詳解微機(jī)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(jī)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(jī)械性強(qiáng)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(xì)的立體形狀。以各向異性烯酸為契機(jī)的半導(dǎo)體加工技術(shù)的發(fā)展，在晶圓上形成微細(xì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)體，進(jìn)而機(jī)械地驅(qū)動(dòng)該結(jié)構(gòu)體，在20世紀(jì)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(jī)械。在本稿中，關(guān)于在微機(jī)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(dòng)向和加工例子的同時(shí)，還談到了未來微機(jī)械的發(fā)展方向。

實(shí)驗(yàn)

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(dāng)使用這些進(jìn)行蝕刻時(shí)，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(duì)40%KOH水溶液的所有方向的蝕刻率進(jìn)行測(cè)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(dá)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(duì)（110）晶圓進(jìn)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(xì)長條狀開口進(jìn)行蝕刻。由于與深溝的側(cè)面{111}一致，所以位點(diǎn)蝕刻的進(jìn)行極其緩慢，可以進(jìn)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(dòng)器。懸臂梁的尖端部具有大面積的質(zhì)量，具有由細(xì)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(jìn)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(dá)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(shí)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(cè)其變形，可以特定壓力的大小。隨著加工工藝技術(shù)的進(jìn)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(jìn)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(xì)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(gè)收納細(xì)胞的室。為了捕捉與水一起運(yùn)送的粒徑20～60μm的植物細(xì)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(jìn)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(duì)象都對(duì)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(qiáng)度比鋼高，因此可以充分利用其 彈性變形在晶片上形成運(yùn)動(dòng)部件.

圖5細(xì)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(lì)，在共振點(diǎn)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(huì)膨脹可以使用設(shè)置在懸臂梁根部的應(yīng)變片檢 測(cè)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(dòng)的結(jié)果是，由于氣氛氣體 的衰減作用，共振點(diǎn)附近的懸臂梁的振動(dòng)狀態(tài)發(fā) 生變化，可以應(yīng)用該原理測(cè)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(dāng)于梁輪廓的部分后，用KOH水溶液對(duì)露出的Si面進(jìn)行蝕刻，如圖所示進(jìn)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(dòng)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(diǎn)的杠桿式開關(guān)9）。開關(guān)動(dòng)作是通過在梁及與梁相對(duì)的孔底之間加載電壓，使梁靜電彎曲來進(jìn)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(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)體的有力手段。從精密加工的觀點(diǎn)來看，研究的進(jìn)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(jī)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(xì)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(jī)械技術(shù)的發(fā)展中， 在傳感器、生物技術(shù)、醫(yī)療、信息機(jī)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(cè)量各種物理量的微小傳感器與LSI一樣被大量供給被強(qiáng)烈期待。在生物技術(shù)領(lǐng)域中，細(xì)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(xì)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(jī)器、人工內(nèi)臟器官的進(jìn)步。在信息機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配線、供電、冷卻等用途中出現(xiàn)前所未有的小機(jī)器。

　　審核編輯：湯梓紅