1 引言

微型机电系统(MEMS)技术兴起于20 世纪80年代，在过去的十几年中取得了长足进展，已经成为当今有广泛应用前景的重要高新技术之一，正逐渐实现从以实验室研究为主向工业应用开发的转移。伴随着新工艺、新材料的开发和应用，各种新型MEMS器件层出不穷。出于对最终产业化的长远考虑，人们对器件寿命和可靠性的要求日益提高，促使研究者重新审视微机械结构的材料选择问题。

迄今为止，MEMS器件所采用的电子材料可以分为两类：硅(基)和非硅材料。由于继承了半导体工业的长期技术积累，针对微机电系统制造需求的体硅和表面硅微机械加工技术很早便形成了较为完整的微加工技术体系，因此，硅基MEMS器件成为主流，从而造成了硅(基)材料在MEMS材料体系中占据压倒性优势地位。特别是作为微结构材料的单晶硅、多晶硅薄膜和氮化硅等硅基化合物薄膜，他们在半导体工业中都有较长期的开发使用历史，相应的加工技术也有丰富积累。虽然适合微机械结构的加工技术有其自身特点，但是仍然有很大部分可以利用或借鉴，所以，多数MEMS器件是基于硅材料设计的。此外，硅基MEMS材料与电路部分的材料兼容，便于实现整体集成制造，这进一步强化了它的优势地位。

但是，MEMS器件对材料的要求毕竟有别于传统的半导体器件，硅材料的缺点随着应用范围的扩大而日益显现，比如硅的抗弯折强度低和断裂韧性差，抗磨损能力不强，还特别容易发生结构粘附现象，所以，目前的MEMS器件中运动部件主要选择往复形变，很少采取转动、接触滑移等宏观机械中常见的运动方式。因此，开拓硅之外的其他材料来源将会促进MEMS技术的发展。除此之外，基于电磁、压电、形状记忆效应等原理实现的微驱动结构也必须采用非硅材料构造，否则无法实现MEMS器件的整体功能。事实上，随着非硅材料三维微加工技术的不断进步，镍、铜、铁镍、镍钛、金、氧化铝甚至金刚石薄膜等日益受到重视，已经有越来越多的非硅材料被应用于构造MEMS器件，并在提升器件和系统工作能力方面发挥独特的作用，其中金刚石薄膜是最具潜力的微机械结构功能材料之一。

CVD金刚石薄膜的优越物理化学特性早已广泛为人所知，建立在其多方面优良特性基础上，已经实现的应用领域包括切削工具的超硬涂层，扬声器振膜涂层，激光器和集成电路散热片，X射线窗口材料，X射线掩膜版支撑材料，光学元件涂层等。被广泛认可具有潜在应用前景而正在积极拓展的应用领域包括高温高功率半导体器件材料，冷阴极发射和显示器件材料，强激光窗口材料，金刚石涂覆的复合材料，高频段的声表面波器件，磁盘涂层材料和MEMS结构材料和功能涂层。

作为微结构材料，CVD金刚石薄膜具有许多无可比拟的优越特性。金刚石薄膜质量轻，强度高，耐磨损，抗腐蚀，导热性、绝缘性好。与硅相比，金刚石薄膜的机械强度和硬度高出近十倍，弯折强度高出20倍以上，耐磨损能力高出1000倍以上，综合性能的优势十分明显，理应作为微机电系统中结构件的首选材料。如可以用作微齿轮，悬臂梁，微铰链，微弹簧，微连杆，滑块材料。同时金刚石薄膜具有高电阻率，高击穿场强，低介电常数，极低线膨胀系数，宽光谱透过范围，宽禁带宽度，极高的载流子迁移率等优异的光、机、电性能，可广泛用作特定功能微机电系统的主体部件，如微传感器、微制动器、微光器件，而且，金刚石薄膜的耐高温性、耐蚀性使得金刚石MEMS器件可在恶劣环境下正常工作，这是其它电子材料所不可替代的。但是，已经研制成功的金刚石膜MEMS器件尚不多见，仅有少数几例特种传感器，除此之外，便只有一些简单的微结构如悬臂梁等，究其原因，金刚石薄膜难以加工是主要的原因之一。

正是金刚石薄膜极高的硬度和化学稳定性，使金刚石薄膜的微细加工成为十分困难的课题。因此，选择性生长成为金刚石微结构成型的主要手段之一，除此之外，激光刻蚀、模型复制、离子束刻蚀和反应离子刻蚀方法也有一定的探索，本文将就上述各种微加工方法的基本工艺特点和最新进展作出系统的比较总结，并就利用氧反应离子刻蚀技术进行金刚石薄膜微机械加工的侧壁钝化技术展开详细的探讨。

2 选择性生长技术

选择性生长技术由于不需要昂贵的等离子体刻蚀设备，成为目前金刚石薄膜图形化最常见的方法。利用硅表面在金刚石粉打磨后会大幅度提高CVD反应成核密度的原理，对局部表面进行活化处理，从而实现选择性生长。其工艺流程大致如下：先在抛光硅片上生长一层二氧化硅薄膜，常规涂胶、光刻、选择性腐蚀去掉部分表面的二氧化硅覆盖层，然后用含金刚石粉末(10～50µm 粒径)的悬浮液进行超声波处理，使基片表面未被SiO₂ 掩盖的部分的成核密度大大提高(可达10/µm²数量级)，然后腐蚀去除前道工序保留的二氧化硅薄膜，从而在硅片表面形成成核能力有巨大反差的两类区域，在用热解CVD法沉积金刚石薄膜时，由于超声处理时被SiO₂ 覆盖部分成核密度很低，仅为暴露部分的10^-4～10^-3，所以可以获得选择性生长的金刚石薄膜图形。借助类似方法，Ramesham在硅片上选择性生长出金刚石薄膜图形，然后通过牺牲层工艺制得几种典型的MEMS微结构，如微悬臂梁、自由金刚石薄膜等，图形线宽约8µm，晶粒堆砌致密，大都显露三角形(111)面，但边界不太整齐，看不到微结构有明显的侧面。中科院上海冶金所传感技术国家实验室同样用选择性生长技术制作了金刚石微马达转子结构。首先用直流偏压增强的微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)对图形区域(Si)高密度金刚石成核，接着对掩膜区域(SiO₂)进行一次化学浅腐蚀，然后正常生长金刚石薄膜，得到表面光滑、边界清楚的金刚石精细图形，在金刚石微结构厚度为2µm 时，图形间隙可控制至1-2µm。该方法的一个显著特点是不需要直接加工坚硬而且惰性的金刚石薄膜，回避了该领域的主要困难因素，所以有其合理性和优越性。但是由于不能彻底抑制屏蔽区域的成核现象，该区域金刚石薄膜生长与成核激励区域同时进行，只是速度相对慢得多，如果金刚石薄膜生长时间很长，则区域选择性也会降低，造成不希望出现的结构粘连，所以一般能够选择性生长的微结构厚度较薄。同时由于CVD反应存在的各向同性生长趋势，微结构尺寸控制的精度有限，精细结构难以表达。

3 激光刻蚀

借助脉冲激光对金刚石薄膜进行表面修饰加工和微结构成型加工一直受到广泛重视，传统的激光加工采用红外、可见光和紫外波段的普通激光，加工精度较低。近来多种短脉冲激光被广泛试用，包括纳秒脉冲的准分子激光和飞秒激光等均有相关研究结果报道。激光加工采用聚焦激光光束直接照射金刚石表面，工艺过程简单，研究工作的重点集中在寻找适当的工艺条件，使被刻蚀加工的表面能够达到尽量光滑规则，对加工后留下的微结构的损害尽量少。Park不但研究了采用聚焦准分子激光束无掩膜刻蚀CVD金刚石薄膜的基本规律，比如环境气体流量、光强度、脉冲数目等的影响，而且设计了一台计算机控制的微动平台以操纵光束直接进行目标微结构的刻写，获得了比较满意的图形化加工效果。研究还观察到了激光刻蚀金刚石所产生的等离子体的作用范围，由这种等离子体所造成的金刚石表面损伤被认为是造成加工面不够光滑、规则的主要原因。虽然激光脉冲与金刚石薄膜作用的持续时间可以控制在纳秒级或者更短，但是，由此而产生的等离子体却会持续数十毫秒，这种高温等离子体能够造成刻蚀界面金刚石碳转变成石墨态或玻璃态，还会导致刻蚀边界扭曲和部分刻蚀物质飞溅并再沉积，其影响范围相当大，是微米级加工的主要技术障碍。采用超短脉冲激光可以一定程度上减轻上述危害。Shirk Michael 等采用超短脉冲蓝宝石激光刻蚀CVD金刚石薄膜，使刻蚀边界有了很大改善，侧向热损伤不太严重，也基本上看不到飞溅后再沉积的刻蚀物。更令人感兴趣的是刻蚀后的表面几乎检测不到残存的石墨碳，据认为这是由于超短脉冲激光抑制了热量传递过程。但是，也有作者认为缩短脉冲并不能从根本上消除等离子体的产生，改善加工能力应从抑制等离子体入手。Park 等进一步研究了改变刻蚀反应发生时的环境以影响刻蚀效果的方法。借助低真空环境可以显著减少刻蚀物质的再沉积现象，但刻蚀边界并未得到改善，等离子体的作用范围反而有所扩大。与抽真空和大气环境不同，以氩气流对准刻蚀点连续吹，却可以显著改善刻蚀效果，不但刻蚀边界规则光滑，而且等离子对紧邻表面的损伤也很轻微，是比较优越的加工工艺条件。

除了上述各项不足正逐渐得到弥补，激光刻蚀还有一些其他的缺点，如何做到既完全刻掉目标部位的金刚石薄膜又不损伤衬底和留下的结构，是一个需要细致研究的课题，此外，扫描刻写式加工的效率也有待提高。

4 模型复制

金刚石薄膜本身难以加工，但是生长它的衬底材料往往可以预先加工成一定形状，待金刚石薄膜生长之后只需要简单加工便可以赋予金刚石微结构比较精确的形状和尺寸，对于部分特定形状的微结构，这不失为一种比较理想的成型技术。可以用于制作模型衬底的材料主要是硅和光敏玻璃，这主要是因为他们更容易加工成需要的形状，而且金刚石能够在其表面沉积，同时，沉积金刚石之后衬底材料能够方便地刻蚀除掉，从而使形成的金刚石微结构可以选择性释放。举一个制备金刚石瓦型光纤对准槽的例子更有利于说明整个工艺过程。在单晶硅的表面通过氧化硅掩膜、各向异性刻蚀可以方便地刻蚀出一系列V型槽或者横截面是梯形的柱状凸起线条。以上述加工后的结构为模具，按常规方法对其表面进行成核增强活化(粗糙化)并沉积金刚石薄膜，达到设定厚度之后可以根据需要对复合构件作一些简单加工，然后采用化学刻蚀方法局部或全部去掉作为模具的硅基体，便可以得到功能独特的金刚石薄膜结构V型槽。采用光敏玻璃作为模具材料同样有效。从加工工艺过程可以看出，能够实现的结构形式比较简单，应用范围受到限制。一种基于SOI衬底硅模型的复制工艺拓展了它的加工能力，可以使两层金刚石薄膜构成诸如金刚石毛细管等比较复杂的微结构。该工艺利用SOI基板制备用于复制的硅微结构模具，使硅微结构与衬底硅之间被氧化硅隔断，然后按照前述相同工艺沉积金刚石薄膜，接着从背后刻蚀去掉基体硅，借助氧化硅隔离层的保护使作为模具的硅微结构保留下来，同样在暴露的背面再次生长金刚石薄膜，最后用腐蚀速率很高的刻蚀剂腐蚀掉夹在两层金刚石薄膜之间的硅微结构，便可以得到尺寸精确的金刚石空心微结构，一个典型的例子是高效传热的金刚石管道微型冷却芯片。两者加工原理。

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