基于体硅湿法刻蚀工艺的MEMS结构设计方法研究

摘要

硅的各向异性腐蚀工艺是硅微机械（MEMS）体加工中的重要技术手段，利用该技术可以在MEMS器件制造中形成各种三维结构，但是这种方法在腐蚀形成凸角台面时存在切削效应，导致不能直接得到理想的凸角结构。
　　 本文在深入研究了现有的凸角补偿的经典结构之后，分析并总结得到了隐藏在这些补偿图形背后的共性理论基础，从单晶硅的原子结构出发，建立了（100）衬底上的图形切削分析和补偿设计的理论方法，该方法能够准确预测任意台面结构的腐蚀结果，并且根据不同的腐蚀条件，合理设计出多种补偿结构，所设计的补偿结构基本涵盖了目前国内外由实验得到的补偿图形。本文方法的运用不依赖实验结论，针对不同的腐蚀环境只需要更新方法描述中所对应的具体内容。在（110）衬底上对该方法的拓展和探索结果表明，本论文的研究成果具有很好的继承性和可移植性。
　　 论文首先详细介绍了各向异性腐蚀的化学原理，阐述了各种因素对腐蚀的影响；接着分析了（100）衬底上经典直角补偿结构的实现过程，从而由此总结得到这些补偿结构保护目标凸角的共性原理和结构特征。接着，在（100）衬底上提出了图形切削预测的分析方法和图形补偿的通用设计方法；随后，对（100）衬底上的两种理论方法进行了计算机仿真和工艺实验的双重验证。最后，以（110）衬底为基础进行探索，在明确了（110）衬底上的特征晶向关系后，参考（100）衬底上的方法原理，提出了（110）衬底上的图形切削预测方法，并对特定的目标结构进行了初步验证；并且，将图形补偿的通用设计方法实现在（110）衬底条件下，完成了特定目标结构的补偿设计，仿真结果证明了该方法的正确性。文中对理论方法给出了详细的算法和步骤，对验证方法过程中选用的腐蚀环境和工作环境进行了说明，并且给出了图形设计的具体参数。
　　 验证研究表明，凸角补偿的仿真和实验结果均与本文理论方法预测结果一致，腐蚀过程中实现理想保护的趋势明显，从而证实了理论方法的合理有效。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 MEMS中的DFM

1.1.2 MEMS中的典型工艺问题

1.1.3 各向异性湿法腐蚀工艺[12-16]

1.1.4 图形补偿方法的研究现状[17-20]

1.2 本论文的主要工作

1.3 论文纲要

第二章 凸角补偿机理和晶格模型

2.1 KOH系统的腐蚀原理[1-5]

2.1.1 腐蚀机制

2.1.2 微观描述

2.2 单晶硅的硅晶格模型分析[1,2,6,7]

2.2.1 单晶硅材料概述

2.2.2 单晶硅的空间结构

2.1.3 单晶硅的晶胞

2.3 凸角补偿的经典结构分析[8-15]

2.3.1 三角形补偿

2.3.2 条形补偿

2.3.3 方形补偿

2.3.4 分析总结

2.4 本章小结

第三章(100)衬底上的图形分析和设计方法

3.1 基于(100)衬底的硅晶格分析

3.2 图形切削预测方法

3.2.1 切削预测方法的提出

3.2.2 方法介绍

3.3 图形补偿的设计方法

3.3.1 拓扑结构的生成

3.3.2 提取补偿图形的规则描述

3.3.3 方法总结

3.4 本章小结

第四章 基于(100)衬底的设计方法验证

4.1 方法验证的工作内容

4.1.1 验证的工作流程

4.1.2 腐蚀环境设定

4.1.3 模拟验证的工作步骤

4.1.4 实验验证的工作步骤[1-3]

4.1.5 小结

4.2 图形切削预测方法验证

4.2.1 正五边形

4.2.2 横向拉伸的六边形

4.2.3 验证结果小结

4.3 图形补偿方法验证

4.3.1 直角凸角

4.3.2 正八边形的补偿验证

4.3.3 图形补偿方法验证小结

4.4 本章小结

第五章(110)衬底上设计方法的探索

5.1(110)衬底分析

5.2 图形切削方法在(110)衬底上的拓展

5.2.1 方法介绍

5.2.2 方法的实例化分析说明

5.2.3 方法的验证

5.2.4 方法小结

5.3 凸角补偿方法在(110)衬底上的应用

5.3.1 方法介绍

5.3.2 单一凸角补偿的实现

5.3.3 直角补偿的实现

5.3.4 方法小结

5.4 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 论文工作总结

6.2 尚未解决的问题

6.3 下一步工作展望[1-3]

参考文献

图表索引

个人简介

攻读硕士期间的学术成果

致 谢