MEMS基礎(chǔ)工藝研究與新型室溫中遠(yuǎn)波段紅外探測(cè)器研制.pdf

1、微電子技術(shù)的巨大成功在許多領(lǐng)域引發(fā)了一場(chǎng)微小型化革命，以加工微米/納米結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)為目的的微米/納米技術(shù)(Micro/NanoTechnology)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。 1800年英國(guó)物理學(xué)家F.W.赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來(lái)研究各種色光時(shí)發(fā)現(xiàn)了紅外線(xiàn)以來(lái)，人們應(yīng)用紅外技術(shù)歷來(lái)解決日益激增的實(shí)際問(wèn)題的能力越來(lái)越大。由于應(yīng)用驅(qū)使，紅外探測(cè)器的研究開(kāi)發(fā)乃至生產(chǎn)越來(lái)越受到重視而得以長(zhǎng)足發(fā)展。 研究和發(fā)展MEMS基礎(chǔ)工藝技術(shù)，并進(jìn)一步對(duì)沈

2、光地教授提出的具有創(chuàng)新思想的基于MEMS技術(shù)的新型室溫中遠(yuǎn)波段紅外探測(cè)器進(jìn)行研制，這是本論文最主要的工作。 本論文主要內(nèi)容包括以下兩個(gè)方面： 1、MEMS基礎(chǔ)工藝研究： 針對(duì)當(dāng)前MEMS工藝中最重要的硅/硅直接鍵合工藝中存在的問(wèn)題，提出一種新的鍵合理論和工藝方法。該方法在一定的程度上降低了硅/硅直接鍵合工藝中對(duì)硅片表面平整度的要求，而且可以實(shí)現(xiàn)在低超凈環(huán)境的硅/硅直接鍵合。在以往的硅/硅直接鍵合工藝中，一般要求硅

3、片表面的粗糙度不得大于1納米，超凈度必須在100級(jí)甚至10級(jí)才可能實(shí)現(xiàn)硅/硅的成功鍵合。而采用本方法可以使硅片表面的粗糙度達(dá)到2～3納米，超凈度在十萬(wàn)級(jí)就可以實(shí)現(xiàn)硅/硅的良好鍵合。鍵合強(qiáng)度達(dá)到了體硅本身的強(qiáng)度。該方法的提出，使同行使用國(guó)產(chǎn)硅片或者使用帶圖形硅片在相對(duì)較低的超凈環(huán)境下實(shí)現(xiàn)硅/硅的直接鍵合與封裝成為了可能。根據(jù)該理論和方法，采用國(guó)產(chǎn)硅片，實(shí)現(xiàn)了三層、四層硅的直接鍵合，并開(kāi)發(fā)出成熟的工藝流程。這為發(fā)展多功能、多重結(jié)構(gòu)、高深寬比

4、結(jié)構(gòu)的MEMS器件以及系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的關(guān)鍵工藝基礎(chǔ)。 利用YAG激光能透過(guò)Pyrex7740玻璃而不能透過(guò)單晶硅片的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了硅和玻璃的直接鍵合。激光熔融鍵合方法不需要加電場(chǎng)，就避免了由于以往陽(yáng)極鍵合過(guò)程中由于電場(chǎng)力作用給器件的可動(dòng)敏感部分帶來(lái)的畸變甚至失效。這是激光熔融鍵合最大的優(yōu)點(diǎn)。而且Nd：YAG激光束可以小到300微米以下，所以可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)域熔融鍵合，而不會(huì)同傳統(tǒng)的陽(yáng)極鍵合一樣是整個(gè)器件參與鍵合。同時(shí)激光熔融鍵合不會(huì)使

5、Na+產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)改變鍵合區(qū)域的玻璃的成分，也就不會(huì)象傳統(tǒng)的陽(yáng)極鍵合一樣因?yàn)镹a+的重新分布而改變玻璃的物理特性最后導(dǎo)致器件特性發(fā)生蠕變。激光熔融鍵合可以在室溫下進(jìn)行，從而避免了以往鍵合過(guò)程中高溫環(huán)境中材料力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的改變而造成器件性能的退化甚至失效。 利用金/硅共熔點(diǎn)溫度只有363℃的特點(diǎn)和激光能局部快速加熱和冷卻的特性，實(shí)現(xiàn)了采用CO2激光實(shí)現(xiàn)了硅/硅低溫鍵合。激光具有優(yōu)良的傳輸和聚焦特性，經(jīng)過(guò)聚焦鏡后可以將能量集中

6、于很小區(qū)域。因此激光可以在很短的時(shí)間內(nèi)使用最少的能量作用于最小的區(qū)域，能在極短的時(shí)間內(nèi)融化極小的區(qū)域，使硅和金在界面實(shí)現(xiàn)熔融鍵合，從而達(dá)到低溫局部鍵合的目的。該方法目前在國(guó)內(nèi)沒(méi)有見(jiàn)到公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)道。 運(yùn)用SEM和光學(xué)顯微鏡，在利用濃硼擴(kuò)散腐蝕停止技術(shù)制備自由懸空硅薄膜時(shí)，在薄膜的表面首次觀察到了呈分形生長(zhǎng)的反應(yīng)生成絡(luò)合物聚集結(jié)構(gòu)。反應(yīng)生成絡(luò)合物聚集結(jié)構(gòu)以及能否產(chǎn)生聚集都受腐蝕腔體的深寬比影響。研究表明薄膜表面的生成物的分形屬于典

7、型的有限擴(kuò)散集團(tuán)凝聚模型(ADL)，其分形維數(shù)值約為1.667。 在用激光進(jìn)行硅—玻璃鍵合的過(guò)程中，觀察到了金在單晶硅表面擴(kuò)散典型的分形圖形。該分形圖形屬于典型的凝聚擴(kuò)散限制模型，計(jì)算出了分形維數(shù)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)分形圖形的形成狀況與單晶硅晶面狀況有十分密切的關(guān)系。這為從另外一個(gè)側(cè)面探索研究激光鍵合提供了一種方法。 對(duì)雙電場(chǎng)陽(yáng)極鍵合的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，雙電場(chǎng)陽(yáng)極鍵合方法不僅能從根本上有效地克服以往單電場(chǎng)陽(yáng)極鍵合對(duì)MEMS器件

8、可動(dòng)部分的危害，而且操作簡(jiǎn)單，是一種很有吸引力的新型陽(yáng)極鍵合方法。 2、新型室溫中遠(yuǎn)紅外探測(cè)器研制： 經(jīng)過(guò)大量的各種單項(xiàng)試驗(yàn)，已經(jīng)摸索、總結(jié)了一套設(shè)計(jì)、制作基于MEMS技術(shù)的高速高靈敏度新型室溫中遠(yuǎn)波段紅外探測(cè)器的工藝，并在器件的關(guān)鍵部分上掌握了一定的工藝制作技巧，最終在雙面光刻腐蝕、鍵合等關(guān)鍵工藝上取得了比較理想的結(jié)果，為研制基于MEMS工藝的新型室溫中遠(yuǎn)紅外探測(cè)器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并制備出運(yùn)用鍵合技術(shù)進(jìn)行封裝的水平結(jié)