1、2023-1-114.1MEMS与微制造2023-1-12六英寸的飞机2023-1-1344克的小飞机2023-1-14六英寸直升机（HR-1)_12023-1-15微型涡喷发动机_12023-1-16微型涡喷发动机_22023-1-17大小：55 10mm2023-1-184.1MEMS与微制造MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的缩写。即微 机电系统,它是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它包括感知和控制外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器，以及
2、进行信号处理和控制的电路。美国：MEMSMicroElectroMehanical System欧洲：Micro System日本：Micro Machine其它：Micro&ano 技术2023-1-19SystemSystemXMicroX?ControlElectronicsMicroelectronics2023-1-110微机电系统MEMSMEMS发展历史回顾压力传感器：54年：Si、Ge压阻效应66年：机械研磨做硅腔70年：各向同性腐蚀硅腔76年：KOH 腐蚀，MEMS加工手段80年代：集成式压力传感器目前：新机理压力传感器1947年：发明晶体管-技术基础19世纪的照相制版技术，诞
3、生了光制造技术。2023-1-111发展的历史19世纪的照相制版技术，诞生了光制造技术。20 世纪60 年代,加利福尼亚和贝尔实验室开发出微型硅压力传感器,70 年代开发出硅片色谱仪、微型继电器。7080 年代利用微机械技术制作出多种微小尺寸的机械零部件。1988 年uc2Muller 小组制作了硅静电马达,1989 年NSF 召开研讨会,提出了“微电子技术应用于电(子)机系统”。自此,MEMS 成为一个世界性的学术用语,MEMS 技术的研究开发日益成为国际上的一个热点。目前,在美、日、欧三地轮回每年举行一次,名为IEEE 国际微机电系统年会。2023-1-112微机电系统MEMS82年：美国
4、U.C.Bekeley，表面牺牲层技术 微型静电马达成功 MEMS进入新纪元2023-1-113微机电系统MEMS 九十年代初九十年代初ADIADI的气囊加速度计实现产业化的气囊加速度计实现产业化2023-1-114微机电系统MEMS90年代中：ICP的出现促进体硅工艺的快速发展2023-1-115微机电系统MEMS九十年代末九十年代末SandiaSandia实验实验室室5 5层多晶硅技术代表最层多晶硅技术代表最高水平高水平2023-1-116微机电系统MEMS2000年底/：MEMSSi宣布研制成功与标准CMOS兼容的加速度计新动向2023-1-117一般地说，MEMS具有以下几个非约束性的
5、特征：（1）尺寸在毫米到微米范围之内，区别于一般宏(Macro)，即传统的、大于1 厘米尺度的“机械”，但并非进入物理上的微观层次；（2）基于（但不限于）硅微加工(Silicon Microfabrication)技术制造；（3）与微电子芯片类同，可大批量、低成本生产，性能价格比传统“机械”制造技术大幅提高；（4）MEMS中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应，包括力、热、声、光、磁，乃至化学、生物能等；（5）MEMS的目标是微“机械”与I C 集成的微系统有智能的微系统。用以上特征衡量，用微电子技术（但不限于此）制造的微小机构、器件、部件和系统等都
6、属于MEMS范围，微机械和微系统只是MEMS发展的不同层次，有关的科学技术都可统称为MEMS技术。2023-1-118在微机械中通常使用硅作为功能材料，这是由于硅材料具有下列的特点：（1）它比铝轻，比不锈钢的拉伸强度高，硬度高，弹性好，抗疲劳；（2）在许多环境下，不生锈，不溶解，耐高温；（3）可借用现有的集成电路加工设备及工艺技术，很容易制作出微米程度的微构造，从而大大降低MEMS的研制费。（4）利用集成电路技术在可能把微机械同微处理器、传感器等电路巧妙地集成到一块硅片上；（5）利用光刻技术和自动生产线可廉价大量生产；（6）硅资源很丰富，市场上有大量的高纯度硅片出售。2023-1-119对微构
7、造而言，由硅制作的膜片、梁或弹簧呈现很好的弹性且无塑性变形，其机械强度和可靠性比同样形状和尺寸的金属微结构更为优异。2023-1-1204.1.1MEMS的含义微型机械（Micro machine,日本惯用词）或称微型机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems,美国惯用词）或微型系统（Micro systems,欧洲惯用词）。它是指可以批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通信电路和电源等一体的微型器件或系统，其特征尺寸范围为1nm10mm.2023-1-121图4-2MEMS与外部世界的相互作用示意图2023-1-1
8、22图4-2 表示了一个完整MEMS 的构成内容和相互关系。从表面看,这个框图与传统的自动控制系统没有明显区别,但与传统的系统相比,微型传感器的使用将系统的体积明显缩小。在小型化过程中,MEMS系统经历了分立传感器小型化后出现的单板系统、传感器芯片与集成电路芯片封装在一起的多模块(MCM)系统和传感器与集成电路制作在一个芯片上的单芯片系统。在MEMS 中:微传感器是将外部的力、热、声、光、化学等信息转化为电信号,并传给处理电路;处理电路对信号进行放大、转换、计算等处理,并对微执行器发出指令;微执行器根据指令对外部发生动作。2023-1-123Figure 2.(a)A MEMS silicon
9、 motor together with a strand of human hair,and(b)the legs of a spider mite standing on gears from a micro-engine.2023-1-1244.1.2MEMS的特征MEMS的制作主要基于两大技术：IC技术和微机械加工技术。与传统的微电子和机械加工技术相比，MEMS技术具有以下几个显著的特点：（1）微型化MEMS技术已经达到微米乃至亚微米量级，利用MEMS技术制作的器件具有体积小、耗能低、惯性小、频率高、响应时间短等特点，可携带性得以提高。（2）集成化微型化利于集成化，把不同功能、不同敏感
10、方向和制动方向的传感器、执行器集成于一体，形成传感器阵列，甚至可以与IC 一起集成为更复杂的微系统。2023-1-125（3）以硅为基本材料主要有晶体硅和氮化硅等。力学特性良好，具有高灵敏性，强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度同铝，仅为钢的三分之一，热传导率接近铜和钨。（4）生产成本低在一个硅片上可同时制作出成千上万的微型部件或MEMS，制作成本大幅度下降，有利于批量生产。4.1.2MEMS的特征2023-1-1264.1.3MEMS的研究领域微电子机械系统(MEMS)技术基于微电子和微机械的有机集成,涉及微电子学、微机械学、微材料学、微摩擦学、微电磁学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学
11、、自动控制、物理、化学及生物医学等多个学科的研究领域,集约了各学科前沿领域研究的新技术、新成果,和纳米科学技术(NST)一起被列为21 世纪关键技术之首。概括起来，MEMS研究可以分为理论基础、技术基础以及应用领域3个主要组成部分。2023-1-1271.基础理论在微观领域，许多物理现象同宏观领域相悖，这可由尺寸效应来解释。尺寸效应：当物体的尺寸L改变时，种种的物理量比例于而变化的现象。例，蒲公英的种子或灰尘的下落；潜水艇的反作用的惯性力的推动。热交换和化学反应煮萝卜，铁粉的燃烧。微机械常用材料、微构造的机械特征、微构造的振动特性、微构造的热特性、微机械的驱动原理等。nL2023-1-1282
12、.技术基础(1)微系统设计技术；计算机辅助设计（CAD）是微系统设计的主要工具。(2)微细加工技术；是微机电系统技术的核心技术。(3)微机械材料；包括用于敏感元件和致动元件的功能的材料、结构材料，具有良好电气、机械性能，适应微型加工要求的材料。(4)微系统测量技术；涉及材料的缺陷、电气机械性能、微结构、微系统参数和性能测试。在测量的基础上，建立数学、力学模型(5)微系统的集成和控制。包括系统设计、微传感器和微执行器与控制、通信电路以及微能源的集成等。2023-1-1293.应用领域微传感器、微致动器是构成微机电系统的基础。1.微传感器 微传感器是MEMS最重要的组成部分。1962年第一个硅微型
13、压力传感器后，微传感器得到了迅速的发展，同时MEMS技术的应用又使传感器的性能提高了几个数量级。如今，微传感器主要包括以下几种：面阵触觉传感器、谐振力敏传感器、微型加速度传感器以及真空微电子传感器等。已经研究或形成的器件主要有：力、加速度、速度、位移、pH值、微陀螺、触觉传感器等。其中，微压力传感器是利用机械结构的固有频率在外力作用下其频率发生变化来检测外力的，它将被用在未来机器人的人造皮肤上，使机器人具有敏锐的触觉，机器人的四肢将变得和人的四肢一样灵巧。微型加速度传感器采用电阻热激振、压阻电桥同步枪测的方法来获得信号输出。汽车安全气囊的核心部件就是微型加速度传感器，另外，未来机器人的运动平衡
14、系统也将用到这种传感器，使其运动像人一样稳健和灵活。2023-1-130传感器n位置传感器 電位計電位計 直線式電位計 2023-1-131传感器(續)n位置传感器 電位計電位計 轉動式電位計 2023-1-132传感器(續)n位置传感器 編碼器編碼器 直線式編碼器 2023-1-133n位置传感器 編碼器編碼器 轉動式編碼器 传感器(續)2023-1-134n溫度传感器 熱敏電阻熱敏電阻 橋式溫度感測電路 传感器(續)3133112RRVRVRRVRVRTRoutrefoutref2023-1-135n溫度传感器 半導體溫度感測器半導體溫度感測器 電流型之積體電路溫度感測電路 传感器(續)2
15、143lnIIqKTVVVBEBET2023-1-136n力量传感器 典型之力量量測通常以4個應變規(strain gage)貼於如圖所示之待測物件上。力量传感器 传感器(續)2023-1-137n力量传感器 力量传感器等效電路 传感器(續)LLGVRRVRRRRRRRRRRRRVVrefrefrefout222023-1-138n光度传感器 最常用之光度感測元件為光電晶體，輸出電流IC與入射光之能量成正比，而入射光之能量又可以LED之光電流IP來表示，量測IC即可求出光之照度。传感器(續)光電晶體等效電路 2023-1-1392.微致动器电子式能量转换器之一，其功能是将电能转换成物理量。微致
16、动器主要种类有:微机电、微开关、微谐振器、微阀门和微泵等。微执行器的驱动力主要有静电、压力、电磁和热。如以静电作为动力的微执行器,用静电间的吸引力,改变极间的电压就可以推动某一板做机械运动。进一步将微型执行器分布成阵列,系列化可以做很多事,如物体的搬运、定位等。2003 年MEMS 会议上,瑞士的L.Dellman 报道了一种用于手表的微型机械加工压电弹力电机,力距高达1N.m,而功率仅10W。2023-1-140物理量物理量致致动动器器 运动电动机溫度电阻应变压电致动器力量电动机光灯泡影像激光打印机压力压电材料射线同步加速器电波电波发射器常用物理量与致动器之对照表 2023-1-141202
17、3-1-142n步進馬達 當CC激能時，轉子順時針轉15，若DD接著激能，則轉子再順時針轉15。致動器(續)四相單極步進馬達 2023-1-1434.1.4MEMS的设计技术微机电系统的设计加工与传统的设计加工不同，传统的设计加工思路是从零件到装配最后到系统，是自下而上的方法；微机电系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的，是一种自上而下的方法。微系统的设计技术主要是设计方法的研究，其中计算机辅助设计（CAD）是微系统设计的主要工具。2023-1-144 Unfortunately,to date there is a
18、lack of adequate advanced software based design tools to fully model,analyse and simulate MEMS microstructures as well as integrated MEMS/IC devices.This has acted as a barrier to the development of MEMS devices and systems.One of the most successful and commercially availablesoftware design tools t
19、oday is MEMCAD,a package fro Microcosm Technologies in North Carolina,USA.2023-1-145MEMS的迅猛发展对其测试系统提出了很高的要求，MEMS器件除了电子系统外，还包含了非电子系统。对MEMS除了进行相关的电子学测试外，还应包括微机械结构和形貌测试，微机械力学与动态特性测试，微机械系统中热学特性测试，微机械光学特性测试等。因此，MEMS的测试要比集成电路测试更为复杂。MEMS测试系统对精密光学制造，高精度的光电传感器，精密机械的加工，精细控制，微弱信号的变换与检测等提出了很高的要求。目前，MEMS测试技术的研究在
20、国际上已引起了高度重视，针对不同的MEMS器件和应用目的，已经研制开发出一些有实用价值的测试仪器，如美国Sandian国家实验室研究的MEMS器件可靠性测试系统，麻省理工学院的Freeman教授领导研究的基于计算机视觉的MEMS测试系统。4.1.5MEMS的测量技术2023-1-1464.1.5MEMS的测量技术涉及几何量、力学量、电磁量、光学量和声学量的检测。1.MEMS用材料性能测试；包括MEMS用结构与功能材料性能的测试，应研究的方向包括：评估方法怀标准，功能材料专项性能测试技术，关键功能材料性能测试仪器与手段。2.MEMS产品加工过程参数测试；包括相关的电路测试技术研究，三维结构形貌与
21、尺寸测试技术，微观机械特性测试技术，表面膜结构与性能测试技术。3.MEMS芯片基本功能测试。包括芯片级微机械动态船尾测试技术、微机械光学测试技术、微机械力学特性测试技术、微机械结构分析技术等专用测试技术。2023-1-1474.1.6MEMS的加工传统的制造业依赖大量的关键机械设备和有关的工艺，这些设备和工艺已有几十年甚至上百年的历史了。例如铸造、锻造、车削、磨削、钻孔和电镀等均是一个综合的制造环境所必不可少的。这些设备和工艺与大量的其它物理和化学手段及工艺均用作制造环境的基础，它们在半导体产业中均具有其相应的替代技术。光学光刻，耦合等离子刻蚀，金属的溅射涂覆，金属的等离子体增强化学汽相淀积和
22、介质隔离以及在掺杂工艺中的离子注入和衬底处理，现都已成为集成电路制造中的常规工艺。基于电子束制版和光学投影光刻及电子束直写光刻这种基本的图形加工技术现已成为先进的纳米尺寸作图技术的主要角色。上述的这些设备和技术以及一些还未流行的设备的工艺目前正被用于MEMS的纳米技术制造，且成为微时代的微机械加工设备，2023-1-148离子束4.刻蚀（形成沟槽）5.沉积（形成电路）6.剥膜（去除光致抗蚀剂）3.显影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或扫描）掩膜电子束电子束光刻大规模集成电路加工过程光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）1.涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片2023-1-149从工艺上讲，
23、MEMS的制造技术分为部件及子系统制造工艺和封装工艺，前者包括半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等；后者包括硅加工技术、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、多芯片组件工艺等。MEMS与微电子系统比较，区别在于其包含有微传感器、微执行器、微作用器、微机械器件等的子系统，相对静态微器件的系统而言，MEMS的加工技术难度要高。MEMS加工技术是在硅平面技术的基础上发展起来的，虽然历史不长，但发展很快，已成为当今最重要的新技术之一。从目前应用来看，其加工技术主要可分为硅基微机械加工技术和非硅基微机械加工技术。2023-1-150 制作MEMS的
24、技术主要有三种。第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造出小机器，再利用小机器制造出微机器的方法；第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件；第三种是以德国为代表的LIGA(LIGA是德文Lithograpie光刻、Galvanoformung电铸和Abformung塑铸三个词的缩写)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。2023-1-151 第二种方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。由于利用LIGA技术可以加工各种
25、金属、塑料和陶瓷等材料，而且利用该技术可以得到高深宽比的精细结构，它的加工深度可以达到几百微米，因此LIGA技术也是一种比较重要的MEMS加工技术。2023-1-152 硅微机械加工工艺有很多种，传统上往往将其分为体硅加工(bulk micromachining)工艺和表面硅加工(surface micromachinig)工艺两种。前者一般是对体硅进行三维加工，以衬底单晶硅片作为机械结构；后者则利用集成电路工艺相似的平面加工手段，以硅(单晶或多晶)薄膜作为机械结构。然而，由于当前硅微机械加工工艺飞速发展，不断有新的工艺方法出现，许多工艺方法可以同时用于体加工和平面加工，有些方法则兼具体加工和
26、表面加工的特点，很难给予确切的分类。1.硅基微机械加工技术2023-1-153 目前正在使用的硅基微机械加工技术有三种：体硅体微机械加工、表面微机械加工、复合微机械加工。1.硅基微机械加工技术（1）体硅微机械加工 体硅微加工技术是以整体的单晶硅材料作为加工对象，采用除去加工（腐蚀）、附着加工（镀膜）、改质加工（掺杂）和结合（键合）加工等工艺，在硅体上有选择性地去除或附着一部分材料，从而获得所需的微结构。硅体微机械加工最为常用的方法是利用硅的各向异性的特点所进行的腐蚀技术。腐蚀技术是加工传感器的最基础、最关键的技术，它通常有两种：干法腐蚀和湿法腐蚀。2023-1-154湿法腐蚀是最早应用于IC
27、和MEMS的技术1970各向同性腐蚀各方向上有相同的腐蚀速率 HNA：HF+HNO3+H2O +HAC（CH3COOH）各向异性腐蚀腐蚀速率依赖于单晶晶向 KOH+肼（联胺）乙二胺+邻苯二酚（EDP）沿特定晶向腐蚀通常腐蚀是在有掩膜条件下进行，或结合自停止腐蚀技术完成，以获得所需图形（1）体硅微机械加工湿法腐蚀工艺2023-1-155机理：电化学反应（氧化还原反应）硅片表面存在微观的阴极、阳极；在阳极发生氧化，阴极还原腐蚀机理 空穴到达半导体表面；Si+2H+Si2+吸附来自水中的OH-：Si2+2OH-Si（OH）2 Si（OH）2与溶液中的络和剂反应 副产物在腐蚀剂中溶解2023-1-15
28、6硅的各向同性腐蚀：作用：去除表面损伤 在单晶硅上构造结构 清洗炉管常用腐蚀剂：HNAHF+HNO3+H2O（HAC）2023-1-157反应过程：Si+2H+Si2+Si2+2OH-Si（OH）2氢被释放形成SiO2HF溶解SiO2形成水溶液H2SiF6Si+HNO3+6HF=H2SiF6+H2NO2+H2O+H22023-1-158H2O、HAC的作用：稀释剂或缓冲剂HAC的作用是控制HNO3的溶解度，在使用时间内使氧化速率保持常数（H+的固容度一定）2023-1-159不同组分对腐蚀速率的影响：HF高、HNO3低 腐蚀速率由HNO3浓度控制 开始阶段困难，易变，在一定周期内硅表面缓慢生长
29、氧化层，腐蚀受氧化-还原反应控制，趋于依赖晶向 HF低、HNO3高：腐蚀速率受HF溶解形成的SiO2的速率控制 反应有自钝化特点，表面覆盖SiO2（3050A）基本限制来自去除硅的复合物 腐蚀各向同性、抛光作用2023-1-160 HF：HNO3=1：1与稀释剂有关 稀释剂低于10%，对其不敏感 稀释剂10%30%，随稀释剂速率增加降低 稀释剂高于30%，微小的浓度变化导致腐蚀速率很大变化 多种比例可供选择，用于腐蚀硅 HF溶液对硅也有溶解作用，但速率很慢，小于1A/Min2023-1-161各向异性化学腐蚀对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率有机腐蚀剂：EPW（乙二胺+邻苯二酚+H2O），联胺无
30、机腐蚀剂：碱性腐蚀液（KOH，NaOH，LiOH，CsOH，NH4OH）重点KOH，EPW，TMAH2023-1-162KOH腐蚀系统：KOH+H2O+IPA（CH3）2CHOH腐蚀原理：无IPA：Si+H2O+2KOH=K2SiO3+2H2有IPA：KOH+H2O=K+2OH-+H+Si+2OH-+H2O=Si（OH）6-2氧化为含水化合物 Si（OH）6-2+6（CH3）2CHOH=Si（OC3H7）6-2+6H2O 络化反应即：KOH将硅氧化成含水硅化物；与IPA反应生成可溶硅络合物2023-1-163EPW腐蚀系统：乙二胺（NH2（CH2）2NH2）E E 邻苯二酚（C6H2（OH）2
31、）P P 水 W W反应：电离：NH2（CH2）2NH2+H2ONH2（CH2）2NH3+（OH)-氧化还原：Si+2(OH)-+4H2OSi(OH)6=+2H2络合过程：Si(OH)6=+C6H2（OH）2Si(C6H4O2)3=+6H2O乙二胺，水：氧化；邻苯二酚：络合2023-1-164反应装置：反应温度：115度，低温下将在硅表面产生不可溶解的残留物，使表面粗糙带回流：防蒸发带搅拌有毒2023-1-165择优机理：与晶体结构有关与不同晶向的悬挂键有关与背键有关通常111面腐蚀速率最慢，与100比可达100：12023-1-166湿腐蚀Figure 19.Isotropic etchin
32、g with(a)and without(b)agitation,and anisotropic wet etching of(100)and(110)silicon(c and d respectively).2023-1-167干法腐蚀工艺是靠腐蚀剂的气态分子与被腐蚀的样品表面接触来实现腐蚀功能的。2023-1-168器件加工对刻蚀工艺的需求MEMS器件的特点要求获得尺寸精确的大质量块湿法腐蚀的缺陷 有毒、腐蚀性腐蚀液，污染废料 操作周期长（腐蚀+清洗）侧向钻蚀，难于精确控制 难获得任意图形垂直侧壁 对掩膜要求高，限制了使用范围干法腐蚀工艺是靠腐蚀剂的气态分子与被腐蚀的样品表面接触来实现腐
33、蚀功能的。2023-1-169等离子体腐蚀：低压（10-41Torr）放电所产生的离子、电子和中子组成的部分离化的气体及自由原子团，同固体表面所产生的物理、化学作用等离子体刻蚀的种类：RIE、离子束铣等反应气体：RIE：SF6、CCl4、Cl2、BCl3等 离子铣：Ar+等惰性气体2023-1-170等离子体的产生：气体加电场后击穿，自由电子获得能量后与气体分子碰撞（弹性或非弹性）：（1）气体分子电离，发射二次电子，继续碰撞（2）没有使气体电离，而是使分子分裂或使分子（原子）中的电子激发到较高的状态，向较低电子态驰豫时发射光子，产生辉光分子分裂物常为高活性的原子或自由原子团游离基同时存在电子与
34、离子的复合过程，达到平衡，放电就达到自持稳定等离子体就是由正离子、负离子、自由电子等带电粒子，以及不带电的中性粒子如激发态分子、自由基等组成的气体。可看作由冷介质内活性很高的粒子活性很高的粒子组成，在固体表面进行物理、化学反应完成腐蚀等离子体正负电荷相等，等离子体导电2023-1-171深反应刻蚀：高深宽比刻蚀（DRIE）依赖于高密度等离子源以及刻蚀、钝化工艺交替来实现。高密度等离子源产生于电感耦合或ECR可实现的指标：深宽比：30：1（902o）对胶选择比：50100：1对SiO2选择比：120200：1腐蚀速率：23微米/分2023-1-172Figure 20.Deep Reactive
35、 Ion Etching(DRIE).2023-1-173干法深刻蚀工艺2023-1-174干法深刻蚀工艺2023-1-175（2）表面硅微机械加工技术 这种技术是利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置，被加工的微机械装置一般包括一层用作电连接的多晶硅层和一层或多层的机械加工多晶层，由它们形成各种机械部件，如悬臂梁、弹簧、联动杆等。由于整个工艺都基于集成电路制造技术，因此可以在单个直径为几十毫米的单晶硅基片上批量生成数百个微机械装置。这种技术的最大优点是在与IC工艺完全兼容，但是，它制造的机械结构基本上都是二维的，若利用多层加工，也可制造结构复杂，功能强大的MEMS系统，但是微型元件的布局平
36、面化和残余应力等问题必须在设计中予以考虑。2023-1-176Figure 21.Surface micromachining of a cantilever beam using a sacrificial layer.2023-1-177Figure 22.Surface micromachining of a MEMS micromotor using the Multi-User MEMS Process(MUMPS).2023-1-178（3）固相键合技术固相键合技术是指不用液态粘连剂而将两块固体材料键合在一起，而且键合过程中材料始终处于固相状态的一种加工方法，主要包括静电键合和直接
37、键合两种。静电键合（又称阳极键合）主要用于硅玻璃键合，可以使硅与玻璃两者表面之间的距离达到分子级。直接键合技术主要用于硅硅键合，它可以将两种高度抛光的硅晶片在没有外加电场的情况下进行永久性键合。2023-1-179键合工艺键合：静电键合、热键合、“复合”键合键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接”不同的键合方式，键合原理不同2023-1-180键合工艺静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、合金、半导体与玻璃键合原理：硼硅玻璃、磷硅玻璃在一定温度下软化，行为类似电解质，外加电压下，正离子（Na）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区，外加电压落于空间电荷区，漂
38、移停止 如硅接阳极，玻璃接阴极，硅玻璃接触，在界面形成的负空间电荷区与硅发生化学反应，形成化学键Si-O-Si，完成键合可通过检测电流监测键合是否完成2023-1-181键合工艺工艺及工艺参数的影响温度：温度：低温：没有导电电流，键合无法进行高温：玻璃软化，无法键合一般：180500度电压：电压：低压；静电力减弱，无法键合高压：击穿玻璃一般：2001000伏2023-1-182 键合产生的应力：热膨胀系数相近、热匹配 电极形状：点接触、平行板电极 非导电绝缘层的影响；减弱静电力，460nm后，键合失效 表面粗糙度的影响 极化区中残余电荷的作用；键合完成后在极化区内残余的电荷形成静电力，加强键合
39、2023-1-183键合工艺热键合：高温处理后，硅片直接键合在一起。Lasky提出 硅直接键合（SDB）硅熔融键合（SFB）直接样品键合（DWB）工艺：OH-浸泡处理 表面帖合 高温处理2023-1-184原理：三个阶段 室温室温200度度：表面吸附的OH根在接触区产生氢键，随温度增高，OH根得到热能增大迁移率，氢键增多，硅片产生弹性形变，键合强度增加。在在200400度间，形成氢键的两硅片的硅醇键聚合反应，产生水合硅氢键，键合强度迅速增大 Si-OH+HO-SiSi-O-Si+H2O 500800度度：水基本不扩散，OH根破坏桥接氧原子的一个键，使之转换为非桥接氧原子，使键合面带负电荷 HO
40、H+Si-O-Si2H+2Si-O-800度以上度以上：水扩散显著，间隙和空洞中的水扩散到氧化硅中，产生局部真空空洞，硅片发生塑性形变消除空洞。SiO2产生粘滞流动，消除微间隙。大于大于1000度后，临近原子相互反应产生共价键，键合完成2023-1-185键合工艺工艺及参数影响 表面处理的作用：吸附OH根很关键 NH4OH、H2SO4、等离子体处理 温度的影响；与温度有关的孔洞；沾污碳氢化合物随温度生高（200800度）释放产生孔洞，大于1100高温退火或先800度退火处理可消除 键合强度：随温度生高增加 界面氧化层的稳定：三种机制解释 表面平整度：沾污粒子：1微米粒子产生4。2mm孔洞足够清
41、洗、超净环境、平整表面、高温处理、足够清洗、超净环境、平整表面、高温处理、2023-1-186Figure 23.Formation of sealed cavity using fusion bonding2023-1-187LIGA工艺LIGALithographie Galvanoformung Abformung X射线曝光、微电铸、微铸塑起源：1986年，德国特点：高深宽比（1微米宽，1000微米深）需要功率强大的回旋加速器产生的软X射线作光源 掩膜版要求高、成本高 难于与IC集成制作2023-1-188 1）以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的
42、光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体；2）用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型；3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件图7-58 LIGA制作零件过程 LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序（图7-58）：2023-1-189图7-59 LIGA工作现场2023-1-190 50 m 图7-60 X射线刻蚀的三维实体LIGA特点LIGA代表产品及应用2023-1-1912.LIGA加工技术LIGA加工技术包括三个基本步骤，即借助于同步辐射X光实现深层光刻，将样品浸入电解液中在凹槽处电镀金属以及去除光刻胶和隔
43、离层，制造微塑注模进行微复制注塑成形的微电铸技术。这种技术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，并且侧壁光滑，垂直，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X光才能满足；另一方面要求用于IIGA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。LIGA技术的最大优势在于：(1)深宽比大，准确度高。所加工的图形准确度小于05 u m，表面粗糙度仅10 nm，侧壁垂直度899。，纵向高度可达500 u m以上：(2)用材广泛。从塑料(PMMA、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等)到金属(Au、Ag、Ni、
44、Cu)到陶瓷(ZnO)等，都可以用IJGA技术实现三维结构：(3)由于采用微复制技术，可降低成本，进行批量生产。2023-1-192LIGA技术采用深度X射线光刻、微电铸成型和塑料铸模等技术相结合的一种综合性加工技术，它是进行三维立体微细加工最有前途的方法之一，同时也是制作非硅材料微机电系统的首选工艺。利用LIGA技术制作微金属图形主要由两步关键工艺组成，即首先利用同步辐射X射线光刻技术光刻出所要求的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构，具体的工艺步骤如图8.19所示。2023-1-193LIGA工艺A：曝光B：显影C：电铸D：去胶E：铸塑衬底掩膜胶金
45、属铸塑材料2023-1-194LIGA工艺LIGAlike工艺DEM工艺A：曝光B：ICPC：电镀D：去硅E：铸塑衬底掩膜胶金属铸塑材料2023-1-195LIGA加工工艺过程2023-1-1963.激光微机械加工技术 LIGA技术虽然具有突出的优点，但是它的工艺步骤比较复杂，成本费用昂贵。为了获得x光源，需要复杂而又昂贵的同步加速器。相对于LIGA加工技术而言，激光微机械加工技术具有工艺简单、成本低等优点，它代表未来MEMS加工技术发展的方向。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，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
46、构。显然，激光光刻技术比x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。2023-1-1974.深等离子体腐蚀技术；深等离子刻蚀一般是选用硅作为刻蚀微结构的加工对象，也即高深宽比硅刻蚀(HARSE)，它有别于VLSI中的硅刻蚀，因此又称为先进硅刻蚀(ASE)工艺。该技术采用感应耦合等离子体(ICP)源系统，与传统的反应离子刻蚀(RIE)，电子回旋共振(ECR)等刻蚀技术相比，有更大的各向异性刻蚀选择比和更高的刻蚀速率，且系统结构简单，使高密度硅离子刻蚀技术真正发展成了一项实用的刻蚀技术。这一技术的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
47、本上解决了系统腐蚀和工艺尾气的污染问题。这一技术的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，使高密度等离子刻蚀的优势得到充分发挥。ICP刻蚀技术可以达到很高的深宽比(25：1)，选择性好，可以完成接近90。的垂直侧壁。2023-1-1985.紫外线厚胶腐蚀技术；由于MEMS结构的特殊性，在传统的IC工艺基础上研究与之相适应的新工艺是MEMS持续发展的基础。深度光刻是其核心技术之一，其中紫外线厚胶光刻工艺作为高深宽比微机械制造的关键工艺，成为微机械工艺研究中的热点。使用紫外光源
48、对光刻胶曝光，其工艺分为两个主要部分，厚胶的深层紫外光刻和图形中结构材料的电镀。其主要困难在于稳定、陡壁、高精度厚胶模的形成。对于紫外厚胶光刻适用光刻胶的研究，做得较多的是SV一8系列负性胶2这种胶在曝光时，胶中含有少量的光催化剂发生化学反应，产生一种强酸，能使SV一8胶发生热交联。SV一8胶具有高的热稳定性，化学稳定性和良好的力学性能，在紫外光范围内光吸收度低，整个光刻胶层可获得均匀一致的曝光量。因此将SV一8胶用于紫外光刻中，可以形成图形结构复杂，深宽比大，侧壁陡峭的微结构。2023-1-1994.1.7MEMS的封装MEMS的正常运行，十分关键地取决于一个“清洁”的环境，而这个环境是由封
49、装提供的。封装得好，也能提高MEMS的商业化程度。微传感器的封装也是它的一个专门的问题。要有一个好的与环境的接口，同时对环境提供保护且要利于操作。Schematic illustration of the packaging role of a MEMS microsensor.2023-1-1100Although there is no generic package for a MEMS device,the package should:Provide protection and be robust enough to withstand its operating environm
50、ent Allow for environmental access and connections to physical domain(optical fibres,fluid feed lines etc)Minimize electrical interference effects from inside and outside the device Dissipate generated heat and withstand high operating temperatures(where necessary)Minimize stress from external loadi
