MEMS基礎(chǔ)工藝研究與新型室溫中遠(yuǎn)波段紅外探測器研制.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年英國物理學(xué)家F.W.赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來研究各種色光時發(fā)現(xiàn)了紅外線以來，人們應(yīng)用紅外技術(shù)歷來解決日益激增的實(shí)際問題的能力越來越大。由于應(yīng)用驅(qū)使，紅外探測器的研究開發(fā)乃至生產(chǎn)越來越受到重視而得以長足發(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)容包括以下兩個方面： 1、MEMS基礎(chǔ)工藝研究： 針對當(dāng)前MEMS工藝中最重要的硅/硅直接鍵合工藝中存在的問題，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級甚至10級才可能實(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，超凈度在十萬級就可以實(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，使同行使用國產(chǎn)硅片或者使用帶圖形硅片在相對較低的超凈環(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，采用國產(chǎn)硅片，實(shí)現(xiàn)了三層、四層硅的直接鍵合，并開發(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Pyrex7740玻璃而不能透過單晶硅片的性質(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，就避免了由于以往陽極鍵合過程中由于電場力作用給器件的可動敏感部分帶來的畸變甚至失效。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，而不會同傳統(tǒng)的陽極鍵合一樣是整個器件參與鍵合。同時激光熔融鍵合不會使

5、Na+產(chǎn)生運(yùn)動，就不會改變鍵合區(qū)域的玻璃的成分，也就不會象傳統(tǒng)的陽極鍵合一樣因?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。該方法目前在國內(nèi)沒有見到公開的文獻(xiàn)報道。 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，在薄膜的表面首次觀察到了呈分形生長的反應(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。這為從另外一個側(cè)面探索研究激光鍵合提供了一種方法。 對雙電場陽極鍵合的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，雙電場陽極鍵合方法不僅能從根本上有效地克服以往單電場陽極鍵合對MEMS器件

8、可動部分的危害，而且操作簡單，是一種很有吸引力的新型陽極鍵合方法。 2、新型室溫中遠(yuǎn)紅外探測器研制： 經(jīng)過大量的各種單項(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)