表面微结构机械加工技术(Surface micromachining)

诺铂智造：表面微结构机械加工技术(Surface micromachining)，最近接触了一个新的加工技术名词，对这个了解比较少，查阅网络相关资料也比较少，在别的地方看到了这样一篇文章，给大家分享一下。

表面微结构机械加工技术的定义

利用黄光微影、掺杂技术、蚀刻技术、薄膜成长等半导体制程技术，在硅晶圆「表面」制作机械元件称为「表面微机械加工技术（Surface micromachining）」，通常只能制作很浅的表面元件，元件的厚度小于5μm（微米），因此这种元件只能承受较小的机械力量，如果承受较大的机械力量可能会折断或变形。表面微机械加工技术可以应用在许多MEMS元件的制作，例如：数位光源处理器（DLP）、重力加速度感测器（G sensor）、微加速度计（Micro accelerometer）、等元件。

表面微机械加工结构

厚度小于1μm的元件称为「薄膜（Thin film）」，而厚度大于1μm的元件称为「厚膜（Thick film）」，薄膜通常使用在电子元件，因为电子元件不需要承受任何机械力量，但是MEMS元件通常都是机械元件，必须承受较大的机械力量，因此大多使用厚膜来制作。其实薄膜与厚薄的制作方式完全相同，只要使用半导体制程的「薄膜成长技术」将薄膜长得厚一点即可。＜图4-3（a）＞是使用表面微机械加工技术所制作的「悬臂梁（Cantilever）」，悬臂梁是机械工程上所使用的结构，必须具有机械强度，可以单独腾空形成类似横梁的构造；＜图4-3（b）＞是使用表面微机械加工技术所制作可以翻转的「微镜面（Micro mirror）」。科技台湾www.hightech.tw

＜图4-3＞使用表面微机械加工技术所制作的元件。

数据源：Stephan T. Koev et al.，Lab on a Chip，7，103（2007）、www.sandia.gov。

表面微机械加工技术

表面微机械加工技术的制作流程如＜图4-4＞所示，包括制作牺牲层、制作构造层、移除牺牲层等三大步骤：

＞制作牺牲层：在硅晶圆的表面先以厚膜技术成长一层氧化硅，如＜图4-4（a）＞所示；接着使用黄光微影进行图形转移，包括：光阻涂布、光罩曝光、化学显影、蚀刻技术，将不需要区域的氧化硅去除，如＜图4-4（b）与（c）＞所示；最后再将光阻去除，如＜图4-4（d）＞所示。

＞制作构造层：接着以厚膜技术成长一层多晶硅，如＜图4-4（e）＞所示；再使用黄光微影进行图形转移，包括：光阻涂布、光罩曝光、化学显影、蚀刻技术，将不需要区域的多晶硅去除，如＜图4-4（f）与（g）＞所示；再将光阻去除，如＜图4-4（h）＞所示。

＞移除牺牲层：将完成的MEMS元件放入化学药品（氢氟酸水溶液）中，将牺牲层氧化硅溶解掉，最后得到如＜图4-4（i）＞的立体构造。

＜图4-4＞表面微机械加工技术的制作流程。

数据源：www.swri.org。

由于一般MEMS元件都是使用氧化硅制作牺牲层，因此都是使用「氢氟酸水溶液」来溶解氧化硅。＜图4-4＞中可以看出构造层是由「多晶硅（Poly silicon）」形成，，主要是由于多晶硅硬度较高，容易形成具有机械强度的微悬臂立体结构，所谓「构造层」就是最后要保留下来的机械构造部分；而牺牲层是由「氧化硅（Silicon oxide）」形成，所谓「牺牲层」就是最后要使用化学药品牺牲去掉的部分。科技台湾www.hightech.tw

【注意】多晶硅与氧化硅

＞多晶硅（Poly silicon）：在电子元件中通常用来取代MOS闸极上方的金属制作「导电层」，但是在MEMS元件中通常用来制作「构造层」。

＞氧化硅（Silicon oxide）：在电子元件中通常用来制作「绝缘层」，但是在MEMS元件中通常用来制作「牺牲层」。

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