简单认识表面微机械加工技术

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文简单介绍了表面微机械加工工艺机理与流程。

相比传统体加工技术，表面微机械加工通过“牺牲层腐蚀”工艺，可构建更复杂的三维微结构，显著扩展设计空间。

早期受限于薄膜厚度，但近年通过替代光刻方法（如LIGA工艺）实现厚膜加工，突破精度限制，达到与传统光刻薄膜加工相当的精度水平，本文分述如下：

表面微机械加工技术制造工艺

牺牲层腐蚀与粘连控制

表面微机械加工技术制造工艺

表面微机械加工技术对微型化器件制造的革命性意义，今日与诸位分享该技术中至关重要的基础制造工艺及材料特性控制要点。

一、技术起源与材料体系演进

回溯至1967年，Nathanson团队首创“表面牺牲层腐蚀”技术，在独立式金属横梁谐振栅晶体管领域实现突破。经Howe和Muller等先驱优化，确立了以多晶硅为结构层、二氧化硅为牺牲层的经典材料体系。该体系完美兼容集成电路工艺，成为支撑MEMS产业化的基石。

当前主流材料组合包括：

结构层：多晶硅（主导）、氮化硅、金钛合金;

牺牲层：二氧化硅（含磷玻璃PSG加速腐蚀）、聚合铝;

腐蚀剂：氢氟酸（HF）溶液体系。

二、关键制造流程解析

典型工艺流程分4步走：

牺牲层图形化：采用LPCVD沉积二氧化硅牺牲层；光刻定义腐蚀窗口，形成阶梯覆盖结构；PSG材料可提升腐蚀速率至常规氧化物3倍以上。

结构层沉积：多晶硅通过LPCVD在600℃左右沉积；薄膜厚度精确控制（0.5-5μm级）；可选掺杂工艺调节电学性能。

牺牲层释放：HF溶液选择性腐蚀二氧化硅；关键控制点：腐蚀速率匹配、防止结构粘连。

后处理：包括超临界干燥防粘连技术。

三、薄膜应力工程控制

多晶硅薄膜的应力状态直接影响器件可靠性，需重点关注以下几点：

应力来源机制：沉积态薄膜呈现压应力（源自晶粒边界收缩）；退火处理（800-1100℃）可消除应力；应力梯度导致悬臂梁弯曲（典型值1-10μm/mm）。

测试表征方法：晶片曲率法，通过激光干涉仪测曲率半径；共振频率法，测量梁振动频率，反推弹性模量与残余应变；纳米压痕法，获取局部硬度与弹性模量分布。

应力调控手段：沉积温度调控，600℃以下产生张应力，以上转为压应力；掺杂工程，硼掺杂量影响应力状态；退火工艺优化，快速热处理（RTP）实现应力缓释。

四、机械性能保障技术

多晶硅展现优异力学性能，关键指标如下：断裂应变，未退火样品达1.72%（远超单晶硅0.7%屈服应变）；弹性模量，160-180GPa（与晶体取向相关）；疲劳寿命，经109次循环未失效（悬臂梁测试）。

五、典型测试结构创新

为精准评估薄膜性能，业界开发系列专用测试结构：微桥阵列，通过临界长度Lcr测量压应变；环形结构，测量拉应变及应力梯度；阈值电压法，利用pull-in电压反演泊松比。

牺牲层腐蚀与粘连控制

牺牲层腐蚀与粘连控制是表面微机械加工中的关键技术瓶颈。以下是核心机理与工程解决方案。

一、HF溶液中牺牲层腐蚀动力学建模

多晶硅/二氧化硅体系的湿法腐蚀是结构释放的核心步骤，其过程建模对工艺预测至关重要。D.J.Monk团队建立的七步反应模型揭示了腐蚀机理：

质量传输阶段：反应物（HF分子）通过本体溶液扩散至腐蚀窗口；在催化剂表面发生吸附。

表面反应阶段：质子层破坏Si-O键形成硅烷醇中间体；氟离子攻击硅烷醇生成SiF₄。

SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O

产物扩散阶段：腐蚀产物（H₂SiF₆）通过腐蚀沟道扩散转移。

工艺增强手段：磷掺杂玻璃，PSG牺牲层腐蚀速率提升3倍。

HCl添加剂在HF溶液中加入HCl可提升腐蚀速率20-30%。

二、结构粘连失效机理与解决方案

湿法腐蚀过程中的结构粘连是导致器件失效的主要风险，其机理与防控需重点关注。

粘连形成机制：毛细力吸附，溶液蒸发时表面张力将薄膜拉向衬底；范德华力，薄膜与衬底间距<10nm时产生显著吸引力；静电力，电荷积累导致薄膜吸附；化学键合，氢键或硅氧键形成导致永久粘连。

典型失效案例：薄膜厚度<2μm且长宽比>50时易发生屈曲失效；微桥结构在腐蚀后期因间隙液体滞留导致粘连。

工程解决方案：解决方案类别关键技术实施要点过程控制冷干燥环己胺替代水介质，-10℃凝结后升华临界点干燥超临界CO₂消除液体表面张力材料改性疏水涂层PFC自组装单分子层降低表面能表面粗糙化纳米压印形成抗粘结构（Ra>50nm）。

冷干燥技术

工艺流程：HF腐蚀→去离子水清洗→异丙醇置换→环己胺浸润→-10℃冷冻→氮气辅助升华

技术优势：实现2000:1长宽比微桥释放（间隙1μm）；干燥时间缩短至5-15分钟（传统方法需24小时）；无化学残留，适合生物兼容器件制备。

三、前沿技术展望

当前研究聚焦于以下几个方面。

原子层腐蚀（ALE）：实现纳米级精度控制

冰辅助干燥：结合冷冻电镜技术实现亚微米结构无损释放

自愈合牺牲层：开发可光解或热解的智能材料体系

理解这些机理与解决方案对提升良率、实现复杂三维结构制造的决定性作用。随着先进封装技术与异质集成需求增长，牺牲层腐蚀与粘连控制将持续成为微纳制造领域的研究热点。