MEMS中多孔硅绝热技术

　　多孔硅(porous silicon, PS)材料由于具有高效率的发光特性被认为有着巨大的应用前景,近十几年来被广泛研究[1~3].随着微电子机械系统技术(MEMS)的迅猛发展,PS优良的绝热性能使其在MEMS应用中受到了极大重视,而成为相关领域的研究重点[4, 5].

　　到目前为止,MEMS中基于热敏感特性工作原理的微传感器通常采用将敏感元制作在悬台、悬臂及悬桥(梁)等悬浮微结构上,以实现与硅基底的热绝缘[6],提高器件灵敏度、降低响应时间.然而悬浮结机械稳定性差,易发生断折.此外,也有研究者采用石英[7]或高分子薄膜[8]等导热系数比较低的材料来实现器件与硅基底的热绝缘,但其缺点是制备工艺与标数,因此其作为实现MEMS器件中敏感元与硅基底热绝缘的材料具有以下优势:通过简单的制备工艺即可获得较厚的PS膜层且制备工艺与传统微电子工艺相兼容;与悬浮微结构绝热方法相比,机械稳定性高.采用悬浮结构绝热和PS层绝热的MEMS器件分别如图1(a)和图1(b)所示.由于PS层的绝热特性与其微观结构(如孔隙率、孔径尺寸及膜层厚度等)有关,因此研究不同微观结构的PS导热机理、PS导热性能与微观结构对应关系,以及如何控制相应制备条件来得到所需微观结构的PS并测量其导热性能等内容,是当前PS在MEMS中应用所面临的课题.本文围绕着这些相关课题开展了研究.

　　1　PS的制备

　　PS的微观结构是由其制备条件决定的. PS中硅微晶颗粒尺寸、孔隙率及比表面积等结构参数都可以通过控制不同的制备条件来实现.目前,电化学腐蚀方法是众多PS制备方法中比较常用的一种,此外还有化学腐蚀法及原电池法等.

　　1.1　化学腐蚀法

　　化学腐蚀法制备PS方法的特点是方法简单,操作容易,适合对大面积硅片的刻蚀和大规模生产.制备出的PS膜层的微观结构和形貌主要取决于硅衬底材料自身的性能(如掺杂浓度、掺杂类型及晶面等)以及制备条件(如腐蚀液的配方、浓度、腐蚀时间及温度等).化学腐蚀法制备PS速度比较慢,硅片在氢氟酸中的腐蚀速率很大程度上受到腐蚀液组成情况及浓度的影响.由于化学腐蚀PS存在横向腐蚀,因此腐蚀厚度仅能达到几个微米[9].

　　1.2　电化学腐蚀法

　　电化学腐蚀法是PS制备中比较传统、使用最广泛的方法.与化学腐蚀法和原电池法等其它方法相比,电化学方法有其无可比拟的优势,其形成的PS孔径小(最小可达几个纳米)且分布比较均匀;PS深度比较大并可根据需要进行控制; PS表面非常光滑平坦,可以在其上沉积薄膜.

　　在电化学腐蚀法制备PS的过程中,可以通过控制腐蚀电流密度、腐蚀时间、温度、光照、腐蚀液的配比和均匀程度及表面活性剂(如乙醇和异丙醇)等条件和影响因素,以形成性能优异、满足各种结构和规模化生产需要的PS.目前电化学腐蚀方法的发展趋势是通过改进电化学方法(如阶梯电流法,即阳极电流密度均匀连续地降低),制备出复合结构的PS层.通过选择合适的阳极电流密度和腐蚀时间,可以很容易地在整个体硅厚度上得到这种复合结构的PS层.