MEMS加工工艺简介

MEMS工艺加工精度高，并且能实现三维立体加工，使设计不局限于平面。毫米波、太赫兹等频段的天线，随着频率的提高，对加工精度的要求越来越高，而传统的机械加工面临着缝隙尺寸控制、变形控制、毛刺清理、组装精度保证、焊接精度和变形程度保证等多种技术难题，传统工艺的高难度限制了通过天线结构灵活设计使天线获得最佳工作特性的能力。MEMS工艺的出现使天线设计在一定程度上突破了传统加工工艺的限制。

MEMS微细加工技术是在微电子集成电路工艺的基础上发展起来的。由于微电子工艺是平面工艺，在加工MEMS三维结构方面有一定难度，因此为了实现高深宽比的三维微细加工，通过多学科的交叉渗透，已研究开发出了像LIGA、激光加工等方法。此外，要构成MEMS的各种特殊结构，必须利用一系列的特殊工艺技术，主要包括：体微加工技术、表面微机械加工工艺、LIGA工艺、光刻工艺、三维非硅微加工技术等。

1.体微加工技术

硅的体微加工技术是指通过刻蚀等去除部分基体或者衬底材料，从而得到所需元件的立体构型的一种加工方法。硅的体微加工技术是为制造微三维结构而发展起来的，在MEMS中广泛用于刻蚀光纤对准用的V型槽、深腔、硅弹簧以及悬臂梁等结构。硅体加工技术包括去除加工（刻蚀）、附着加工（镀膜、膜生长）、改质加工（掺杂）和结合加工（键合）四种。

2.表面微机械加工工艺

表面微机械加工工艺不同于硅的体微加工工艺，不对基片本身进行加工，而是以硅片等材料为基体，通过淀积牺牲层和结构层来制作三维机械结构。其间的结构部分由淀积的结构层薄膜加工而成，在结构层与基体之间淀积一层牺牲层，其作用是支撑结构层并形成所需结构的空腔尺寸，在微结构被加工成特定形状后，再将牺牲层刻蚀掉，就得到了自由的微结构层。表面微加工的主要工艺是湿法刻蚀、干法刻蚀和薄膜淀积。牺牲层的刻蚀是表面加工的基础。

3.LIGA工艺

LIGA一词来源于德文缩写，LI（Lithographie即深度X射线刻蚀）、G（Galvanoformung即电铸成型）、A（Abformung即塑料铸膜）。它是深度X射线光刻、微电铸成型和塑料铸模等技术的完美结合。

它最初的目的是批量生产微型机械部件，目前被用来进行三维立体微细加工。这种技术的特点是：

1）可制造有较大深宽比（高达100）的微结构。

2）取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等。

3）可以制作任意复杂的图形结构，精度高。

4）需要昂贵的同步辐射X射线源，而且掩膜制作工艺复杂，因此目前难以推广。

为了克服LIGA的缺点，人们开发了各种准LIGA技术，其中有代表性的是借用常规的紫外光刻设备和掩膜板进行的厚光刻胶光刻技术。利用这种办法虽不能达到LIGA工艺的水平，但能满足MEMS制作中的许多要求。

4.光刻工艺

光刻（Photolithography）也称照相印刷术，它源于微电子的集成电路制造，光刻在MEMS技术中的作用和在IC制作中一样重要，其原理是：在硅等基体材料上涂敷光刻胶；然后利用极限分辨率极高的能量束通过掩膜对光刻胶进行曝光；经显影后，在光刻胶层上获得与掩膜图形相同或者相反的极微细的几何图形。光刻之后一般是利用刻蚀方法在工件材料上制造出微型结构。

5.三维非硅微加工技术

三维非硅微加工技术主要适合于毫米波频段的天线器件加工。毫米波天线辐射元对传统加工技术的挑战主要表现为对加工精度的要求超出了传统精密机械加工的能力，因此微细加工技术越来越多地受到重视。对于传统的精密机械加工方法，毫米波天线加工的难题主要在于加工尺寸精度控制，而对于微加工工艺来说，单纯考虑加工尺寸精度并不会有很大困难，因为即使是1 μm的线宽在常规的集成电路制造中也已经很容易做到，何况目前只是要求线宽的控制精度达到1～2 μm；但是天线加工存在难度，主要体现在材料的多样性和目标结构的特殊性两个方面。(www.xing528.com)

半导体工艺主要面向硅基薄膜材料的集成制造需求而建立，很难适应天线结构以金属和介质为主的特点。毫米波天线通常使用低介电常数的微波介质材料作为衬底，这种材料的各种参数与一般微加工所采用的硅、玻璃和陶瓷等材料相比，远远不能适应高精度微细加工的技术要求；另外，组合天线设计往往需要多种材料以独特的三维造型构成辐射体，这同样限制了加工精度的提高。

三维非硅微加工技术的出现和发展提供了超薄天线高精度集成制造的崭新技术途径。针对毫米波天线加工在材料种类、结构形式和组合方式等方面的特殊性，需要开展针对性研究，以便充分发挥三维非硅微加工的技术优势，促进天线辐射元总体性能提升。三维非硅加工技术主要包括通用性图形化微加工工艺和大悬空高度牺牲层技术。

6.其他MEMS加工工艺

除了上述加工工艺外，还有许多其他微三维结构的加工方法，如微细电火花加工、蒸镀、化学气相沉积（CVD）、微细超精密机械加工、离子束、电子束、立体光刻、等离子体加工、超声波加工、激光加工、外延、氧化、溅射、旋压工艺、化学机械抛光、溶胶凝胶法（Sol-Gel）、电镀和铸模、深层刻蚀/微电铸/微复制（DEM）、超临界干燥、自组装分子层、SU-8光刻胶、光敏玻璃、电化学制造（EFAB）等。这些技术都是根据微结构的具体需要而发展起来的，各有其特点。

7.MEMS工艺与其他工艺的对比

（1）MEMS工艺与IC工艺的对比（硅加工）

在硅加工工艺方面，MEMS工艺与IC工艺的主要区别在于：IC工艺以实现电性能为主要目标，MEMS工艺需同时考虑机电性能的实现；二者在具体工艺选用上的区别如表12-6所示。

表12-6　MEMS工艺与IC工艺的对比

（2）MEMS工艺与机械加工工艺的对比（非硅加工）

在非硅加工工艺方面，相对于传统的机械加工工艺，MEMS工艺主要在加工精度、微细加工、立体加工方面更有优势，尤其适合于微小型天线、毫米波/太赫兹频段天线的加工。传统的机械加工在高频段天线加工精度保证方面面临一定困难，而MEMS工艺在一定程度上突破了传统加工工艺的限制，更易于保证高频段天线的加工精度达到亚波长量级。

8.面向天线加工的MEMS工艺选择

面向微小型、高频段（毫米波/太赫兹）天线的加工需求，MEMS技术工艺为保证加工精度提供了选择优势，特别是通用性非硅薄膜材料微细加工工艺，基本克服了多种非硅材料集成制造的关键技术难题，使面向复杂结构设计的微天线集成制造成为可能。在面向不同加工厚度或多层叠加加工时，MEMS工艺的选择规范如下：

1）对于厚度小于0.2 μm的薄层微结构，可以采用LIFT-OFF工艺或者掩膜电镀工艺以确保1～2 μm加工精度。

2）对于几个微米厚的微结构层，最好选择掩膜电镀工艺加工。当掩膜电镀无法实现时，优先选择通用性加工流程以确保加工精度。

3）对于厚度大于数十微米的较厚结构层，光刻直接成型和通用性加工工艺就是必然选择。即使这样，要求1～2 μm加工精度的保证也是比较困难的。

4）多层叠加的技术路线可以为更厚微结构加工精度的提高提供可行的技术途径，但又对光刻的设备和技巧提出了更高要求。