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微加工工艺技术始终是MEMS发展中基础性和先导性兼具的研究工作,为MEMS的发展提供支撑。作为已经成为MEMS主流的硅工艺,键合工艺(BondingTechnology)和硅深刻蚀技术(ICP)的发展推动了MEMS体硅工艺研究向高深宽比三维立体方向发展。北京大学微电子研究院国家微米/纳米加工重点实验室,开发出了硅/玻璃阳极键合、硅深刻蚀的体硅标准工艺,但在键合深刻蚀工艺中的键合强度定量测试与分析,刻蚀质量的控制与监测(主要包括硅深刻蚀中出现的Footing效应与Lag效应的研究),结构设计规则的研究与验证,体硅新工艺平台的研究开发与扩展以及器件验证方面的问题,仍没有完全解决。本论文工作针对键合深刻蚀体硅MEMS工艺的标准化研究,提出了相应的测试结构,深入地研究了关键工艺,提出了改善工艺质量的措施,完善了设计规则,提高了产品的成品率和可靠性,最后基于目前的标准工艺提出了一套新的体硅工艺,并进行了器件验证。
论文研究是对体硅MEMS加工技术开展了以下的创新性工作:
1.对适用于多种MEMS器件的体硅标准工艺在线检测方法的研究
这部分内容主要围绕微结构键合强度的检测和结论分析。创新性的提出了一种基于键合工艺的检测方法,对键合面积在微米量级的结构进行了力学分析,将微结构键合强度的抗扭转和抗压特性进行理论分析和全面的定量检测、实验研究,结合键合断裂情况进行测试结果分析,得出了相应的实验参数曲线,并得出了20X20平方微米、40X40平方微米,这两个键合设计关键点,为今后使用简单测试手段提取和验证设计参数提供了方法(目前主要是以硅-玻璃阳极键合的结构为例,进行参数提取,该方法可以扩展用于实际其它多种键合的强度的评价),实测键合强度曲线为的MEMS设计提供了定量设计依据。
2.关键工艺的研究
针对目前键合深刻蚀释放工艺中存在问题,综合考虑设计灵活性和工艺加工成品率,提出刻蚀过程中的使用SiO2层作为微结构释放工艺的保护,有效地防止过刻蚀后结构钻蚀问题,提出一系列改进工艺,并进行了实际器件的工艺验证,取得了相应的工艺对比结果。
3.新工艺的提出优化与器件验证
基于目前使用的键合深刻蚀释放工艺,提出了一套新的体硅标准工艺流程,该工艺易于控制过刻蚀停止点,所以过蚀的情况较弱,为了彻底为防止Footing与Lag效应又将工艺中加入使用SiO2刻蚀保护层改进了新体硅工艺,并用实际器件加工实例验证新工艺和改进的可行性。