文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文簡單介紹了表面微機械加工工藝機理與流程。

相比傳統(tǒng)體加工技術(shù)，表面微機械加工通過“犧牲層腐蝕”工藝，可構(gòu)建更復雜的三維微結(jié)構(gòu)，顯著擴展設計空間。

早期受限于薄膜厚度，但近年通過替代光刻方法（如LIGA工藝）實現(xiàn)厚膜加工，突破精度限制，達到與傳統(tǒng)光刻薄膜加工相當?shù)木人?，本文分述如下?

表面微機械加工技術(shù)制造工藝

犧牲層腐蝕與粘連控制

表面微機械加工技術(shù)制造工藝

表面微機械加工技術(shù)對微型化器件制造的革命性意義，今日與諸位分享該技術(shù)中至關重要的基礎制造工藝及材料特性控制要點。

一、技術(shù)起源與材料體系演進

回溯至1967年，Nathanson團隊首創(chuàng)“表面犧牲層腐蝕”技術(shù)，在獨立式金屬橫梁諧振柵晶體管領域?qū)崿F(xiàn)突破。經(jīng)Howe和Muller等先驅(qū)優(yōu)化，確立了以多晶硅為結(jié)構(gòu)層、二氧化硅為犧牲層的經(jīng)典材料體系。該體系完美兼容集成電路工藝，成為支撐MEMS產(chǎn)業(yè)化的基石。

當前主流材料組合包括：

結(jié)構(gòu)層：多晶硅（主導）、氮化硅、金鈦合金;

犧牲層：二氧化硅（含磷玻璃PSG加速腐蝕）、聚合鋁;

腐蝕劑：氫氟酸（HF）溶液體系。

二、關鍵制造流程解析

典型工藝流程分4步走：

犧牲層圖形化：采用LPCVD沉積二氧化硅犧牲層；光刻定義腐蝕窗口，形成階梯覆蓋結(jié)構(gòu)；PSG材料可提升腐蝕速率至常規(guī)氧化物3倍以上。

結(jié)構(gòu)層沉積：多晶硅通過LPCVD在600℃左右沉積；薄膜厚度精確控制（0.5-5μm級）；可選摻雜工藝調(diào)節(jié)電學性能。

犧牲層釋放：HF溶液選擇性腐蝕二氧化硅；關鍵控制點：腐蝕速率匹配、防止結(jié)構(gòu)粘連。

后處理：包括超臨界干燥防粘連技術(shù)。

三、薄膜應力工程控制

多晶硅薄膜的應力狀態(tài)直接影響器件可靠性，需重點關注以下幾點：

應力來源機制：沉積態(tài)薄膜呈現(xiàn)壓應力（源自晶粒邊界收縮）；退火處理（800-1100℃）可消除應力；應力梯度導致懸臂梁彎曲（典型值1-10μm/mm）。

測試表征方法：晶片曲率法，通過激光干涉儀測曲率半徑；共振頻率法，測量梁振動頻率，反推彈性模量與殘余應變；納米壓痕法，獲取局部硬度與彈性模量分布。

應力調(diào)控手段：沉積溫度調(diào)控，600℃以下產(chǎn)生張應力，以上轉(zhuǎn)為壓應力；摻雜工程，硼摻雜量影響應力狀態(tài)；退火工藝優(yōu)化，快速熱處理（RTP）實現(xiàn)應力緩釋。

四、機械性能保障技術(shù)

多晶硅展現(xiàn)優(yōu)異力學性能，關鍵指標如下：斷裂應變，未退火樣品達1.72%（遠超單晶硅0.7%屈服應變）；彈性模量，160-180GPa（與晶體取向相關）；疲勞壽命，經(jīng)109次循環(huán)未失效（懸臂梁測試）。

五、典型測試結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

為精準評估薄膜性能，業(yè)界開發(fā)系列專用測試結(jié)構(gòu)：微橋陣列，通過臨界長度Lcr測量壓應變；環(huán)形結(jié)構(gòu)，測量拉應變及應力梯度；閾值電壓法，利用pull-in電壓反演泊松比。

犧牲層腐蝕與粘連控制

犧牲層腐蝕與粘連控制是表面微機械加工中的關鍵技術(shù)瓶頸。以下是核心機理與工程解決方案。

一、HF溶液中犧牲層腐蝕動力學建模

多晶硅/二氧化硅體系的濕法腐蝕是結(jié)構(gòu)釋放的核心步驟，其過程建模對工藝預測至關重要。D.J.Monk團隊建立的七步反應模型揭示了腐蝕機理：

質(zhì)量傳輸階段：反應物（HF分子）通過本體溶液擴散至腐蝕窗口；在催化劑表面發(fā)生吸附。

表面反應階段：質(zhì)子層破壞Si-O鍵形成硅烷醇中間體；氟離子攻擊硅烷醇生成SiF?。

SiO? + 6HF → H?SiF? + 2H?O

產(chǎn)物擴散階段：腐蝕產(chǎn)物（H?SiF?）通過腐蝕溝道擴散轉(zhuǎn)移。

工藝增強手段：磷摻雜玻璃，PSG犧牲層腐蝕速率提升3倍。

HCl添加劑在HF溶液中加入HCl可提升腐蝕速率20-30%。

二、結(jié)構(gòu)粘連失效機理與解決方案

濕法腐蝕過程中的結(jié)構(gòu)粘連是導致器件失效的主要風險，其機理與防控需重點關注。

粘連形成機制：毛細力吸附，溶液蒸發(fā)時表面張力將薄膜拉向襯底；范德華力，薄膜與襯底間距<10nm時產(chǎn)生顯著吸引力；靜電力，電荷積累導致薄膜吸附；化學鍵合，氫鍵或硅氧鍵形成導致永久粘連。

典型失效案例：薄膜厚度<2μm且長寬比>50時易發(fā)生屈曲失效；微橋結(jié)構(gòu)在腐蝕后期因間隙液體滯留導致粘連。

工程解決方案：解決方案類別關鍵技術(shù)實施要點過程控制冷干燥環(huán)己胺替代水介質(zhì)，-10℃凝結(jié)后升華臨界點干燥超臨界CO?消除液體表面張力材料改性疏水涂層PFC自組裝單分子層降低表面能表面粗糙化納米壓印形成抗粘結(jié)構(gòu)（Ra>50nm）。

冷干燥技術(shù)

工藝流程：HF腐蝕→去離子水清洗→異丙醇置換→環(huán)己胺浸潤→-10℃冷凍→氮氣輔助升華

技術(shù)優(yōu)勢：實現(xiàn)2000:1長寬比微橋釋放（間隙1μm）；干燥時間縮短至5-15分鐘（傳統(tǒng)方法需24小時）；無化學殘留，適合生物兼容器件制備。

三、前沿技術(shù)展望

當前研究聚焦于以下幾個方面。

原子層腐蝕（ALE）：實現(xiàn)納米級精度控制

冰輔助干燥：結(jié)合冷凍電鏡技術(shù)實現(xiàn)亞微米結(jié)構(gòu)無損釋放

自愈合犧牲層：開發(fā)可光解或熱解的智能材料體系

理解這些機理與解決方案對提升良率、實現(xiàn)復雜三維結(jié)構(gòu)制造的決定性作用。隨著先進封裝技術(shù)與異質(zhì)集成需求增長，犧牲層腐蝕與粘連控制將持續(xù)成為微納制造領域的研究熱點。