MEMS基础工艺研究与新型室温中远波段红外探测器研制

摘要

微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微小型化革命，以加工微米/纳米结构和系统为目的的微米/纳米技术(Micro/NanoTechnology)在此背景下应运而生。 1800年英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时发现了红外线以来，人们应用红外技术历来解决日益激增的实际问题的能力越来越大。由于应用驱使，红外探测器的研究开发乃至生产越来越受到重视而得以长足发展。 研究和发展MEMS基础工艺技术，并进一步对沈光地教授提出的具有创新思想的基于MEMS技术的新型室温中远波段红外探测器进行研制，这是本论文最主要的工作。 本论文主要内容包括以下两个方面： 1、MEMS基础工艺研究： 针对当前MEMS工艺中最重要的硅/硅直接键合工艺中存在的问题，提出一种新的键合理论和工艺方法。该方法在一定的程度上降低了硅/硅直接键合工艺中对硅片表面平整度的要求，而且可以实现在低超净环境的硅/硅直接键合。在以往的硅/硅直接键合工艺中，一般要求硅片表面的粗糙度不得大于1纳米，超净度必须在100级甚至10级才可能实现硅/硅的成功键合。而采用本方法可以使硅片表面的粗糙度达到2～3纳米，超净度在十万级就可以实现硅/硅的良好键合。键合强度达到了体硅本身的强度。该方法的提出，使同行使用国产硅片或者使用带图形硅片在相对较低的超净环境下实现硅/硅的直接键合与封装成为了可能。根据该理论和方法，采用国产硅片，实现了三层、四层硅的直接键合，并开发出成熟的工艺流程。这为发展多功能、多重结构、高深宽比结构的MEMS器件以及系统奠定了坚实的关键工艺基础。 利用YAG激光能透过Pyrex7740玻璃而不能透过单晶硅片的性质，实现了硅和玻璃的直接键合。激光熔融键合方法不需要加电场，就避免了由于以往阳极键合过程中由于电场力作用给器件的可动敏感部分带来的畸变甚至失效。这是激光熔融键合最大的优点。而且Nd：YAG激光束可以小到300微米以下，所以可以实现小区域熔融键合，而不会同传统的阳极键合一样是整个器件参与键合。同时激光熔融键合不会使Na+产生运动，就不会改变键合区域的玻璃的成分，也就不会象传统的阳极键合一样因为Na+的重新分布而改变玻璃的物理特性最后导致器件特性发生蠕变。激光熔融键合可以在室温下进行，从而避免了以往键合过程中高温环境中材料力学、电学性质的改变而造成器件性能的退化甚至失效。 利用金/硅共熔点温度只有363℃的特点和激光能局部快速加热和冷却的特性，实现了采用CO2激光实现了硅/硅低温键合。激光具有优良的传输和聚焦特性，经过聚焦镜后可以将能量集中于很小区域。因此激光可以在很短的时间内使用最少的能量作用于最小的区域，能在极短的时间内融化极小的区域，使硅和金在界面实现熔融键合，从而达到低温局部键合的目的。该方法目前在国内没有见到公开的文献报道。 运用SEM和光学显微镜，在利用浓硼扩散腐蚀停止技术制备自由悬空硅薄膜时，在薄膜的表面首次观察到了呈分形生长的反应生成络合物聚集结构。反应生成络合物聚集结构以及能否产生聚集都受腐蚀腔体的深宽比影响。研究表明薄膜表面的生成物的分形属于典型的有限扩散集团凝聚模型(ADL)，其分形维数值约为1.667。 在用激光进行硅—玻璃键合的过程中，观察到了金在单晶硅表面扩散典型的分形图形。该分形图形属于典型的凝聚扩散限制模型，计算出了分形维数。同时发现分形图形的形成状况与单晶硅晶面状况有十分密切的关系。这为从另外一个侧面探索研究激光键合提供了一种方法。 对双电场阳极键合的理论和实验进行了研究，双电场阳极键合方法不仅能从根本上有效地克服以往单电场阳极键合对MEMS器件可动部分的危害，而且操作简单，是一种很有吸引力的新型阳极键合方法。 2、新型室温中远红外探测器研制： 经过大量的各种单项试验，已经摸索、总结了一套设计、制作基于MEMS技术的高速高灵敏度新型室温中远波段红外探测器的工艺，并在器件的关键部分上掌握了一定的工艺制作技巧，最终在双面光刻腐蚀、键合等关键工艺上取得了比较理想的结果，为研制基于MEMS工艺的新型室温中远红外探测器奠定了坚实的基础，并制备出运用键合技术进行封装的水平结构的器件。初步测量得到器件对红外的响应为：在波长为10.6um的CO2激光光源下，初始电容值由于结构的不同导致器件极板之间的距离不同可以从6.0pf～150pf之间变化，灵敏度≥0.01053pf/mW，器件耐压为≥10V。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1微电子机械系统及其研究进展

1.1.1微电子机械系统简介

1.1.2几种重要的MEMS器件

1.1.3 MEMS加工工艺

1.1.4 MEMS技术发展趋势

1.2红外探测器理论及其进展

1.2.1红外探测器基本原理与分类

1.2.2室温红外探测器研究进展

1.3本课题研究意义及其背景

第2章体硅腐蚀和超薄硅膜的制备工艺

2.1体硅腐蚀简介

2.1.1干法腐蚀

2.1.2湿法腐蚀

2.1.3几种工艺方法比较

2.2超薄单晶硅薄膜的制备

2.3硅腐蚀停止技术制备超薄硅膜中的分形现象

2.3.1实验

2.3.2实验结果与讨论

2.3.3 ADL分形模型的模拟

2.3.5结论

2.4本章小结

第3章硅硅直接键合工艺与理论

3.1硅/硅直接键合的理论与工艺以及存在问题

3.1.1硅/硅直接键合基本理论简介

3.1.2硅/硅直接键合基本过程

3.1.3硅/硅直接键合面临的实际问题

3.2无水乙醇辅助硅/硅直接键合

3.2.1理论分析

3.2.2新型硅/硅直接键合理论

3.2.3新型硅/硅直接键合工艺

3.2.4小结

3.3应用乙二醇进行多层硅直接键合研究

3.3.1理论分析

3.3.2实验

3.3.3实验结果与分析

3.4 CF4等离子体低温硅/硅直接键合

3.5本章小结

第4章硅/金共熔键合理论与工艺以及MEMS封装中的运用

4.1 Si/Au/Si共熔键合工艺研究

4.1.1实验

4.1.2实验结果

4.1.3结果讨论

4.1.4小结

4.2 Glass/Ti/Au/Ti/Silicon键合工艺探索

4.2.1传统硅/玻璃键合面临的挑战

4.2.2实验

4.2.3实验结果与分析

4.3带敏感结构Au/Si共熔键合工艺探索

4.4本章小结

第5章运用激光进行硅/硅和硅/玻璃键合研究

5.1用激光进行硅/硅、硅/玻璃键合理论以及其发展方向

5.2用Nd：YAG激光进行硅/玻璃键合工艺探索

5.2.1实验

5.2.2讨论

5.3用CO2激光进行硅/硅键合工艺探索

5.3.1实验

5.3.2结果与讨论

5.4用激光进行硅/硅、硅/玻璃键合过程中的分形现象

5.3.1分形现象简介

5.3.2激光熔融键合过程中的分形现象

5.3.3激光作用下金原子分形图形形成机理探讨

5.4本章小结

第6章基于MEMS技术的新型室温红外探测器设计

6.1新型红外探测器工作原理

6.2新型红外探测器的两种基本结构

6.3红外探测器结构分析设计

6.3.1弹性薄膜的机械性能分析

6.3.2探测器几何结构设计

6.4红外透射窗口材料选择分析

6.5红外吸收气体选择

6.6本章小结

第7章基于MEMS技术的新型室温红外探测器工艺实现

7.1新型红外探测器工艺实现方法分析

7.2水平双腔结构工艺流程

7.2.1上层硅片工艺流程

7.2.2中层Pyrex7740玻璃工艺流程

7.2.3下层单晶硅薄膜及其电极流程

7.2.4三明治结构封装与充气

7.3竖直双腔结构工艺流程

7.4关键工艺问题及解决办法

7.4.1双面腐蚀对准

7.4.2键合对准

7.4.3超薄敏感硅膜的制备

7.4.4腐蚀掩膜

7.4.5传统阳极键合对薄膜带来的危害

7.4.6微气体腔与弹性敏感薄膜腐蚀工艺

7.5本章小结

第8章双电场阳极键合及在新型室温红外探测器封装中的运用

8.1单电场阳极键合基本原理及其发展

8.1.1阳极键合技术原理

8.1.2几种改进的阳极键合方法

8.2双电场阳极键合原理和工艺探索

8.2.1双电场阳极键合理论

8.2.3双电场阳极键合工艺实验

8.3双电场键合技术在新型室温红外探测器中的应用

8.4本章小结

第9章新型红外探测器的测试

9.1新型室温红外探测器微小电容检测特点

9.2测试系统设计

9.3测试结果分析

9.3.1竖直结构测试结果与分析

9.3.2水平结构测试结果与分析

9.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

攻读博士学位期间所申请的发明专利

致谢