第四课思考题.docVIP

第4章 习题及参考答案 1.MEMS制造工艺有哪两类主要技术？叙述各类技术的主要内容。 MEMS的制造技术主要包括两类技术：体微加工和表面微加工。这两类加工技术的基本材料都用硅，而加工工艺的基础都是集成电路制造技术。 硅的体微加工技术主要有光刻掩膜技术，硅刻蚀自终止技术，及湿法和干法技术。其中硅的各向异性刻蚀和刻蚀自终止技术是体微加工的两大支柱技术。 表面微加工技术，来自金属膜的概念。在硅腐蚀的基础上，采用不同薄膜淀积腐蚀方法，在硅片表面形成不同形状的层状微结构。它的特点是能够加工三维尺寸的微器件，而且所用的材料（如多晶硅，二氧化硅，氮化硅，磷硅玻璃等材料）和加工方法（如光刻、电镀、溅射等微加工方法(如光刻、电镀、溅射等微加工方法)与集成电路的制作有较好的兼容性，但该技术只能对硅材料进行微加工，从而使得微加工材料受到严格的限制。 2. 叙述硅刻蚀的湿法技术的主要工艺流程。各向同性刻蚀的特点是什么？各向异性刻蚀的机理是什么？。 硅刻蚀的湿法技术是将被腐蚀材料先氧化，然后由化学反应使其生成一种或多种氧化物再溶解。在同一腐蚀液中，由于混有各种试剂，所以上述两个过程是同时进行的。这种氧化物化学反应要求有阳极和阴极，而刻蚀过程中没有外接电压，所以硅表面上的点便作为随机分布的局部区域的阳极与阴极。由于这些局部区域化电解电池的作用，硅表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流，一般超过100A/cm2。每个局部区域（大于原子尺度）在一段时间内既起阳极作用又起阴极作用。如果起阴、阳两极作用的时间大致相等，就会形成均匀腐蚀。反之，若两者的时间相差很大，则会出现有选择性的腐蚀。同时，硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液所含的杂质、腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附过程等因素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大的影响。 单晶硅各个方向上的腐蚀速率是均匀的称为各向同性刻蚀，同性腐蚀最常用的腐蚀液为HF-HNO3加水或者乙酸系统(通常称为HNA系统)。HNA系统中，其腐蚀机理：硝酸硅发生氧化反应生成二氧化硅然后由HF将二氧化硅溶解，其反应式为 Si+HNO3+HF=H2SiF6+HNO2+H2O+H2 硅体的各向异性腐蚀机理为在有些溶液中单晶硅的腐蚀速率取决于晶体取向，即在某种晶体取向上硅的腐蚀速率非常快，而在其他方向上腐蚀速率又非常慢。基于硅的这种腐蚀特性，可在硅基片上加工出各种各样的微结构。 3．叙述硅刻蚀的干法技术主要工艺流程。 干法刻蚀的过程可分为以下几个步骤： (1) 腐蚀性气体粒子的产生；（2）粒子向衬底的传输；（3）衬底表面的腐蚀；（4）腐蚀反映物的排除。 4.什么是物理腐蚀技术及物理和化学腐蚀过程相结合？ 物理腐蚀方法中，利用放电时所产生的高能（≥500eV）惰性气体离子（如Ar+）对材料进行物理轰击，即气体放电把能量提供给轰击粒子，轰击粒子以高速运动与衬底相碰撞。这时，能量通过弹性碰撞传递给衬底原子，当这能量超过结合能时就能撞出衬底原子。 物理和化学腐蚀过程相结合，由于化学腐蚀所具有的高选择性和物理腐蚀所具有的各向异性，目前主要是将这两种方法组合起来使用。它既可以获得纯化学方法所具有的特点，也可以获得纯物理方法所具有的特点。比如腐蚀速率，在相同时间采用化学腐蚀和物理腐蚀的组合，既可以超过纯化学腐蚀的腐蚀速度，又可以超过纯物理腐蚀的腐蚀速度。通过不同的腐蚀性粒子（反应中性气体、反应游离基、反应离子）和不同的途径，来实现物理的粒子撞击，可以产生多种组合腐蚀过程。 5.简要叙述电化学自停止腐蚀技术。 电化学自停止腐蚀技术不需要重掺杂层，由于用了外延技术，因此腐蚀自停止层可以做得较厚。另外由于掺杂浓度不高，可以在自停止层中来做一些电子器件。在电化学腐蚀过程中，工作电压施加在硅片和放在溶液中的Pt电极之间。其腐蚀机理类似于化学腐蚀，加在硅片表面的正电压使硅片氧化，在这种条件下，硅片表面的氧化迅速进行，而氧化物不溶解于腐蚀液。空穴传输到负的Pt电极，H+离子以氢气气泡形式被释放。 另外，由于光的激发，在硅的表面产生过剩的空穴一电子对，从而引起腐蚀速率增加。 6.LIGA体微加工技术的组成部分是什么？及其主要工艺流程。 LIGA体微加工技术由四个工艺组成部分：LIGA掩模板制造工艺；X光深层光刻工艺；微电铸工艺；微复制工艺。 7.什么是微电铸工艺？微电铸工艺的难点是什么？如何解决？ 微电铸的原理是在电压的作用下，阳极的金属失去电子，变成金属离子进入电铸液，金属离子在阴极获得电子，沉积在阴极上。当阴极的金属表面有一层光刻胶图形时，金属只能沉积到光刻胶的空隙中，形成与光刻胶相对应的金属微结构。 微电铸工艺技术难点之一，是对高深宽比的深孔、深槽进行微电铸。由于电镀液的表面张力，电镀液很难进入深孔、深槽；同时在深孔、深槽中消耗掉的金属离子不能很