據麥姆斯咨詢報道，近期，來自南京理工大學的研究人員于《新型工業化》期刊發表綜述文章，總結了體微加工技術和表面微加工常用的MEMS加工工藝的原理、加工方法及應用，并基于目前的加工技術與應用現狀對MEMS加工工藝的未來發展進行了展望。
體微加工技術
體微加工技術：通過對硅襯底材料進行深硅刻蝕工藝，得到較大縱向尺寸的微機械結構。深硅刻蝕工藝為濕法刻蝕或干法刻蝕。該工藝的優點是獲得的結構幾何尺寸較大、機械性能較好。
（1）濕法刻蝕
濕法刻蝕憑借其工藝簡單、成本較低等優勢在加速度傳感器、壓力傳感器等器件中有著廣泛的應用。有研究人員利用四甲基氫氧化銨（TMAH）溶液濕法刻蝕實現了大尺寸晶圓微臺面結構的工程化制備，其工藝流程如圖1所示。首先，在硅片上下兩側同時生成二氧化硅（SiO2）介質掩膜層，通過光刻技術及SiO2刻蝕工藝，將掩膜層刻印出圖形，清洗去除光刻膠后，利用TMAH溶液進行濕法刻蝕制備出微臺面結構。
圖1 TMAH體硅腐蝕工藝制備硅微臺面結構工藝流程圖
在實際應用中，濕法刻蝕會出現刻蝕表面不平整等現象。為了優化刻蝕結果，研究人員多從刻蝕溶液入手，通過實驗改進溶液配方和刻蝕條件，如加入異丙醇等添加劑以改善硅腐蝕表面的平整度，控制刻蝕溫度，改進刻蝕溶液循環速率等手段，有效提高了微機械結構的機械性能。濕法刻蝕技術歷久彌新，未來仍有很大的發展空間，如利用負壓技術改變刻蝕環境氣壓等方式優化刻蝕效果，具有一定的研究價值。
（2）干法深刻蝕
干法深刻蝕具有以下特點：刻蝕速率較高，可以達到濕法刻蝕速率的2~15倍；具有大的深寬比，能夠穿透整個硅片；被刻蝕材料的晶向對刻蝕結構基本無影響，能夠刻蝕出任意形狀的垂直結構；被刻蝕材料與阻擋材料的刻蝕選擇比高，容易保護。
有研究人員基于電磁耦合等離子體對硅進行深反應離子刻蝕（DRIE），制備了一種新型的具有高靈敏度和高反應速度的電容式濕度傳感器，如圖2所示。傳感器的結構如圖3所示，首先在硅襯底上沉積氮化硅與下電極材料；用光刻技術刻制圖案；旋涂具有濕度敏感特性的聚酰亞胺薄膜并固化；在薄膜上沉積多孔鉻（Cr）膜形成上電極；最后通過DRIE進行微細加工，利用三氟甲烷（CHF3）/氧氣（O2）和六氟化硫（SF6）/O2兩組氣體先后通入以實現高深度刻蝕硅襯底，最終形成懸浮的氮化硅膜結構。
圖2 （a）傳感器圖像；（b）圖a中轉角區域的特寫視圖
圖3 濕度傳感器設計結構圖
干法深刻蝕技術也可以應用于納米生物技術領域，有研究人員利用DRIE技術加工出用于原子力顯微鏡（AFM）懸臂梁的納米針，如圖4所示，納米針可以將蛋白質、氨基酸等物質注射入活細胞中。實驗采用多晶金剛石薄膜作為襯底，利用四氟化碳（CF4）和O2混合氣體深刻蝕，通過改變偏置功率得到更加平滑的納米針。
圖4 金剛石納米探針的掃描電子顯微鏡圖像：（a）低偏置功率（100W）；（b）高偏置功率（200W）；（c）圖b的近景圖像
表面微加工技術
表面微加工技術通過在犧牲層薄膜上淀積結構層薄膜，再移除犧牲層釋放結構層，從而達到結構可動的目的，其主要步驟包括淀積薄膜、光刻圖形化、淀積犧牲層薄膜、犧牲層圖形化、淀積機械結構層薄膜、機械結構層圖形化、去除犧牲層（釋放結構）。
表面微加工技術已經在多種MEMS產品上得到了應用，有研究人員基于表面微加工工藝制作了一種新型的變形鏡驅動器，如圖5。變形鏡主要應用于各種自適應光學系統，在外加電壓控制下，變形鏡的鏡面可以產生形變以達到實驗目的。其主要加工工藝如圖6所示，首先將氮化硅材料的絕緣層沉積在硅襯底上；接著，沉積并刻蝕多晶硅作為驅動器的下電極；隨后沉積一層SiO2犧牲層，并刻蝕犧牲層構成上電極的定位點；接著，沉積并刻蝕多晶硅作為驅動器的上電極；最后，濕法刻蝕SiO2犧牲層，形成最終的結構，并進行烘干。
圖5 變形鏡驅動器實物照片
圖6 變形鏡驅動器加工流程圖
總體而言，目前，體微加工和表面微加工兩大MEMS加工技術有著各自特點和應用，在未來的研究中可嘗試通過改變其加工條件，如改變濕法刻蝕溶液的配比、改變刻蝕環境壓強等方式進一步探究優化MEMS器件性能的可行性，為MEMS發展指明方向。
論文鏈接：
http://dx.doi.org/10.19335/j.cnki.2095-6649.2022.7.017
