1、1MEMS工艺工艺当今重要的机械和电子系统进一步向微小型化和多功能化当今重要的机械和电子系统进一步向微小型化和多功能化方向发展，进而对相当于感觉器官的传感器和运动器官的方向发展，进而对相当于感觉器官的传感器和运动器官的执行器提出了微小型化和多功能化的要求执行器提出了微小型化和多功能化的要求半导体硅微细加工技术的日益成熟和完善为这一发展提供半导体硅微细加工技术的日益成熟和完善为这一发展提供了技术基础了技术基础在这种情况下诞生了微电子机械系统在这种情况下诞生了微电子机械系统(MEMS)(MEMS)这一新型学科这一新型学科MEMSMEMS是微电子技术与机械、光学领域结合而产生的，是是微电子技术与机械
2、、光学领域结合而产生的，是2020世纪世纪9090年代初兴起的新技术，是微电子技术应用的又一次年代初兴起的新技术，是微电子技术应用的又一次革命。革命。2MEMS加工工艺加工工艺n部件及子系统制造工艺部件及子系统制造工艺半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等工工艺等n封装工艺封装工艺硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯片组件工艺片组件工艺3Bulk micromachining1960FS
3、Fx+Deep reactive-ion etching2019Surface micromachining1986LIGA1978MEMSMEMS加工技术的种类加工技术的种类4n大机械制造小机械，小机械制造微机械大机械制造小机械，小机械制造微机械n日本为代表，与集成电路技术几乎无法兼容日本为代表，与集成电路技术几乎无法兼容nLIGA工艺工艺nLithograpie(光刻光刻)、Galvanoformung(电铸电铸)Abformung(塑铸塑铸)n德国为代表，利用同步辐射德国为代表，利用同步辐射X射线光刻技术，通过电铸成型和射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成高深宽比微结构的方法。设备昂贵，
4、需特制的塑铸形成高深宽比微结构的方法。设备昂贵，需特制的X射线射线掩模版，加工周期长，与集成电路兼容性差掩模版，加工周期长，与集成电路兼容性差n硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺n美国为代表，伴随硅固态传感器的研究、开发而在集成电路平面美国为代表，伴随硅固态传感器的研究、开发而在集成电路平面加工工艺基础上发展起来的三维加工技术。具有批量生产，成本加工工艺基础上发展起来的三维加工技术。具有批量生产，成本低、加工技术可从低、加工技术可从IC成熟工艺转化且易于与电路集成成熟工艺转化且易于与电路集成MEMSMEMS加工技术的种类加工技术的种类5硅基微机
5、械加工技术硅基微机械加工技术n体硅微机械加工技术体硅微机械加工技术n硅各向异性化学湿法腐蚀技术硅各向异性化学湿法腐蚀技术n熔接硅片技术熔接硅片技术n反应离子深刻蚀技术反应离子深刻蚀技术n表面微机械加工技术表面微机械加工技术n利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置n整个工艺都基于集成电路制造技术整个工艺都基于集成电路制造技术n与与ICIC工艺完全兼容，制造的机械结构基本上都是二维的工艺完全兼容，制造的机械结构基本上都是二维的n复合微机械加工复合微机械加工(如键合技术如键合技术)n体硅微机械加工技术和表面微机械加工技术的结合，具有体硅微机械加工技术和表面微
6、机械加工技术的结合，具有两者的优点，同时也克服了二者的不足两者的优点，同时也克服了二者的不足6硅园片硅园片去掉光刻胶去掉光刻胶腐蚀硅片腐蚀硅片刻蚀光刻胶刻蚀光刻胶淀积光刻胶淀积光刻胶体硅微机械加工技术体硅微机械加工技术7特点：特点：通过通过腐蚀腐蚀的方法对衬底硅进行加工，形成的方法对衬底硅进行加工，形成三维立三维立体微结构体微结构的方法的方法加工对象通常就是加工对象通常就是单晶硅单晶硅本身本身加工深度通常为几十微米、几百微米，甚至穿透加工深度通常为几十微米、几百微米，甚至穿透整个硅片。整个硅片。与集成电路工艺与集成电路工艺兼容性差兼容性差硅片两个表面上的图形通常要求有严格的几何对硅片两个表面上
7、的图形通常要求有严格的几何对应关系，形成一个完整的立体结构应关系，形成一个完整的立体结构8分类分类 体硅腐蚀技术是体硅微机械加工技术的核心体硅腐蚀技术是体硅微机械加工技术的核心 可分为可分为各向同性各向同性腐蚀和腐蚀和各向异性各向异性腐蚀两大类腐蚀两大类 按腐蚀剂是液体或气体又可分为按腐蚀剂是液体或气体又可分为湿法湿法和和干法干法腐蚀。腐蚀。9硅的湿法腐蚀硅的湿法腐蚀1)1)硅的各向同性腐蚀硅的各向同性腐蚀腐蚀液对硅的腐蚀作用基本上腐蚀液对硅的腐蚀作用基本上不具有晶向依赖性不具有晶向依赖性.102)2)硅的各向异性腐蚀硅的各向异性腐蚀腐蚀液对硅的不同晶面有明显的晶向依赖性，不同晶面腐蚀液对硅的
8、不同晶面有明显的晶向依赖性，不同晶面具有不同的腐蚀速率具有不同的腐蚀速率EPW腐蚀液，晶向依赖性腐蚀液，晶向依赖性(100):(111)=35:1TMAH腐蚀液，腐蚀液，(100):(111)=1035:1113)3)硅的各向异性停蚀技术硅的各向异性停蚀技术12各向异性腐蚀特点：有完整的表平面和定义明确的锐角各向异性腐蚀特点：有完整的表平面和定义明确的锐角 影响各向异性腐蚀的主要因素影响各向异性腐蚀的主要因素(1)(1)溶液及配比溶液及配比(2)(2)温度温度(3)(3)掺杂浓度掺杂浓度例如：当硅片中掺例如：当硅片中掺B B浓度增加到浓度增加到10102020cmcm-3-3时，时，KOHKO
9、H溶液的腐溶液的腐蚀速率要降低到低掺杂浓度时的蚀速率要降低到低掺杂浓度时的1/20,1/20,这样实际上就可利这样实际上就可利用高用高B B掺杂区作为腐蚀阻挡层。掺杂区作为腐蚀阻挡层。13硅各向异性湿法腐蚀的缺点硅各向异性湿法腐蚀的缺点 图形受晶向限制图形受晶向限制 深宽比较差深宽比较差,结构不能太小结构不能太小 倾斜侧壁倾斜侧壁 难以获得高精度的细线条。难以获得高精度的细线条。14体硅的干法刻蚀体硅的干法刻蚀 干法刻蚀体硅的专用设备干法刻蚀体硅的专用设备:电感电感耦合等离子刻蚀机耦合等离子刻蚀机(ICP)主要工作气体：主要工作气体：SF6,C4F8 刻蚀速率：刻蚀速率：23.5m/min 深
10、宽比：深宽比：10:1 刻蚀角度：刻蚀角度：90o1o 掩膜：掩膜：SiO2、Al、光刻胶、光刻胶15硅园片硅园片淀积结构层淀积结构层刻蚀结构层刻蚀结构层淀积牺牲层淀积牺牲层刻蚀牺牲层刻蚀牺牲层释放结构释放结构淀积结构层淀积结构层刻蚀结构层刻蚀结构层表面微机械加工技术表面微机械加工技术16 微加工过程都是在硅片表面的一些薄膜上进行的，形微加工过程都是在硅片表面的一些薄膜上进行的，形成的是各种表面微结构，又称牺牲层腐蚀技术。成的是各种表面微结构，又称牺牲层腐蚀技术。特点：在薄膜淀积的基础上，利用光刻，刻蚀等特点：在薄膜淀积的基础上，利用光刻，刻蚀等ICIC常常用工艺制备多层膜微结构，最终用工艺制
11、备多层膜微结构，最终利用利用不同材料不同材料在在同一腐同一腐蚀液中蚀液中腐蚀速率的腐蚀速率的巨大差异巨大差异，选择性的腐蚀去掉结构层，选择性的腐蚀去掉结构层之间的牺牲层材料，从而形成由结构层材料组成的空腔之间的牺牲层材料，从而形成由结构层材料组成的空腔或悬空及可动结构。或悬空及可动结构。优点：与常规优点：与常规ICIC工艺的兼容性好工艺的兼容性好;器件可以做得很小器件可以做得很小 缺点：这种技术本身属于二维平面工艺，它限制了设缺点：这种技术本身属于二维平面工艺，它限制了设计的灵活性。计的灵活性。1718关键技术关键技术薄膜应力控制技术薄膜应力控制技术防粘连技术防粘连技术牺牲层技术牺牲层技术19
12、牺牲层技术牺牲层技术 表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺 基本思路为：基本思路为：在衬底上淀积牺牲层材料在衬底上淀积牺牲层材料利用光刻、利用光刻、刻蚀形成一定的图形刻蚀形成一定的图形淀积作为机械结构的材料并光刻淀积作为机械结构的材料并光刻出所需要的图形出所需要的图形将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉形成了悬浮的可动的微机械结构部件。形成了悬浮的可动的微机械结构部件。要求在腐蚀牺牲层的同时几乎不腐蚀上面的结构层和下要求在腐蚀牺牲层的同时几乎不腐蚀上面的结构层和下面的衬底。牺牲层技术的关键在于选择牺牲层的材料和面的衬底。牺牲层
13、技术的关键在于选择牺牲层的材料和腐蚀液腐蚀液20常用的牺牲层材料、腐蚀液及结构材料常用的牺牲层材料、腐蚀液及结构材料21在硅衬底上淀积一层牺牲层在硅衬底上淀积一层牺牲层（横截面）（横截面）在牺牲层上部淀积一层结构层在牺牲层上部淀积一层结构层（横截面）（横截面）释放后的悬臂梁释放后的悬臂梁按设计方案蚀刻结构层按设计方案蚀刻结构层锚接区锚接区悬臂梁悬臂梁横截面横截面顶视图顶视图一种最简单的悬臂梁工艺一种最简单的悬臂梁工艺22淀积牺牲层淀积牺牲层确确定定锚锚接接区区域域锚锚接接在在衬衬底底上上溶溶掉掉牺牺牲牲层层后后工艺过程示意图工艺过程示意图23附加凸起点工艺附加凸起点工艺与凸点匹配的凹坑凸起点2
14、425薄膜应力控制技术薄膜应力控制技术薄膜的薄膜的内应力和应力梯度内应力和应力梯度是表面微机械中的重要参数，是表面微机械中的重要参数，对机械结构的性能和形变影响很大，往往是表面微结构对机械结构的性能和形变影响很大，往往是表面微结构制作失败的原因制作失败的原因26防粘连技术防粘连技术粘连是指牺牲层腐蚀后，在硅片干燥过程中，应该悬空的梁、粘连是指牺牲层腐蚀后，在硅片干燥过程中，应该悬空的梁、膜或者可动部件等表面微结构，受液体流动产生的表面张力、膜或者可动部件等表面微结构，受液体流动产生的表面张力、静电力、范得华力等作用而与衬底发生牢固得直接接触，从静电力、范得华力等作用而与衬底发生牢固得直接接触，
15、从而导致器件失效而导致器件失效防止方法：防止方法：设计特殊结构设计特殊结构改进释放方法改进释放方法做表面处理做表面处理27键合键合(bonding)(bonding)技术技术在微型机械的制作工艺中，键合技术十分重要。在微型机械的制作工艺中，键合技术十分重要。键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有着
16、重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。学连接。在在MEMS工艺中，最常用的是硅工艺中，最常用的是硅/硅直接键合和硅硅直接键合和硅/玻璃静电键合技术，玻璃静电键合技术，最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。固相键合固相键合是将两块固态材料键合在一起，其间不用液态的粘结剂，键是将两块固态材料键合在一起，其间不用液态的
17、粘结剂，键合过程中材料始终处于固态，键合界面有很好的气密性和长期稳定性。合过程中材料始终处于固态，键合界面有很好的气密性和长期稳定性。28硅硅玻璃静电键合技术玻璃静电键合技术静电键合静电键合（阳极键合、场助键合）主要是利用玻璃在电场作（阳极键合、场助键合）主要是利用玻璃在电场作用下在表面形成的电荷积累原理而实现的一种键合方式。用下在表面形成的电荷积累原理而实现的一种键合方式。V V加热板加热板SiSi玻璃玻璃29/EV d221 0/2FVd 设高阻层厚度为设高阻层厚度为d d，电压为，电压为V V，则高阻层内电场强度：，则高阻层内电场强度：硅片与玻璃之间单位面积的静电吸引力为硅片与玻璃之间单
18、位面积的静电吸引力为当高阻层厚度当高阻层厚度d d小于小于1um1um时，硅与玻璃间的吸引力达时，硅与玻璃间的吸引力达几百公斤几百公斤/平方厘米平方厘米最好在界面处形成最好在界面处形成Si-OSi-O健健30材料材料要求：要求：硅片和玻璃片表面要硅片和玻璃片表面要抛光成镜面抛光成镜面 玻璃片中要含有足够量的玻璃片中要含有足够量的Na+Na+玻璃的玻璃的热膨胀系数与硅相近热膨胀系数与硅相近。Pgrex7740Pgrex7740，9595#玻璃玻璃31硅硅硅直接键合技术硅直接键合技术指两硅片通过高温处理直接键合在一起的技术指两硅片通过高温处理直接键合在一起的技术键合工艺步骤：键合工艺步骤：1).1
19、).将两抛光的硅片（氧化或未氧化）先经含将两抛光的硅片（氧化或未氧化）先经含OH-OH-的溶液的溶液浸泡处理浸泡处理2).2).在室温下将亲水的两硅片面对面贴合在一起，称为在室温下将亲水的两硅片面对面贴合在一起，称为预键合预键合3).3).在在O2O2或或N2N2环境中经数小时高温（环境中经数小时高温（800oC800oC以上）处理后，就形成了以上）处理后，就形成了牢固的键合。牢固的键合。32接触前硅片表面有接触前硅片表面有OHOH基基预键合形成氢键预键合形成氢键高温处理脱水形成氢键高温处理脱水形成氢键键合机理：键合机理：预键合时硅与硅表面之间产生的键合力是由于亲水表预键合时硅与硅表面之间产生
20、的键合力是由于亲水表面的面的OH-之间吸引力的作用形成了之间吸引力的作用形成了氢键氢键。进一步的高温处理可以。进一步的高温处理可以产生脱水效应，而在硅片之间形成产生脱水效应，而在硅片之间形成氧键氧键，键合强度增大。，键合强度增大。33P P 型型(1 1 0 0 0 0)硅硅 片片外外 延延 n n 型型 硅硅 膜膜n n 型型(1 1 0 0 0 0)硅硅 片片电电 阻阻抛光削薄第二片硅，形成压力传感器芯片抛光削薄第二片硅，形成压力传感器芯片压力传感器芯片压力传感器芯片34其他其他n电子束光刻电子束光刻提供了小至纳米尺寸分辩力的聚合物抗蚀剂图形转印的一提供了小至纳米尺寸分辩力的聚合物抗蚀剂图
21、形转印的一种灵活的曝光设备，远远地超过了目前光学系统的分辨力种灵活的曝光设备，远远地超过了目前光学系统的分辨力范围范围n聚焦离子束光刻聚焦离子束光刻利用聚焦离子束设备修复光掩模和集成电路芯片利用聚焦离子束设备修复光掩模和集成电路芯片n扫描探针加工技术（扫描探针加工技术（SPL）一种无掩模的加工手段，可以作刻蚀或者淀积加工，甚至一种无掩模的加工手段，可以作刻蚀或者淀积加工，甚至可以用来操纵单个原子和分子可以用来操纵单个原子和分子35 激光微机械加工技术激光微机械加工技术 LIGA LIGA加工技术加工技术 深等离子体刻蚀技术深等离子体刻蚀技术非硅基微机械加工技术非硅基微机械加工技术 紫外线厚胶刻
22、蚀技术紫外线厚胶刻蚀技术36LIGALIGA工艺工艺LIthograpie（制版术），（制版术），Gavanoformung(电铸电铸)，Abformung(塑铸塑铸)LIGALIGA工艺于工艺于2020世纪世纪8080年代初创于德国的卡尔斯鲁厄原年代初创于德国的卡尔斯鲁厄原子核研究所，是为制造微喷嘴而开发出来的子核研究所，是为制造微喷嘴而开发出来的LIGALIGA技术开创者技术开创者Wolfgang EhrfeldWolfgang Ehrfeld领导的研究小组曾领导的研究小组曾提出，可以用提出，可以用LIGALIGA制作厚度超高其长宽尺寸的各种微制作厚度超高其长宽尺寸的各种微型构件。型构件。
23、37LIGALIGA技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的限技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，较硅材料加工技术有一个很大的飞跃制，较硅材料加工技术有一个很大的飞跃LIGALIGA技术可以制造具有很大纵横比的平面图形复杂的三维技术可以制造具有很大纵横比的平面图形复杂的三维结构，尺寸精度达亚微米级，有很高的垂直度、平行度和结构，尺寸精度达亚微米级，有很高的垂直度、平行度和重复精度，设备投资大重复精度，设备投资大能实现高深宽比的三维结构，其关键是深层光刻技术。为能实现高深宽比的三维结构，其关键是深层光刻技术。为实现高深宽比，纵向尺寸达到数百微米的深度刻蚀，并且实现高深宽比，纵向
24、尺寸达到数百微米的深度刻蚀，并且侧壁光滑，垂直，要求：侧壁光滑，垂直，要求：一方面需要高强度，平行性很好的光源，这样的光源只有用同步辐射一方面需要高强度，平行性很好的光源，这样的光源只有用同步辐射光才能满足；光才能满足；另一方面要求用于技术的抗蚀剂必须有很好的分辩力，机械另一方面要求用于技术的抗蚀剂必须有很好的分辩力，机械强度，低应力，同时还要求基片粘附性好强度，低应力，同时还要求基片粘附性好38三步关键工艺三步关键工艺:深层同步辐射深层同步辐射X X射线光刻射线光刻利用同步辐射射线透过掩膜对固定于金属基底上的厚度可利用同步辐射射线透过掩膜对固定于金属基底上的厚度可高达几百微米的高达几百微米的
25、X X射线抗蚀层进行曝光。射线抗蚀层进行曝光。将其显影制成初级模板。将其显影制成初级模板。同步辐射同步辐射X X射线优点：射线优点：波长短、分辨率高、穿透力强波长短、分辨率高、穿透力强几乎是完全平行的几乎是完全平行的X X射线辐射射线辐射高辐射强度高辐射强度宽的发射频带宽的发射频带曝光时间短，生产率高，时间上具有准均匀辐射特性曝光时间短，生产率高，时间上具有准均匀辐射特性392.2.电铸成形电铸成形电铸成形是根据电镀原理，在胎膜上沉积相当厚度金属以形成电铸成形是根据电镀原理，在胎膜上沉积相当厚度金属以形成零件的方法。胎膜为阴极、要电铸的金属作阳极。零件的方法。胎膜为阴极、要电铸的金属作阳极。利
26、用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具。利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具。在在LIGA工艺技术中，把初级模板（抗蚀剂结构）膜腔底面上利工艺技术中，把初级模板（抗蚀剂结构）膜腔底面上利用电镀法形成一层镍或其他金属层，形成金属基底作为阴极，用电镀法形成一层镍或其他金属层，形成金属基底作为阴极，所要成形的微结构金属的供应材料（如镍、铜、银）作为阳极所要成形的微结构金属的供应材料（如镍、铜、银）作为阳极电铸时，直到电铸形成的结构刚好把抗蚀剂模板的型腔填满电铸时，直到电铸形成的结构刚好把抗蚀剂模板的型腔填满1.将整个浸入剥离溶剂中，对抗蚀剂形成的初级模板进行腐蚀剥将整个浸入剥离溶剂中，对
27、抗蚀剂形成的初级模板进行腐蚀剥离，剩下的金属结构即为所需求的微结构件离，剩下的金属结构即为所需求的微结构件403.3.注塑注塑利用微塑铸制备微结构利用微塑铸制备微结构将电铸制成的金属微结构作为二级模板将电铸制成的金属微结构作为二级模板将塑性材料注入二级模板的膜腔，形成微结构塑性件，将塑性材料注入二级模板的膜腔，形成微结构塑性件，从金属模中提出从金属模中提出1.1.也可用形成的塑性件作为模板再进行电铸，利用也可用形成的塑性件作为模板再进行电铸，利用LIGALIGA技术进行三维微结构件的批量生产技术进行三维微结构件的批量生产41优势优势1.1.深宽比大，准确度高。所加工的图形准确度小于深宽比大，准
28、确度高。所加工的图形准确度小于0.50.5，表面，表面粗糙度仅粗糙度仅10nm10nm，侧壁垂直度，侧壁垂直度89.989.9，纵向高度可达，纵向高度可达500500以上以上2.2.用材广泛。从塑料（用材广泛。从塑料（PMMAPMMA、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等）到、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等）到金属（金属（AuAu、AgAg、NiNi、CuCu）到陶瓷（）到陶瓷（ZnOZnO2 2）等，都可以用）等，都可以用LIGALIGA技术技术实现三维结构实现三维结构3.3.由于采用微复制技术，可降低成本，进行批量生产由于采用微复制技术，可降低成本，进行批量生产工艺流程图工艺流程图同步辐射同步辐射X X
29、光光(波长波长1nm)1nm)AuAu掩膜版掩膜版PMMAPMMA光刻胶光刻胶(厚达厚达1000um)1000um)电铸电铸塑铸塑铸深宽比可超过深宽比可超过100100亚微米精度的微结构亚微米精度的微结构光刻光刻LIGA LIGA 工艺基本流程图工艺基本流程图生产周期较长生产周期较长生产成本高生产成本高常规紫外光常规紫外光(波长几百波长几百nm)nm)标准标准CrCr掩膜版掩膜版聚酰亚胺光刻胶聚酰亚胺光刻胶(厚厚300um)300um)电铸电铸塑铸塑铸深宽比常为几十深宽比常为几十微米精度微结构微米精度微结构光刻光刻准准LIGA LIGA 工艺基本流程图工艺基本流程图生产周期较短生产周期较短生产
30、成本较低生产成本较低44镀金区镀金区X射线X射线基底基底光刻胶(PMMA)光刻胶(PMMA)掩膜掩膜(Si3N4),11.5um需要用产品：需要用产品：一根管子一根管子基基底底光光刻刻胶胶(P PM MM MA A)45工艺流程工艺流程46基片基片附着层附着层电铸镍电铸镍钛分离层钛分离层PMMA胶(X光刻图)PMMA胶(X光刻图)LIGALIGA电铸后的剖面结构电铸后的剖面结构优点：加工材料可以是金属、塑料和陶优点：加工材料可以是金属、塑料和陶瓷瓷.器件结构深刻比高，厚度大、结构精器件结构深刻比高，厚度大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑细、侧壁陡峭、表面光滑缺点：需要同步辐射射线光源；掩膜缺点：
31、需要同步辐射射线光源；掩膜板制造困难。大部分只能使用单个掩膜板制造困难。大部分只能使用单个掩膜版制造结构，难以制造复杂版制造结构，难以制造复杂3D3D结构。适结构。适于制造小零件，但大部分器件需要装配于制造小零件，但大部分器件需要装配,难与难与ICIC兼容。兼容。48 激光微机械加工技术激光微机械加工技术激光微机械加工技术依靠改变激光束的强度和扫描幅激光微机械加工技术依靠改变激光束的强度和扫描幅度对涂在基片上的光刻胶进行曝光，然后进行显影，度对涂在基片上的光刻胶进行曝光，然后进行显影，最后采用反应离子刻蚀技术，按激光束光刻胶模型加最后采用反应离子刻蚀技术，按激光束光刻胶模型加工成微机械结构。工
32、成微机械结构。激光光刻技术比射线光刻的工艺要简单的多。将其激光光刻技术比射线光刻的工艺要简单的多。将其与各向异性腐蚀工艺结合就可用于加工三维结构。与各向异性腐蚀工艺结合就可用于加工三维结构。49 深等离子体刻蚀技术深等离子体刻蚀技术最大优越性是只采用氟基气体作为刻蚀气体和侧壁钝化用聚合最大优越性是只采用氟基气体作为刻蚀气体和侧壁钝化用聚合物生成气体，从根本上解决了系统腐蚀和工艺尾气的污染问题物生成气体，从根本上解决了系统腐蚀和工艺尾气的污染问题关键是采用了刻蚀与聚合物淀积分别进行而且快速切换的工艺关键是采用了刻蚀与聚合物淀积分别进行而且快速切换的工艺过程。同时还采用了射频电源相控技术使离子源电
33、源和偏压电过程。同时还采用了射频电源相控技术使离子源电源和偏压电源的相位同步，以确保离子密度达到最高时偏压也达到最高，源的相位同步，以确保离子密度达到最高时偏压也达到最高，使高密度等离子刻蚀的优势得到充分发挥。使高密度等离子刻蚀的优势得到充分发挥。50紫外线厚胶刻蚀技术紫外线厚胶刻蚀技术使用紫外光源对光刻胶曝光，使用紫外光源对光刻胶曝光，工艺分为厚胶的深层紫工艺分为厚胶的深层紫外光刻和图形中结构材料的电镀外光刻和图形中结构材料的电镀对于器件厚胶图形的曝光，设备应满足大焦深，大对于器件厚胶图形的曝光，设备应满足大焦深，大面积和严格的均匀性以及适应各种特殊形状衬底的曝光面积和严格的均匀性以及适应各
34、种特殊形状衬底的曝光要求要求对于分步重复曝光设备，还必须保证满足大面积图形曝光的对于分步重复曝光设备，还必须保证满足大面积图形曝光的精密子场图形拼接技术要求。精密子场图形拼接技术要求。51三维表面光刻的抗蚀剂喷涂技术三维表面光刻的抗蚀剂喷涂技术n由于由于MEMSMEMS器件衬底的尺寸和形状与传统的硅片不同，在光刻工艺器件衬底的尺寸和形状与传统的硅片不同，在光刻工艺的抗蚀剂表面涂覆均匀性方面提出了一些新的要求的抗蚀剂表面涂覆均匀性方面提出了一些新的要求,即是对具有即是对具有高度表面形貌的硅片，当采用一些刻蚀工艺加工一些不同的硅表高度表面形貌的硅片，当采用一些刻蚀工艺加工一些不同的硅表面时，各种情
35、况也变得更为突出。面时，各种情况也变得更为突出。n通过各向同性的湿法化学刻蚀和各向异性的干法等离子刻蚀工艺，通过各向同性的湿法化学刻蚀和各向异性的干法等离子刻蚀工艺，产生了不同斜率的图形侧壁凹槽。产生了不同斜率的图形侧壁凹槽。n由于器件不断增长的集成度要求，提出了由平面结构向由于器件不断增长的集成度要求，提出了由平面结构向三维器件转移的上升趋势。三维器件转移的上升趋势。52封装是利用某种材料将芯片保护起来，并与外界隔封装是利用某种材料将芯片保护起来，并与外界隔离的方式和加工方法。离的方式和加工方法。封装封装封装的作用封装的作用1.1.具有保护和隔离作用具有保护和隔离作用2.2.为芯片提供合适的
36、外引线结构为芯片提供合适的外引线结构3.3.为芯片提供散热和电磁屏蔽条件为芯片提供散热和电磁屏蔽条件4.4.提高芯片的机械强度和抗外界冲击的能力提高芯片的机械强度和抗外界冲击的能力53MEMSMEMS封装的要求封装的要求nMEMSMEMS器件要和测试环境之间形成一个接触界面而获取非电信号，器件要和测试环境之间形成一个接触界面而获取非电信号，而外部环境对灵敏度极高的而外部环境对灵敏度极高的MEMSMEMS敏感元件来说都是非常苛刻的，敏感元件来说都是非常苛刻的，它要有承受各方面环境影响的能力，比如机械的（应力，摆动，它要有承受各方面环境影响的能力，比如机械的（应力，摆动，冲击等）、化学的（气体，温
37、度，腐蚀介质等）、物理的（温度冲击等）、化学的（气体，温度，腐蚀介质等）、物理的（温度压力，加速度等）等压力，加速度等）等n大部分器件都包含有可活动的元件大部分器件都包含有可活动的元件n由于器件体积小，因此都必须采用特殊的技术和封装由于器件体积小，因此都必须采用特殊的技术和封装5455真空封装工艺设备真空封装工艺设备(多功能真空键合机多功能真空键合机)系统组成系统组成1 1、真空系统、真空系统2 2、光学对准系统。、光学对准系统。3 3、加温和冷却系统。、加温和冷却系统。4 4、加压系统。、加压系统。5 5、硅片输送系统、硅片输送系统56多功能真空键合机功能：多功能真空键合机功能：1）低温焊料
38、键合（通过中间材料进行键合）；）低温焊料键合（通过中间材料进行键合）；2）硅玻璃阳极键合；）硅玻璃阳极键合；3）金硅等共晶键合；）金硅等共晶键合；4）真空回流焊。）真空回流焊。主要技术指标：主要技术指标：1）常温）常温20，加热最高温度为，加热最高温度为550，精度，精度3，升温速度，升温速度100/m2）冷却时降温速度）冷却时降温速度100/min；3）极限真空度为）极限真空度为4104Pa，4）对准精度为）对准精度为2um，5）加载压力：）加载压力：00.6MPa，可调。，可调。57MEMSMEMS封装分类封装分类n单芯片封装单芯片封装n晶圆级封装晶圆级封装n多芯片模块和微系统封装多芯片模
39、块和微系统封装常用封装形式有无引线陶瓷芯片载体封装，金属封装，金属常用封装形式有无引线陶瓷芯片载体封装，金属封装，金属陶瓷封装等，在微电子封装中倍受青睐的倒装芯片封装，球陶瓷封装等，在微电子封装中倍受青睐的倒装芯片封装，球栅阵列封装和多芯片模块封装已经逐渐成为栅阵列封装和多芯片模块封装已经逐渐成为MEMS封装中的封装中的主流。其封装形式可以分为主流。其封装形式可以分为58键合封装主要分为两步：键合封装主要分为两步：管芯键合：管芯键合：把芯片固定到合适的集成电路管座上，有时需要在把芯片固定到合适的集成电路管座上，有时需要在固定芯片的同时，在芯片背面形成电学连接。固定芯片的同时，在芯片背面形成电学
40、连接。引线键合：引线键合：采用细的金属丝将集成电路芯片上的压焊点与管壳采用细的金属丝将集成电路芯片上的压焊点与管壳底座上的引线端连接起来。引线焊接的方法主要有底座上的引线端连接起来。引线焊接的方法主要有热压焊接、热超声焊接与超声焊接等几种方法。热压焊接、热超声焊接与超声焊接等几种方法。引线键合引线键合59MEMSMEMS封装发展趋势封装发展趋势MEMSMEMS器件封装将进一步微小型化，适用于各种复杂类器件封装将进一步微小型化，适用于各种复杂类型封装的特殊结构，机械和工艺，型封装的特殊结构，机械和工艺，封装材料应适应高真空，强腐蚀介质，封装材料应适应高真空，强腐蚀介质，封装的方式逐步向集成化和低
41、成本方向发展，充分借封装的方式逐步向集成化和低成本方向发展，充分借鉴和引用微电子封装技术和经验，向芯片规模封装，鉴和引用微电子封装技术和经验，向芯片规模封装，圆片级封装和三维封装方向发展。圆片级封装和三维封装方向发展。60MEMSMEMS技术的发展趋势技术的发展趋势n研究方向多样化研究方向多样化研究内容涉及领域广，含军事、民用等各个应用领域。研究内容涉及领域广，含军事、民用等各个应用领域。n加工工艺多样化加工工艺多样化使用和研究的加工工艺广，而具体的加工手段更是多种多样。使用和研究的加工工艺广，而具体的加工手段更是多种多样。n系统单片集成化系统单片集成化nMEMSMEMS器件芯片制造与封装统一考虑器件芯片制造与封装统一考虑 MEMS MEMS器件与集成电路芯片的主要不同在于：器件与集成电路芯片的主要不同在于：MEMSMEMS器件芯片一般器件芯片一般都有活动部件，比较脆弱，在封装前不利于运输都有活动部件，比较脆弱，在封装前不利于运输n普通商用低性能普通商用低性能MEMSMEMS器件与高性能特殊用途器件与高性能特殊用途(如航空、如航空、航天、军事用航天、军事用)MEMS)MEMS器件并存器件并存
