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MEMS犧牲層去除技術(shù)詳解
點擊量：3470 日期：2025-07-21 編輯：硅時代
在MEMS器件的制造流程中，犧牲層去除工藝始終是決定器件良率與可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這一過程的核心挑戰(zhàn)在于：如何在釋放可動微結(jié)構(gòu)的同時，避免因機(jī)械應(yīng)力、毛細(xì)作用力或化學(xué)殘留導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)坍塌或粘連。本文將結(jié)合工藝原理、材料特性與典型應(yīng)用案例，系統(tǒng)剖析犧牲層去除技術(shù)。
一、濕法腐蝕是如何成為剛性結(jié)構(gòu)經(jīng)典解決方案的？
對于早期MEMS器件中常見的剛性結(jié)構(gòu)（如多晶硅懸臂梁、梳齒驅(qū)動器等），濕法化學(xué)腐蝕憑借其工藝成熟度和成本優(yōu)勢長期占據(jù)主導(dǎo)地位。以緩沖氫氟酸（BHF）腐蝕為例，其反應(yīng)機(jī)理基于HF與二氧化硅犧牲層的化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)在常溫下即可進(jìn)行，且通過添加氟化銨（NH?F）可穩(wěn)定HF濃度，實現(xiàn)各向同性腐蝕的精確控制。實驗數(shù)據(jù)顯示，在優(yōu)化的過腐蝕工藝條件下（通常為理論腐蝕時間的30%-50%），BHF可徹底釋放長度達(dá)數(shù)百微米的多晶硅結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)變形量可控制在亞微米級別。
典型工藝流程包含三個關(guān)鍵步驟：
化學(xué)腐蝕：將晶圓浸入BHF溶液中，通過時間控制實現(xiàn)犧牲層的選擇性去除；
漂洗處理：采用級聯(lián)去離子水沖洗（通?！?次）以稀釋殘留化學(xué)試劑；
干燥處理：通過離心甩干或氮氣吹掃去除表面水分。
對于長徑比低于5:1的剛性結(jié)構(gòu)，該工藝的良率可達(dá)95%以上。然而，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)入亞毫米級且長徑比超過10:1時，濕法工藝的局限性逐漸顯現(xiàn)——表面張力引發(fā)的毛細(xì)作用力可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)吸附，而范德華力則可能引發(fā)層間粘連。
二、脆弱結(jié)構(gòu)的保護(hù)策略
針對柔性薄膜、懸空橋接結(jié)構(gòu)等易碎體系，工藝工程師開發(fā)了多重防護(hù)機(jī)制：
1. 臨界點干燥技術(shù)
通過超臨界二氧化碳（scCO?）替代液態(tài)溶劑，徹底消除液氣相變過程中的表面張力。實驗表明，在31.1°C、7.38MPa條件下，scCO?的表面張力趨近于零，可實現(xiàn)無應(yīng)力干燥。該技術(shù)已成功應(yīng)用于直徑5μm以下的碳納米管陣列釋放，結(jié)構(gòu)破損率從傳統(tǒng)方法的32%降至2%以下。
2. 低表面能涂層
聚四氟乙烯（PTFE）類自組裝單分子層（SAMs）可通過化學(xué)氣相沉積（CVD）在結(jié)構(gòu)表面形成納米級保護(hù)層。測試數(shù)據(jù)顯示，接觸角從原始硅表面的67°提升至112°，顯著降低粘附概率。某加速度計制造案例中，引入SAMs后器件啟停耐久性從10?次提升至10?次。
3. 冷凍干燥工藝
將晶圓快速冷卻至溶劑冰點以下，通過升華過程直接去除固態(tài)溶劑。該技術(shù)特別適用于含生物兼容性材料（如PDMS）的器件，但需解決冰晶生長可能引發(fā)的機(jī)械損傷問題。
三、干法刻蝕成為突破濕法局限的新范式
隨著器件復(fù)雜度提升，干法刻蝕技術(shù)因其無液體接觸、高選擇性等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注。其技術(shù)路線可劃分為兩大陣營：
1. 蒸氣相腐蝕技術(shù)
以HF蒸氣為代表的各向同性刻蝕體系，通過氣相反應(yīng)實現(xiàn)犧牲層去除：
SiO2+4HF(g)→SiF4(g)+2H2O(g)
該反應(yīng)在15-40°C即可進(jìn)行，且對鋁、二氧化硅等材料的選擇比超過1000:1。某射頻MEMS開關(guān)案例顯示，采用HF蒸氣釋放后，器件插入損耗從濕法工藝的0.8dB降至0.3dB，歸因于更潔凈的界面狀態(tài)。
更先進(jìn)的二氟化氙（XeF?）蒸氣刻蝕則展現(xiàn)出對硅的選擇性優(yōu)勢。其反應(yīng)機(jī)理為：
Si+2XeF2→SiF4+2Xe
該過程在常壓下即可進(jìn)行，且對氮化硅、光刻膠等材料無腐蝕，特別適用于金屬-多晶硅復(fù)合結(jié)構(gòu)的釋放。某壓力傳感器陣列制造中，XeF?工藝使器件產(chǎn)量從65%提升至92%。
2. 等離子體刻蝕技術(shù)
六氟化硫（SF?）等離子體在射頻激勵下產(chǎn)生高活性氟自由基，可實現(xiàn)各向異性刻蝕：
Si+4F?→SiF4(g)
通過調(diào)整反應(yīng)室壓力（10-100mTorr）和偏置電壓，可控制刻蝕速率（通常為0.5-2μm/min）與側(cè)壁粗糙度（Ra<5nm）。該技術(shù)已成功應(yīng)用于深寬比20:1的硅通孔（TSV）釋放，但需注意等離子體誘導(dǎo)損傷對CMOS電路的影響。
四、混合工藝成為復(fù)雜系統(tǒng)的集成方案
案例1：生物醫(yī)療植入器件
某神經(jīng)探針采用三層結(jié)構(gòu)（氮化硅絕緣層/多晶硅電極/二氧化硅犧牲層），其釋放流程為：
XeF?蒸氣預(yù)刻蝕去除80%犧牲層；
低溫氧等離子體（<100°C）清除殘留有機(jī)物；
scCO?干燥防止生物相容性涂層脫落。
該工藝使器件在PBS溶液中的長期穩(wěn)定性從傳統(tǒng)方法的3個月延長至12個月。
案例2：光學(xué)MEMS鏡面
直徑500μm的鋁反射鏡陣列制造中，采用：
反應(yīng)離子刻蝕（RIE）定義圖形；
HF蒸氣釋放多晶硅鉸鏈；
原子層沉積（ALD）封裝氧化鋁保護(hù)層。
最終實現(xiàn)鏡面平整度λ/20（@632.8nm）的優(yōu)異性能。
公安備案號：蘇公網(wǎng)安備32059002006658號
微特云辦公系統(tǒng) 微納制造 MEMS設(shè)計
