论文部分内容阅读
上世纪80年代以来,硅(Si)基微机电系统(MEMS)的研究在全球迅猛发展,各种MEMS器件在日常生活、化工生产和航空航天等方面得到了广泛应用。但在高温高压和腐蚀性环境下,传统Si基器件由于材料本身的限制,面临着很大挑战。而碳化硅(SiC)材料有着优异的物理化学性能,有望应用于上述恶劣环境中。在SiC材料的分支中,低温SiC的电学性能和力学性能虽然不及高温SiC材料,但它保留了很好的化学稳定性,同时,还具有很好的与现有微加工工艺的兼容性。因此,低温SiC的研究对于MEMS的发展具有重要意义。 本论文以PECVD低温制备SiC薄膜材料为主线,对其工艺和应用两方面进行了深入系统的研究,包括确定PECVD制备参数和应力调控方法、开发SiC静电键合工艺、成套的SiC掩膜光刻工艺,以及PECVD SiC MEMS体加工工艺等,进而得到纳米SiC悬浮薄膜和抗腐蚀的以SiC为感应薄膜的电容式压力传感器。 论文的主要工作包括以下几个方面: 首先,确定PECVD制备低温SiC薄膜材料的工艺参数,并优化退火工艺,实现对SiC薄膜的应力调控,得到具有良好的机械性能、化学稳定性和工艺兼容性的SiC薄膜后,提出SiC悬浮薄膜的加工工艺,制备出有纳米孔的SiC悬浮薄膜,拓展SiC在生物医学等方面的应用; 其次,利用SiC悬浮薄膜工艺,制备SiC掩膜版,开发出成套的SiC掩膜光刻技术,包括利用掩膜版进行材料淀积、刻蚀(图形化精度达3μm)和多次掩膜光刻的对准工艺(对准精度达5μm);并进一步将此技术应用到黑硅光电池的图形化电极加工中; 然后,开发以SiC为介质的静电键合工艺,包括键合基本原理的研究,即界面处SiC的氧化,促成了稳定的化学键合,其键合强度随SiC介质层的厚度增加而下降,气密性与传统硅玻璃键合可比拟,还分析了静电键合过程中气体的产生,从实验上测算了单位面积产生的气体量,并与理论值吻合较好,并进一步考察了键合工艺对薄膜机械性能(主要是应力和应力梯度)的影响; 最后,基于SiC键合工艺,开发了一套PECVD SiC MEMS体加工工艺,并设计、制备以SiC为感应薄膜的抗腐蚀的电容式压力传感器,对器件进行了全面的测试、优化、封装,并从实验上证实该器件可应用于腐蚀性环境中。 综上所述,本论文对PECVD制备的低温SiC开展了全面系统的研究,总结规范了PECVD SiC薄膜制备和应力调控流程;开发了成套的SiC掩膜光刻工艺,其中单步图形化工艺精度为3μm,对准精度达5μm;考察了SiC静电键合工艺,考察了氧离子定向漂移与键合界面氧化层和残余气体产生的关系,有助于静电键合理论的进一步完善;创新性的开发了PECVD SiC MEMS体加工工艺,制备了抗腐蚀的电容式压力传感器,对于感应薄膜大小为200μm×200μm的器件,灵敏度约为0.1 pF/bar。