摘 要

Abstract III

第1章 绪论 1

1.1 红外带通滤波器 1

1.2 硅的腐蚀 2

1.2.1 干法加工技术 2

1.2.2 湿法加工技术 4

第2章 实验方法与原料 6

2.1 实验原料 6

2.2 实验方法 6

第3章 光刻工艺研究 7

3.1 硅片清洗 7

3.2 硅基光刻 7

3.2.1 匀胶 8

3.2.2 前烘 8

3.2.3 曝光 9

3.2.4 显影和清洗 9

3.2.5 坚膜 9

第4章 十字叉形磁场辅助腐蚀工艺研究 12

4.1 磁场辅助原理 12

4.2 霍尔效应 12

4.2 磁场辅助实验设计 13

第5章 总结体会 19

摘要

MEMS发展至今，已有几十年时间，在上世纪80年代受到各个国家的广泛关注，其中根据Si各向异性腐蚀特性发展起来的湿法腐蚀技术发挥着巨大的作用。其中干法刻蚀较为精确，可控性良好，设备成本高，工艺复杂，腐蚀速率较慢，而湿法刻蚀易操作，简单的流程，相对低廉的成本，速率较快。本文基于各种腐蚀方法对形成十字叉形硅结构的优劣进行比较，试图寻找出成本低，工艺品质好，容易操作的方法。

HF酸溶液中附加稳恒电场，对HF酸溶液的腐蚀特征进行研究。HF酸溶液在大部分情况下对硅的腐蚀呈现各向同性，即硅的不同晶面腐蚀速率一样，最后也许得不到想要的腐蚀形貌。采用在侧壁内沉积氟碳聚合物的方法，以实现HF酸溶液的各向异性腐蚀。KOH溶液则相反，在大部分情况下表现为各向异性。但是在直流电场的激励下，KOH溶液对硅各向异性的腐蚀特性遭到破坏，也许能刻蚀我们想要的形貌。实验结果表明KOH溶液在直流电场激励下对硅各向异性腐蚀特性完全改变。

磁场辅助技术在原来电场力的作用下，增加了洛伦兹力，半导体中的电荷受到这两个力的作用，控制就会更灵活，从而可以试图腐蚀更多的形貌，增强腐蚀坑的品质，而实验表明，磁场辅助下的腐蚀结构可以做到更大的锐度，更小的平缓度。为了能够得到十字叉的图案，单纯的电化学腐蚀不能满足全部要求，用了磁场辅助在腐蚀液的作用下得到了形状更好的图形。

广泛应用于红外滤波器等器件的制造工艺。

关键词： MEMS 磁场辅助 红外滤波器

Abstract

MEMS has been developing for decades.In 1980s by the attention of all countries.The wet etching technology, which is based on the anisotropic corrosion of Si, is playing a great role in the development of the wet etching technology.Dry etching is more precise, controllable, high cost, complex process, slow corrosion rate, and wet etching is more easy to operate, the process is simple, the cost is relatively low, and the rate is relatively fast. This paper based on various methods of corrosion on the formation of the pros and cons of the cross fork silicon structures, trying to find out low cost, good process quality, easy operation method.

The corrosion behavior of HF acid solution was studied by the addition of stable electric field in HF acid solution. HF acid solution in most cases the corrosion of silicon is isotropic, that is, the different crystal surface corrosion rate of silicon, and finally may not get the desired corrosion morphology. The method of depositing fluorocarbon polymer in the side wall is used to realize the anisotropic etching of HF acid solution. KOH solutions, in contrast, show anisotropy in most cases. But under the excitation of the DC electric field, the corrosion properties of KOH solution to the silicon anisotropic are destroyed, which may be able to etch the morphology. The experimental results show that the anisotropic etching properties of silicon under DC electric field excitation are completely changed by KOH solution.

Magnetic field assisted technology in the role of the original electric field force, an increase of Lorentz force, semiconductor charge by the role of the two forces, will be more flexible and to try to more of the morphology of the corrosion, enhance the quality of corrosion pits, and experimental results show that magnetic field assisted corrosion structure can achieve greater sharpness and smaller gentle degree. In order to be able to get the pattern of the cross, simple electrochemical corrosion can not meet all the requirements, with the magnetic field assisted in the role of the corrosive liquid to get a better shape.

The basic technology of infrared filter is discussed.

Key word: MEMS Magnetic field assisted Infrared filter

第1章 绪论

1.1 红外带通滤波器

红外带通滤波器，为一种能量转换器。把金属膜附着在半导体底片上，从而形成选择体表红外带通的频率，有周期结构组成的特点。周期单元中十字齿和开口间距的线度决定了滤波器光谱性能。光热电能量转换器之效率的优化跟滤波器能力有很大关系,所以有探讨的意义。而效率取决于频率选择表面的周期组成,因此滤波器的能力是很重要的对于周期组成。

目前频率选择表面的设计会用到电路理论,但这些办法论述全光谱性能时是不确切的。都做了不同程度的简化，用在模拟红外频率选择体表之滤波能力很强的数字技术。但,如使用理想导体模型或者简化的Drude模型来表征金属膜之电特征在红外波段中，或将二维问题看似成三维问题肯定会有差别。在理想导体模型中，金属质料被认为是几乎为0的导电损失的良导体^[1]。但事实上,金属膜之介电常数在整个复数范围内都过于依赖于频率,为了克服这些不足,为了比较全面地论述红外频率透过损失和滤波能力,需要考量导电薄膜的损耗和介电常数随f的变化,这须要更加繁杂的电磁模型工具,并考量模型的准确性与测试结果进行比对,这样对分析在制造时的缺陷尺寸和对滤波器的光谱性能有什么影响,以考虑制造工艺的繁复性和制造成本比较好。因为等离子之作用,也就表示介电常数的整个复数域都会跟着频率的变化而变化。研究三维时域有限差分算法对Lorenz-Drude模型、Drude模型和理想导体模型求积分模拟了滤波能力在红外的频率波段外。

为了对电特性进行建模,使用了FDTD方法^[2]跟着频率变化的,在红外频率段金属膜的复介电常数用Lorentz-Drude模型可表述为

(1)

方程中, K是频率ωi的振荡次数εfr(ω)和εbr(ω)分别是从Drude和Lorentz模型建立的相对介电常数, fi是强度,1/Γi是寿命,ωp是晶胞频率,,Ψp= f0ωp。为了将Lorentz-Drude模型用于FDTD算法,需要用Z变换技术^[3]。为了模仿FSS构造的周期特性,对一个单元矩形壁用了周期的边境条件,示意图如图1所示,若使用了周期的边境条件,只需要剖析单个的单元就可以,整个构造的光谱特性仅仅需描述构造中的一个单元的特性就可以,同时使理想匹配层的吸收边境条件用在顶部和底部表面用来使模拟区域缩短。

图1-1 十字叉形周期结构的单元示意图

1.2 硅的腐蚀

红外十字叉探测系统对硅的腐蚀有一定的工艺要求，我们就要对硅的腐蚀工艺进行研究。

在硅的表面进行加工刻蚀用来得到在衬底里面所需的构造，比如凹沟，凹槽，凹孔以及凸臂等，所以体硅加工技术通常可以被用来做诸如集微型执行器，小型传感器，小型结构，control电路，信号处理及通讯等微小型系统。这种技术起源于上世纪八十年代的美国等发达国家^[4]，为一种把精密机械加工和微电子技术互相联合的高科技技术，从而把微电子及机械合二为一的微细技术手段。

这种方法的优势为可以得到相对大尺度的，缺陷是和集成电路的加工工艺兼容性不好，优点是可以制作机械性能良好之器件。体硅机械加工有两个重要特征，一：湿法工艺刻蚀单晶硅时，这个方向比之那一个方向，其反应速率要超过数倍；二：使用深反应的离子腐蚀最佳硅晶象时，深宽比能达到接近十倍。

将硅原子移除之核心手段是选择性的化学刻蚀方法（湿法刻蚀和干法刻蚀），湿刻蚀同时又由溶液法和电化学法构成。溶液法刻蚀也分为各向异性和各项同性。溶液法可以利用膜作为掩蔽材料，在硅表面腐蚀出各种所需要的形貌。溶液刻蚀法由于其成本不高，用起来很简单，范围广，并且效果也不错而得到了普遍的应用。

1.2.1 干法加工技术

干法刻蚀技术主是指采用纯化学作用等离子腐蚀以及纯物理作用的离子腐蚀或者具有化学、物理作用的腐蚀方法，是利用气体形态腐蚀剂和待腐蚀物品体表接触而实现的腐蚀技术。通常利用辉光放电(Glow Discharge)等方式^[5]，产生包括原子核、电子等带电的粒子，并且具有高度活性的分、原子，自由基团的等离子体来进行图形转移。干法刻蚀能够腐蚀非常多的非金属材料，如多、单晶硅还有各种膜，也能够腐蚀多种金属膜。同时能够采用各向同性或是各向异性的方法，因此它为目前一种比较常用的加工工艺。

干法刻蚀可以分为两种：纯物理的，和纯化学反应的刻蚀。纯物理刻蚀是一种利用带电粒子轰击的方式，它是利用气体放电，使气体电离成负电子和正离子，比如说Ar气^[6]，利用电场加速离子，将高能粒子射在样品表面，从而将样品表面原子击出。因为方向可控，带电粒子呈直线束射入，纯物理刻蚀具有良好的方向性，刻蚀轮廓与底面接近垂直。缺点是选择比比较差，设备投入昂贵，工艺比较复杂，对光刻胶的要求非常高，并且刻蚀终点较难掌握，容错率低。所以在实际情况中不经常以纯物理刻蚀法进行刻蚀。纯化学刻蚀是利用化学活泼性非常强的原子分子团，弥漫到代刻蚀物体表面，与其表层物质反应生成挥发性物质，并自行挥发。纯化学刻蚀与湿法刻蚀一样，具有很多相同的优缺点，优势是选择比高和等向性刻蚀，故不需要形状转换的步骤应用此法。目前普遍用到的办法是物理化学相结合的腐蚀办法，这种法具备双重优势，兼具物理与化学刻蚀的，就是反应离子刻蚀，也就是包涵了选择比高和非等向性。腐蚀部分获得高选择比，依靠化学反应来完成。同时用离子撞击表面，有两个优势：一，将聚集在待刻蚀材料表面的聚合物轰掉，便于反应的充分进行；二，破坏表面的化学键，加快反应速率。堆积在被刻蚀体表的堆积物被高能带电粒子轰掉，反应顺利进行下去，而堆积在侧表面的沉淀物则留存下来，阻止腐蚀的继续进行，从而获得非等向性腐蚀。

干法刻蚀具备了蛮多优点，譬如精密的刻蚀线度，反应速率易控，高度的自动化等。干法刻蚀是最佳选择之一来实现高深宽比结构。