使用传统的压模封装技术或液体密封。微球栅陈列（）球栅陈列封装是利用球状焊盘作为连接点进行表面安装的芯片封装技术。这种封装的特点是结构紧凑，多引脚和低的感应参数，这就允许使用较低的电源电压。能用可控塌陷芯片法焊接技术，从而可以改善它的电热性
27、能。是真正意义的芯片级封装，它采用薄的柔性电路体作为它的衬底，低应力的弹性体作为模片固定。安装时模片面朝下，并且电路的焊盘与衬底相连接进行键合。键合后引线用环氧材料密封进行保护，焊锡球附着在衬底上的焊盘上形成矩形阵列，模片的背面裸露以利于散热。单片系统单片系统（ ）实际上并不能被划分成一种封装形式。它主要是指在晶片的制造过程中，把很多单个的功能单元集成在一块芯片上。这些单元的加工技术与工艺相兼容。大多数芯片包含微处理芯片，存储器，信号处理电路和器件等。 封装发展趋势从封装的发展可以看出，的封装形式取决于很多因素，如其用途和类别等，由于这些影响因素的存在，使得封装形成了自身独特的一面。随着封装技
28、术的飞速发展，它的应用将会更加广泛，封装形式也会更加复杂化和多样化。从总体上讲，器件封装将进一步微小型化，适用于各种复杂类型封装的特殊结构，机械和工艺，封装材料应适应高真空，强腐蚀介质，封装的方式逐步向集成化和低成本方向发展，充分借鉴和引用微电子封装技术和经验，向芯片规模封装，圆片级封装和三维封装方向发展。 测试技术的迅猛发展对其测试系统提出了很高的要求，器件除了电子系统外，还包含了非电子系统。对除了进行相关的电子学测试外，还应包括微机械结构和形貌测试，微机械力学与动态特性测试，微机械系统中热学特性测试，微机械光学特性测试等。因此，的测试要比集成电路测试更为复杂。测试系统对精密光学制造，高精度
29、的光电传感器，精密机械的加工，精细控制，微弱信号的变换与检测等提出了很高的要求。目前，测试技术的研究在国际上已引起了高度重视，针对不同的器件和应用目的，已经研制开发出一些有实用价值的测试仪器，如美国国家实验室研究的器件可靠性测试系统 ，麻省理工学院的教授领导研究的基于计算机视觉的测试系统 ，美国 大学研究中心研制的动态特性测试仪等；国外一些公司正在研制开发集成化的综合测试系统，如公司的系统， 公司的、公司的以及原子力显微镜（）对于生物作用力的测量等。 结束语目前，器件所采用的加工形式多种多样，传统的体硅加工工艺，表面牺牲层工艺，溶硅工艺，深槽刻蚀与键合工艺相结合，工艺，工艺，厚胶与电镀相结合的
30、金属牺牲层工艺，（金属空气）工艺，体硅工艺与表面牺牲层工艺相结合等。过去年在微电子领域开发的设备和工艺现正在和纳米技术的开发中扮演着一个主要角色。目前，微电子领域设备和技术与广泛采用光学光刻的多层多晶硅表面加工技术有关，然而，光学光刻的极限已经成为纳米技术所要求的纳米尺寸结构明显的制约。而领域将有利于一个宽范围的加工设备和工艺。基于射线光刻基础的工艺，对于器件中高深宽比的图形提供了很大的优势。用深层电镀结构在薄单晶硅层面提高强度。电子束光刻和聚焦离子束的粒了束设备在研究与开发应用范围也正在不断地增长。纳米技术这种形式的优势是其纳米尺寸分辩力的明显结果。但是电子束直写光刻在开发与研究中也属一种很
31、贵的设备，由于其无掩模技术的灵活性，提供了快速的元件从设计到样品的开发周期。聚焦离子束技术提供了独特的材料淀积和去除能力，不仅适用于修复和纳米器件，而且还适用于其它方法所无法实现的关键加工工序。参考文献：1. BINNIG Get al, Ultrahigh density atomic force microscopy data storage with erase capability【J】.Appl Phys Lett,1999 74(9):1329-13312. http:/ 李雯、谭智敏、紫外线厚胶光刻技术研究及应用【J】微纳电子技术，2003（7/8）：151-153.4. Ari
32、ef suriadi,Thomas luxbacher.Photolithography on Micromachined 3-d Surfaces using Spray Coating Technology of Photoresist【Proceedings 】SPIE 2001 4404:245-253.5.GUOH, LALA. Die-level Characterization of Silicon-Nitride Membrane/Silicon Structures using Resonant Ultrasionic Spectroscopy【J】.Microelectro
33、mech Syst, 2003 12:53-63.6. Davis C Q ,FREEMAN D M.Using a Light Microscope to Measure Motions with Nanometer Accuracy【J】.Optical Engineering,1998 ,37:1299-1304.7.REMBE C, MULLER R S.Measurement system for full three-dimensional motion characterization of MEMS【J】.Microelectromech Syst,2002,11:479-488.
