詳解微機械中的各向異性刻蝕技術(shù)

引言

單晶硅， 作為IC、LSI的電子材料， 用于微小機械部件的材料，也就是說，作為結(jié)構(gòu)材料的新用途已經(jīng)開發(fā)出來了。其理由是， 除了單晶SI或機械性強之外，還在于通過利用僅可用于單晶的晶體取向的各向異性烯酸，精密地加工出微細的立體形狀。以各向異性烯酸為契機的半導(dǎo)體加工技術(shù)的發(fā)展，在晶圓上形成微細的機械結(jié)構(gòu)體，進而機械地驅(qū)動該結(jié)構(gòu)體，在20世紀70年代后半期的Stanford大學(xué)，IBM公司等的研究中，這些技術(shù)的總稱被使用為微機械。在本稿中，關(guān)于在微機械中占據(jù)重要位置的各向異性烯酸技術(shù)，在敘述其研究動向和加工例子的同時，還談到了未來微機械的發(fā)展方向。

實驗

作為用于化學(xué)各向異性蝕刻的蝕刻劑，已知有KOH水溶液、乙烯胺水溶液等1}。當使用這些進行蝕刻時，具有輪胎蒙特晶體結(jié)構(gòu)的硅的（111）的蝕刻率與其他晶面的蝕刻率相比顯示出極小的值。例如，在40℃下對40%KOH水溶液的所有方向的蝕刻率進行測量的結(jié)果如圖1所示2）。用等高線表示布。全方位中表示蝕刻速率的最大值的是（110），表示最小值的是（111）。兩者的蝕刻速率的比約達到1801.另一方面，S1的氧化膜（S102），氮化膜（S13N4），另外摻雜了大量雜質(zhì)的S1的蝕刻速率與S1相比也非常小。利用這樣的性質(zhì)，可以制作各種各樣的立體形狀。

圖2是對（110）晶圓進行深溝加工后的截面照片。在該加工中，在晶圓表面形成S1O2膜作為掩膜，在<112>方向設(shè)置細長條狀開口進行蝕刻。由于與深溝的側(cè)面{111}一致，所以位點蝕刻的進行極其緩慢，可以進行如圖所示的深溝加工。

圖2(110)晶片的深槽加工

圖3(100)晶片上的懸臂梁振子

懸臂梁型振動器。懸臂梁的尖端部具有大面積的質(zhì)量，具有由細梁支撐的結(jié)構(gòu)。由于形成梁側(cè)面的斜面與{111}一致，所以梁部的側(cè)面蝕刻非常少，可以高精度地加工寬度較窄的梁部。根據(jù)本加工法，如上所示，可以進行各向同性蝕刻無法完成的形狀的加工，以及干法蝕刻無法完成的達到數(shù)百μm的深度加工。

硅的各向異性蝕刻現(xiàn)在廣泛使用的是壓力傳感器領(lǐng)域。（100）如果從晶圓的一面實施各向異性蝕刻，如圖4所示，可以形成尺寸精度高的膜片。將膜片作為受壓面，檢測其變形，可以特定壓力的大小。隨著加工工藝技術(shù)的進步，膜片的小型化，以及與增幅回路的一體化、集成化正在發(fā)展，最近還試制了作為導(dǎo)管進入體內(nèi)的大?。?×0.6×5mm）的內(nèi)置回路的血壓傳感器3）

圖4膜片的形成

圖5是細胞融合用微室5的放大照片。在直徑76mm的Si晶圓上，配置了約2000個收納細胞的室。為了捕捉與水一起運送的粒徑20～60μm的植物細胞，在室的底部設(shè)置了寬度為10μm的貫通扒手。室的空間及狹縫分別從晶圓的正面和背面用各向異性蝕刻進行了加工在包括微腔在內(nèi)的上述各應(yīng)用例中，情況較好都是由晶面構(gòu)成的蝕刻輪廓發(fā)揮在產(chǎn)品形狀 ±o另外，所有加工對象都對規(guī)則形狀的排列要 求精度。環(huán)形印刷技術(shù)最擅長的地方圖案的排列 精度的良好性得到了充分的發(fā)揮。這樣的加工特 性單晶Si的屈服強度比鋼高，因此可以充分利用其 彈性變形在晶片上形成運動部件.

圖5細胞融合用微腔

圖6是為激光磁 盤裝置開發(fā)的激光束掃描鏡 .反射鏡和支撐該 反射鏡的扭桿使輪廓線呈各向異性反射鏡通過在 與背面接近的電極之間施加交流電壓而被靜電激 勵，在共振點附近產(chǎn)生約2。的角度位移.另外，開 發(fā)了與圖3同種的使用懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感 器7 .在晶片面上沿垂直方向施加加速度后，反射 鏡會膨脹可以使用設(shè)置在懸臂梁根部的應(yīng)變片檢 測加速度。另一方面，筆者等人發(fā)現(xiàn)圖3的懸臂 梁振子因靜電力而振動的結(jié)果是，由于氣氛氣體 的衰減作用，共振點附近的懸臂梁的振動狀態(tài)發(fā) 生變化，可以應(yīng)用該原理測量真空壓力。

圖6激光掃描用扭轉(zhuǎn)鏡

圖7顯示了形成SiO2懸臂梁的過程。除去面方位為（100）的Si晶圓表面上形成的氧化膜中相當于梁輪廓的部分后，用KOH水溶液對露出的Si面進行蝕刻，如圖所示進行加工，在{111}或雜質(zhì)摻雜層中停止蝕刻。

圖8 SiO2杠桿式開關(guān)

利用這樣形成的薄膜懸臂梁的共振，制作超聲波傳感器，振動傳感器等，并且如圖8所示，Sio2懸臂梁的尖端，還試制了以端為接點的杠桿式開關(guān)9）。開關(guān)動作是通過在梁及與梁相對的孔底之間加載電壓，使梁靜電彎曲來進行的。

結(jié)果和討論

Si的各向異性蝕刻技術(shù)與光刻，薄膜形成等技術(shù)相結(jié)合，成為在晶圓上實現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)體的有力手段。從精密加工的觀點來看，研究的進展是值得期待的。此外，為了將至今為止以平面上加工為前提的半導(dǎo)體加工技術(shù)展開到立體形狀的微機械加工，在蝕刻以外的光刻工藝，曝光工藝等方面，也需要開發(fā)新的技術(shù)。此外，微細部件的接合，組裝等技術(shù)今后也將變得重要。

總結(jié)

在微機械技術(shù)的發(fā)展中， 在傳感器、生物技術(shù)、醫(yī)療、信息機器等各領(lǐng)域被寄予了很大的期待。由于微處理器在汽車、家電產(chǎn)品中也被廣泛使用，因此，測量各種物理量的微小傳感器與LSI一樣被大量供給被強烈期待。在生物技術(shù)領(lǐng)域中，細胞和病毒等微小粒子的精密操作和挑選變得越來越重要，另一方面，生物傳感器也需要細微的立體結(jié)構(gòu)。在醫(yī)療領(lǐng)域中，人們期待著用于人體內(nèi)的治療、檢查的微小機器、人工內(nèi)臟器官的進步。在信息機器中，以使用光學(xué)裝置的光學(xué)系統(tǒng)為首，在超高集成化的計算機系統(tǒng)的配線、供電、冷卻等用途中出現(xiàn)前所未有的小機器。

　　審核編輯：湯梓紅