参考mems规模制造技术基础研究

项目名称：MEMS规模制造技术基础研究首席科学家：王跃林 中国科学院上海微系统与信息技术研究所起止年限：2010.9至2015.9依托部门：中国科学院 上海市科委二、预期目标1、总体目标本项目针对我国MEMS走向产业化遇到的规模制造能力薄弱的瓶颈问题，通过产学研用结合的方式，开展多物理场作用下的微机械结构应力、微机械结构特性与工艺精度的关系、多材料多物性的兼容以及工艺质量评价方法等MEMS规模制造技术基础问题的研究工作。突破涉及规模制造的一致性、重复性、可靠性等关键基础问题，为MEMS的规模制造提供工艺设计、工艺建模、工艺监控和工艺机理等技术基础，并将项目成果在我国主流MEMS企业示范应用，推动我国MEMS规模制造技术平台的建设，培养一批MEMS方面的高水平中青年专业人才，促使我国MEMS规模制造能力的大幅度提升，带动我国MEMS和硅基微纳光机电系统的产业化。具体来说，将产生以下效果：促进我国MEMS规模制造能力大幅度提升：项目基础研究成果将移植到三家以上MEMS企业示范应用，成为规模制造中的核心技术，形成我国的规模制造能力，达到万片级的月产能，降低MEMS产品公司的创业门坎和风险，带动一批MEMS产品公司的发展，促进我国在MEMS市场占有一席之地。形成支持规模制造的工艺方法和模型：针对提高制造的一致性、重复性和可靠性以及降低制造成本的需求，将揭示多物理场作用下应力产生和控制机制以及工艺精度等因素影响器件性能的机制，探明多材料多物性的兼容机理和工艺质量评价机制，发明一系列新的制造方法，形成相应的工艺模型，提出一系列新的工艺质量评价方法和可靠性测试新方法。发现多物理场作用下微结构力学作用机制：围绕多物理场（高温场、等离子场和压力场等物理场）作用下微机械结构应力的研究，将发现在多物理场（特别是高温场、压力场等）作用下微结构力学新机制，以及在这样的条件下其本构关系、力学参数等是否与常规条件一致等新的力学现象，扩大微结构力学的研究范围。2、五年预期目标l 揭示多物理场作用下微机械结构应力对压阻性能的影响机制，建立相关的应力及工艺模型，提出抑制多物理场作用下产生的微机械结构应力对压阻特性影响的方法；建立加工精度与微机械结构特性关系模型，提出提高加工精度的制造方法；提出工艺过程中质量评价方法和终点工艺成品率评价方法；优化MEMS压阻器件制造工艺流程，在MEMS规模制造厂进行示范应用，用于指导MEMS压阻器件的规模制造，提高规模制造的一致性、重复性、可靠性和成品率，降低制造成本。结合用户需求，进行压力传感器、加速度传感器等MEMS压阻器件的规模制造，控制应力一致性在10%以内，工艺参数偏差小于10%，压阻器件成品率大于90%，验证提出的工艺模型、评价方法和工艺流程的实用性，促进形成我国MEMS压阻器件规模制造技术平台。l 完成多种适合规模制造技术应用的微结构键合强度检测方法研究，提出满足5-100微米尺度的在线式微结构键合强度检测结构，控制微结构键合强度一致性在10%以内；完成微结构力学和材料学参数的提取方法研究，提出基于探针和静电驱动的片上微结构试验机和等效弹性模量提取结构，参数提取和检测精度一致性控制10%在以内；掌握硅表面非晶化改性处理与Au-Si反应的关系，采用表面清洁处理和材料改性处理使Au-Si键合面均匀，无空洞、无结晶图形; 结合用户需求，将上述研究成果在键合深刻蚀释放工艺中应用，进行压力传感器、加速度传感器等MEMS电容式器件的规模制造，实现规模制造成品率85%，验证提出的工艺模型、评价方法和工艺流程的实用性，促进形成我国MEMS电容式器件规模制造技术平台。l 揭示复杂材料系统相互作用机制及对表面与界面的电学与力学特性的影响，探明自组装等加工方法对MEMS制造过程中的作用机理，建立相关模型与质量评价方法，提出满足制造兼容性的方法。分析不同微机械结构、分子自组装与IC电路的工艺精度要求，建立工艺精度与结构特性关系模型及数据库，建立MEMS加工与自组装工艺引起的表面/界面特性的表征与评价方法。形成圆片级自组装规模制造技术，在同一结构中选择性自组装至少两种分子层。形成单片集成工艺流程4套，具有自主知识产权，部分集成制造工艺流程实现与标准IC工艺混线制造。结合用户需求，进行RF MEMS、胎压智能检测（TPMS）传感器、压力传感器、三轴集成加速度传感器、生化分子检测传感器等规模制造，集成两种传感器的制造成品率达到85%，典型MEMS传感器芯片制造成本低于0.1元，促进形成我国MEMS单片集成器件规模制造技术平台。l 建立时间、应变率、温度及尺度相关材料数据库，提出描述MEMS规模化封装工艺过程的跨尺度多物理场理论模型及数值模拟方法；建立MEMS封装工艺在线/离线检测方法，实现对封装工艺的监控；建立MEMS快速可靠性评估方法，揭示MEMS不同封装工艺耦合作用过程中形变、应力的演变规律，发现封装制造过程中各种缺陷和应力产生机理、演化规律及其对器件性能的影响机制和对器件可靠性影响机理，建立MEMS封装工艺、力学、器件性能、可靠性的关系模型。封装应力计算准确度80%，变形计算准确度90%。优化基于圆片级工艺和贴片工艺的传感器封装工艺流程，在MEMS规模封装厂进行示范应用，结合用户需求，进行压力传感器、加速度传感器等MEMS器件的规模封装，封装器件性能一致性5%以内，器件封装成品率大于98%，将典型MEMS 器件封装成本降低一倍，验证提出的模型、方法和工艺流程的实用性，促进形成我国MEMS器件规模封装技术平台。三、研究方案总体思路面向市场需求，牵引基础研究：MEMS器件的特点是品种繁多，不同的器件品种可能要用到不同的制造技术。在总体方案上我们充分注意到了MEMS的这一特点，既要考虑到研究内容的覆盖性，保证要覆盖到MEMS规模制造的主要基础问题，又要考虑到研究内容的针对性，避免过泛，与应用脱节。为此，我们对研究内容选择的出发点是考虑几类市场规模大的MEMS器件，围绕这几类器件的制造需求来牵引MEMS规模制造技术基础问题的研究工作，使得基础研究成果可以尽快移植到MEMS企业示范应用。面向产业突破，产学研用结合：本项目的目标是通过基础研究来促进我国MEMS的产业化。为了实现这个目标，本项目将通过产学研用结合的方式来实施，这种方式可以保证基础研究成果尽快为产业突破服务。科研机构针对企业存在的规模制造基础问题开展研究工作，取得突破后可以及时将基础研究成果移植到国内主流MEMS制造厂，在产业突破中发挥作用，促进形成我国MEMS规模制造技术平台，带动一批MEMS产品公司成长，并在国际MEMS代加工市场占有一定的份额，推动我国MEMS的产业化。上述考虑，即可以解决MEMS规模制造技术主要基础问题，又可以使研究成果有具体应用的针对性，便于及时移植到国内主流MEMS制造厂中应用。技术途径本项目的重点是采取产学研用结合的方式，开展MEMS规模制造技术基础问题的研究工作，解决规模制造的一致性、重复性和可靠性问题，目标是提高制造的成品率，降低制造成本，促进我国MEMS的产业化。针对这一目标，拟采取的技术途径如下所述。（1）通过揭示多物理场作用下微机械结构应力机制，提高MEMS制造成品率MEMS器件主要是通过微机械结构实现其功能的，大量经验表明，MEMS器件制造的成品率主要由微机械结构制造的成品率决定。对于微机械结构的制造来说，揭示微机械结构的应力产生机制以及提出控制应力的方法非常重要，理清这些问题可以大幅度提高MEMS制造的成品率。为了研究多物理场作用下微机械结构应力机制，我们将利用带真空腔的微机械结构、气密腔微机械结构、膜、梁和桥等微机械结构作为实验体，研究这些结构在多物理场作用下的形变情况，通过测量形变量来分析不同微机械结构应力与作用的物理场的关系，研究微机械结构应力与温度及微机械结构释放的相互作用，结合微结构力学理论，建立相关的力学模型。通过上述方法，比较不同微机械结构的形变数据，研究材料屈服强度等力学参数随高温变化的规律，研究高温对微结构材料力学参数的影响，获得相关数据用于指导工艺设计。通过改变作用次序，研究在同样的作用条件下微机械结构应力与作用次序的关系，获得作用次序对微机械结构影响的模型，用于指导工艺优化。通过上述研究积累数据，归纳总结出多物理场作用下应力产生的机理及其随作用过程变化的规律，在此基础上提出控制应力和优化工艺过程的方案，用于改善MEMS制造工艺。基于分层次建模和混合建模两种多尺度建模方法，结合跨尺度数值模拟和实验验证，揭示MEMS规模化封装工艺中应力、缺陷产生的机理及演变规律，提出缺陷控制和工艺优化设计的方案。利用多场耦合数值模拟方法，对MEMS规模化封装制造工艺过程的多场耦合问题进行求解，对各MEMS封装工艺过程的形变、应力演变进行有效预测，研究复杂制造工艺载荷对器件成品率性能的影响机制，提出封装工艺的改进和优化控制方法。采用多步工艺耦合建模仿真方法，综合考虑MEMS各封装制造工艺之间的相互影响关系，揭示MEMS各封装制造工艺相互之间的影响机制。利用界面力学的基本原理，建立基于整体/局部方法的多尺度界面应力分析模型，分析含有微机械结构的材料界面上的力学行为，揭示在不同的工艺和载荷条件下界面分层、裂纹、孔洞等缺陷的产生机制，预测其演变过程。利用上述结果，优化封装工艺，形成相关模型，用于指导MEMS的封装。（2）通过建立工艺精度与微机械结构特性的关系模型，提高制造的一致性和成品率。在MEMS制造中，由于实际制造工艺精度所限，不可避免的会造成微机械结构表面的粗糙和断面形状的偏差，这些表面粗糙区域和形状偏差的体积已经和结构的总体积可比，因此对微机械结构的特性影响较大，是影响制造成品率和一致性的重要因素。另一方面，通过利用MEMS工艺具有高度选择性的特点，可以改善工艺精度，提高制造的成品率和一致性。结合宏观机械加工精度设计理论，分析研究微机械结构与宏观机械加工结构特性的差异，通过设计特定的结构进行工艺比较实验，获得工艺精度与微机械结构特性的关系。根据工艺精度与微机械结构特性的关系，设计特定的参数提取结构，通过工艺实验，寻找微机械结构力学特性和材料力学参数提取方法，获得描述微机械结构的力学修正模型。利用修正的模型设计制作特定的微机械结构，通过工艺实验验证模型的准确性。最后将这些模型用于指导工艺设计，进行实际情况验证，进一步考核模型的准确性。通过这些工作，可以在设计的时候就考虑工艺精度的影响，在减少反复小规模工艺实验的成本和周期的同时，提高制造的成品率和一致性。我们在以往的工作中，特别注意利用MEMS工艺具有高度选择性的特点，来发明新的制造技术，目前我们采用这一思路发明了多项三维微机械结构和纳米制造技术。在项目的实施过程中，我们将继续采用这一思路，发展利用工艺选择性特点的三维微机械结构制造技术，通过工艺自身的选择性来控制加工精度，解决通过温度、浓度和时间等工艺参数难以控制加工精度的问题，发明三维微机械结构制造方法，改善三维微机械加工的精度，提高制造的成品率和一致性。 （3）通过解决多材料多物性兼容问题，实现单片集成，满足多品种制造需求由于MEMS没有一个类似于晶体管这样的标准结构，由此产生了结构兼容、材料兼容、衬底兼容等工艺兼容性问题，这些问题的解决不仅可以提高制造的成品率，实现MEMS与集成电路的单片集成，还可以满足更多的MEMS器件制造需求，扩大MEMS制造技术的应用范围。我们将通过在同一芯片上设计不同的特殊微机械结构，在相同物理场作用下研究分析这些不同结构的应力产生机制和控制应力的方法，结合多物理场作用下的微结构力学，建立相关的工艺模型，优化出适合不同微机械结构制造的同一工艺条件。通过在制作了集成电路的芯片上，进一步采用低温MEMS工艺（如各向同性和异性干法刻蚀、电镀、湿法腐蚀等工艺）制造微机械结构的方法，分析制作微机械结构后集成电路性能的变化与制造工艺的关系，揭示影响电路性能的机制，优化出合适的工艺条件，实现微机械结构与集成电路的单片集成。利用MEMS工艺高度选择性的特点，寻找三轴微机械结构制造方法，结合多物理场作用下的微结构力学，建立相关工艺模型，实现三轴微机械结构的集成制造。采用圆片级制造方法，通过工艺实验与界面科学结合，研究分析在微机械结构上利用自组装、分子沉积、界面修饰和物理沉积等手段制造敏感材料、功能材料和结构材料的方法，结合微结构力学与材料物理，揭示制备机制，形成工艺模型，优化出兼容的制造工艺。在衬底兼容方面，主要采用键合工艺将不同的衬底制造在一起，形成多衬底的三维微机械结构。具体方法上，通过揭示Au在Si中的扩散行为和机制，优化Si表面的非晶化处理工艺，采用表面活化和表面清洁等方法，对Si表面进行改性。在此基础上，寻找硅/硅键合新方法，通过解决Au-Si键合工艺中表面处理对工艺结果的影响问题，提高Au-Si键合工艺质量，解决键合强度均匀性和重复性问题。（4）通过建立工艺质量评价方法，实现在线/离线监测，显著降低制造成本如果有简单的方法对每一步工艺质量进行评价，就可以及时发现工艺中存在的问题和分析产生的原因，并对工艺加以改进，中断工艺质量有问题的后续流片，将会大大降低制造成本，提高制造的成品率。对于MEMS的工艺质量评价来说，重点是监测工艺过程中在微机械结构中产生的应力和变形、键合强度、形貌等参数，这些参数也是影响MEMS制造成品率的重要因素。为了监测微机械结构的应力和变形，我们将以多物理场作用下的微结构力学、材料力学等为基础，设计特定的测试结构，经过工艺实验制造出微机械结构，在测量显微镜下测出结构的变形，再与微结构应力理论结合，得出测试结构变形与应力的关系，最终优化出简单实用的测试结构，用于监测微机械结构的应力和变形，实现微机械结构应力的在线监测。针对键合强度的监测，通过设计测试结构，研究微区键合强度的演变情况，优化出键合强度测试结构，用这些结构对键合强度进行检测和监控。经过进一步实验验证后，提出相应的监测模型和监测图形，将这些监测图形制备在硅衬底上用于对工艺质量的评价，这样可以花很少的成本及时发现制造过程中的问题，提高制造的成品率。针对MEMS封装工艺监测需求，采用影子云纹（Shadow Moire）变形测量仪、投影云纹（Projection Moire）干涉形变分析仪、数字成像（Digital Image Correlation）测量仪、纳米翘曲测量分析测试台、高速拉剪测试仪、多功能宏-微观莫尔云纹（4M）干涉测量仪等，研究适合于封装工艺的监测技术，对封装质量进行监测。采用MEMS快速可靠性评估试验方法，研究MEMS器件的可靠性及其失效机理，并结合跨尺度多物理场MEMS制造工艺、可靠性试验数值模拟，揭示MEMS规模化制造工艺对器件可靠性的影响机制，建立材料性能、制造工艺、应力演变及MEMS器件性能及可靠性的关系。可行性分析本项目根据设定的研究目标和内容，采取产学研用结合的方式，凝聚了一支包括MEMS制造技术基础研究、集成电路制造企业和MEMS产品公司方面的主要优势单位，共有五个国家重点实验室或部门重点实验室参与研究工作，研究条件互补性强。三家集成电路制造企业是国内领先的集成电路企业，拥有多条6寸和8寸集成电路生产线，并将为MEMS规模制造提供相应的生产线，使本项目验证性工作和示范应用有了很好的产业基础。因此，已经基本具备了开展规模制造技术基础研究的软硬件条件。而且，各参加单位已经在本项目相关的前期研究工作中取得了一些创新性成果，在MEMS制造技术基础研究、规模制造产业基础以及应用基础等方面均有很好的前期工作和布局，可以保证本项目的顺利实施，高质量地完成预定的任务。多物理场作用下的微机械结构应力方面：我们在99年的973项目及后续的研究工作中，已经进行了前期的一些研究工作。我们将通过键合形成的真空腔等微机械结构，进行了不同温度场作用实验，获得了一些微机械结构应力与温度的关系，并用于指导了压力传感器小批量制造，取得了比较好的效果，这一结果表明，采用上述方法可以获得预期的研究结果，为我们针对规模制造的需求，进一步深入研究这些问题提供了可行的技术途径。我们基于第一原理分子动力学方法和有限元方法，根据各尺度模型信息传递方式的特点提出了分层次建模和混合建模的基本建模策略，保证信息传递的准确完整，并用于分析了MEMS规模化封装工艺中应力、缺陷产生的机理及演变规律，取得了较好的效果，初步验证了技术路线的可行性。微机械结构特性与工艺精度的关系方面：我们在近几年的研究工作中，已经注意到这一问题在MEMS制造中的地位，并进行了初步的研究工作。我们在压力传感器的小批量生产中，利用大量的数据比较分析了器件制造的一致性、重复性和可靠性与工艺精度的关系，得到了一些规律性的结果，为我们进一步针对规模制造需求深入研究这一问题提供了可行的技术途径。我们在以往的工作中，还特别注意利用MEMS工艺具有高度选择性的特点，来发明新的制造技术，以提高加工精度，减小这一因素对器件性能的影响。我们在99年的973项目以及后续的06年的973项目实施过程中，采取这一思路，发展了一套基于MEMS的纳米制造技术，已经可以制造出纳米探针（零维纳米结构）、纳米线（一维纳米结构）和纳米梁（二维纳米结构）等多种纳米结构。我们还用这一思路发明了双面梁各向异性自停止腐蚀技术，可以非常简单地精确控制微机械结构的尺寸，并用于了MEMS地震传感器的制造，提高了制造的一致性。上述结果表明，采用这一思路发明高精度制造技术是可行性。多材料多物性兼容问题方面：我们针对结构兼容、材料兼容、衬底兼容等工艺兼容性问题，已经开展了前期的研究工作。我们已经在同一芯片上制作了梁、桥和膜结构，并在同一工艺条件下研究了不同结构的变形情况，从实验上获得了一些数据，为我们进一步开展深入研究提供了可行性的思路。我们还在制作了集成电路的芯片上，采用各向同性干法刻蚀工艺制造了微机械红外热堆，分析了MEMS工艺后电路性能的变化情况，结果表明性能变化不大，显示了技术上的可行性。我们还在干法刻蚀工艺制作的悬臂梁侧面制作了传感器，文章发表在IEDM上，为三轴微机械结构制造提供了可行的技术思路。我们在06年的973项目支持下，提出了定点定向自组装制作生化敏感材料的方法，并进行了初步的实验验证工艺，结果表明采用圆片级制造方法，可以在微机械结构上批量制造在微机械结构上。这些结果表明，我们提出的技术途径是可行的。工艺质量评价方法方面：我们对键合强度的监测已经开展了前期的研究工作，设计了一些特殊的监测结构，发展了监测方法，进行了数百次键合强度工艺监测，监测效果较好。我们在99年的973项目及后续的工作中，还研究了工艺应力监测方法，设计了一些片上监测图形，用于工艺应力的监测，取得了较好的效果，初步验证了思路的可行性。团队有些成员一直致力于微电子封装制造并行工程、工艺力学与快速可靠性建模相结合的全寿命工程框架研究，提出了多种新颖的试验工具、试验手段和在线检测手段（六轴微测试仪和纳米/微米级激光干涉仪等）以及加速试验的评估方法，并将其用于各种封装结构形式、封装工艺、MEMS传感器以及其制造过程产生的应力、变形、缺陷和其他可靠性方面的监测。这些工作为我们进一步研究工艺质量监测方法积累了经验，为我们利用跨尺度多场多工艺耦合方法建立MEMS规模化制造工艺、力学、成品率关系提供了基础。总之，本项目给出的技术路线和研究思路充分考虑了原理与技术的可行性，既考虑了创新性和预期成果的水平，又充分考虑了已有工作的基础以保障研究目标的实现。因此，研究技术路线先进可行，已经具备了取得重大突破的条件。四、年度计划本项目前两年主要进行涉及规模制造的工艺机理研究，通过结合工艺实验结果从理论上分析工艺过程中的应力产生机制、多材料多物性在工艺过程中的兼容机制、工艺精度对微机械结构特性的影响机制，在此基础上进行工艺质量评价方法的研究。同时还将与MEMS代工厂结合，提炼出MEMS代工厂在制造过程中遇到的工艺机理问题进行研究。第三年将在前两年工作的基础上，将提出的规模制造工艺机理在MEMS代工厂进行规模制造工艺验证，对工艺机理进一步完善，使其更适合MEMS代工厂的实际情况，并初步形成适合规模制造的工艺方法和工艺模型。第四年主要是将形成的工艺方法和工艺模型在MEMS代工厂进行规模制造工艺验证，进一步完善这些工艺方法和工艺模型，并形成工艺流程进行示范应用。第五年主要是将本项目的工艺机理、工艺方法、工艺模型等基础研究成果在MEMS代工厂进行示范应用，促进MEMS代工厂规模制造能力的提升，并对项目进行总结验收。具体年度计划如下：研究内容预期目标第一年研究工艺过程中的应力产生机制、多材料多物性在工艺过程中的兼容机制、工艺精度对微机械结构特性的影响机制，在此基础上进行工艺质量评价方法的研究，主要内容如下。研究膜、桥和梁等典型微机械结构在高温场等多物理场作用下的应力产生与控制机制、力学特性参数和本构关系等问题，以及不同微机械结构在相同物理场作用下的应力影响情况。研究MEMS器件相关材料性能数据库。研究键合面特性和两种材料相互反应的程度对键合质量的影响机制。研究随键合面积减小的键合强度变化规律，以及相应在线微结构键合强度检测方法。研究微机械结构表面粗糙及断面形状偏差等与微机械结构特性的关系，研究利用MEMS工艺的选择性特性（如各向异性腐蚀等特性）提高加工精度的方法。研究微机械结构与IC兼容制造机制、不同功能的微机械结构兼容制造机制，以及分子自组装等生化材料与微机械结构兼容制造机制。研究MEMS各种工艺相互之间的影响机制。研究MEMS工艺过程的在线/离线测试方法。提炼和研究MEMS代工厂在制造过程中遇到的工艺机理和工艺方法等问题。获得大量工艺实验数据，为提出工艺机理和工艺模型提供实验依据。第二年继续研究工艺过程中的应力产生机制、多材料多物性在工艺过程中的兼容机制、工艺精度对微机械结构特性的影响机制，以及进行工艺质量评价方法的研究。在第一年工作基础上，进行在MEMS代工厂进行工艺验证的前期准备工作。继续提炼出MEMS代工厂在制造过程中遇到的工艺机理问题进行研究。进行项目中期评估工作。对工艺机理给出理论解释，给出工艺验证方案，为下年度在MEMS代工厂进行工艺验证提供基础。第三年在前两年工作的基础上，将提出的规模制造工艺机理在MEMS代工厂进行规模制造工艺验证，对工艺机理进一步完善，使其更适合MEMS代工厂的实际情况，并初步形成适合规模制造的工艺方法和工艺模型。研究MEMS规模制造关键工艺（如各向异性腐蚀、硅深刻蚀、硅硅键合技术等工艺）的稳定性、一致性及其过程控制机制与方法。与常规半导体工艺结合研究工艺次序对制造过程及结果的影响机制。提出的工艺机理在MEMS代工厂得到验证，给出适合规模制造的工艺方法和工艺模型。揭示工艺次序对制造过程及结果的影响机制。第四年将形成的工艺方法和工艺模型在MEMS代工厂进行规模制造工艺验证，进一步完善这些工艺方法和工艺模型，并形成工艺流程进行示范应用。进一步完善工艺方法和工艺模型，给出成套工艺流程，并示范应用。第五年将本项目的工艺机理、工艺方法、工艺模型等基础研究成果在MEMS代工厂进行示范应用，解决在示范应用中遇到的问题，并对项目进行总结验收。本项目的工艺机理、工艺方法、工艺模型等基础研究成果在三家以上MEMS代工厂进行示范应用，全面达到项目任务书的指标要求，促进MEMS代工厂规模制造能力提升，形成我国MEMS规模制造技术平台。一、研究内容与集成电路制造明显的不同，MEMS制造的核心是微机械结构的制造，其制造工艺更为复杂繁琐。表面上看，MEMS制造涉及到更多的材料，更多的结构，更多的衬底。对于MEMS的制造来说，要涉及到不同的敏感材料、结构材料和修饰材料等集成电路不常用的材料制造问题，例如生物传感器就需要在硅片上制作生物敏感材料。与集成电路具有晶体管这样的标准结构不同，MEMS将会涉及到更多的器件结构制造问题，例如压力传感结构的制造与加速度传感结构的制造就有所不同。同时，许多MEMS器件需要将硅/硅或者硅/玻璃等不同衬底键合在一起形成一个更为复杂的三维结构，这就涉及到更多的衬底问题。因此，本项目的主要研究内容也主要围绕MEMS制造涉及到更多的材料、更多的结构、更多的衬底等这些与集成电路制造的不同来提炼，与集成电路制造相关的基础问题将直接借用集成电路方面的研究成果，不作为本项目的研究内容列入。考虑到MEMS器件品种繁多，不同的器件品种可能要用到不同的制造技术。针对这种情况，我们对研究内容选择的出发点是考虑几类市场规模大的MEMS器件，围绕这几类器件的制造需求来牵引MEMS规模制造技术基础问题的研究工作。另一方面的研究内容是及时将本项目的基础研究成果移植到国内主流MEMS制造厂，促进形成我国MEMS规模制造技术平台，从而带动一批MEMS产品公司成长，并在国际MEMS代加工市场占有一定的份额，推动我国MEMS的产业化。这样考虑，即可以解决MEMS规模制造技术基础问题，又可以使研究成果有具体应用的针对性，便于及时移植到国内主流MEMS制造厂中应用。目前我国及国际上MEMS市场规模大的产品主要包括压力传感器、加速度传感器、微陀螺、DMD、微喷头和RF MEMS器件，正在高速成长的产品主要是微麦克风，这些器件占了整个MEMS市场的90%以上。如果从器件原理来看，这些器件的工作原理主要有两类，一是利用压阻效应，即采用压阻原理来制造传感器，主要产品有压力传感器、加速度传感器等；二是利用电容效应，即通过电容变化来制造传感器，或通过静电驱动来完成器件功能，主要产品有加速度传感器、微陀螺、压力传感器、DMD和RF MEMS器件等。近几年，单片集成MEMS器件发展也非常快，主要产品有加速度传感器、微陀螺、压力传感器、微麦克风、DMD和RF MEMS器件等。MEMS要走向市场，还必须解决器件的封装问题，只有封装好的器件才能满足市场需求。针对上述情况，本项目主要进行MEMS压阻器件规模制造技术基础、MEMS电容式器件规模制造技术基础、MEMS单片集成器件规模制造技术基础和MEMS器件规模封装技术基础四方面的研究内容。期望通过这四方面的研究来牵引我国MEMS规模制造技术基础研究工作，促进建立我国MEMS规模制造技术平台，形成万片级月产能，带动一批MEMS产品公司的发展，在MEMS代加工市场和主流产品市场占有一定的份额，推动我国MEMS的产业化。其相互之间的关系见下图。MEMS代加工厂带动一批产品公司形成万片级月产能在代工市场占有较大份额在主流产品市场占有份额MEMS规模制造技术基础集成器件规模制造技术压阻器件规模制造技术电容器件规模制造技术器件封装规模制造技术微结构与工艺精度关系多物理场作用下的应力多材料多物性兼容工艺质量评价方法MEMS压阻器件规模制造技术基础针对压阻器件常用的膜、桥和梁等微机械结构，研究由主要MEMS工艺形成的多物理场，以及在这些多物理场作用下的膜、桥和梁等微机械结构应力产生与控制机制、力学特性参数和本构关系等问题，主要包括高温场作用下硅的力学特性参数与温度的关系，结构形变与温度的关系，微机械结构力学特性与温度的关系，结构形变对器件电学特性的影响，硅硅高温键合引入的应力对压阻敏感器件的影响和降低微机械结构的应力方法。研究这些微机械结构在相同物理场作用下的应力影响情况，优化实现结构兼容的工艺条件。通过工艺实验并结合多物理场作用下的微结构力学，建立相应的工艺模型。研究微机械结构表面粗糙及断面形状偏差等与微机械结构特性的关系，通过利用MEMS工艺的选择性特性（如各向异性腐蚀等特性）来研究提高加工精度的方法，通过与工艺验证结合，分析和研究这些微机械结构与传统机械加工结构特性的差异，获得修正模型用于指导器件设计，使得设计可以考虑工艺精度的影响，提高设计的准确性。研究MEMS压阻器件规模制造关键工艺，如各向异性腐蚀、硅深刻蚀、硅硅键合技术等的工艺稳定性、一致性及其过程控制机制与方法，与常规半导体工艺结合研究工艺次序对制造过程及结果的影响，优化出适应面相对较广的MEMS压阻器件工艺流程。研究关键MEMS工艺质量在线评价检测方法、优化出简单实用的检测结构和表征手段等。研究器件制造完成后，微机械结构的力、电参数的批量测试和评估方法，形成简单高效的工艺终点成品率评估方法。通过上述基础研究，提出相关工艺模型、工艺质量评价方法和优化的MEMS压阻器件制造工艺流程，在MEMS规模制造厂进行示范应用，用于指导MEMS压阻器件的规模制造，提高规模制造的重复性、一致性、可靠性和成品率，降低制造成本。结合用户需求，进行压力传感器、加速度传感器等MEMS压阻器件的规模制造，验证提出的工艺模型、评价方法和工艺流程的实用性，促进形成我国MEMS压阻器件规模制造技术平台。MEMS电容式器件规模制造技术基础键合和硅深刻蚀工艺方法的引入，显著增强了硅基MEMS工艺能力，使复杂三维硅微结构的制造成为可能。基于键合深刻蚀释放的标准工艺使一批电容取样的微结构、静电驱动执行器、电热驱动执行器等大量应用在各种MEMS器件结构中。在实现微结构的键合工艺过程中，键合面特性和两种材料相互反应的程度对键合质量的影响至关重要。我们将以材料力学和固体物理为基础，研究分析材料改性和表面清洁处理方法对Au在Si中扩散行为对键合质量的影响，解决Au-Si键合中反应不均匀和存在空洞的问题，提高键合质量和可靠性。结合工艺特点、微结构特点和微结构应用，以结构力学和材料力学为基础，针对微小键合面边缘面积与总面积的比值增加情况，研究随键合面积减小的键合强度变化规律，提出使用探针和显微镜等简单设备的有效、快速、准确和低成本在线微结构键合强度检测方法，用于准确有效检测微结构键合强度，监测键合工艺质量、指导键合工艺优化、为微结构设计提供准确的设计参数。由于深刻蚀和光刻工艺都会在微结构图形边缘和侧壁造成粗糙，使微结构的加工结果不同于设计形貌。针对这些工艺方法造成的粗糙难以通过简单的计算修正得到准确设计结果的问题，我们将以结构力学和材料力学为基础，研究微结构弹性模量和断裂强度的提取方法，为微结构工艺设计提供准确设计参数，利用设计的检测结构获得工艺相关的微结构等效参数，为微结构设计提供合理设计依据，提高MEMS器件的一次设计成品率。通过上述基础研究，提出相关工艺模型、工艺质量评价方法和优化的MEMS电容式器件制造工艺流程，在MEMS规模制造厂进行示范应用，用于指导MEMS电容式器件的规模制造，提高规模制造的一致性、重复性、可靠性和成品率，降低制造成本。结合用户需求，进行MEMS电容式器件的规模制造，验证提出的工艺模型、评价方法和工艺流程的实用性，促进形成我国MEMS电容式器件规模制造技术平台。MEMS单片集成器件规模制造技术基础MEMS单片集成制造涉及较多的是结构兼容和材料兼容等问题，主要包括四种典型的形式。一是微机械结构与处理电路间的单片集成；二是不同功能的微机械结构的单片集成；三是三轴微机械结构的单片集成；四是分子自组装材料与微机械结构的单片集成。针对微机械结构与处理电路的集成，研究MEMS工艺与IC工艺的兼容性问题，包括研究微机械结构与工艺对IC特性的影响机制，利用标准IC工艺制造微机械结构的方法等。针对具有不同功能的微机械结构的集成，研究制造过程中的复杂材料系统相互作用机制，提出满足制造兼容性的方法。针对三轴微机械结构的集成，研究平行于硅片运动的微机械结构与垂直运动微机械结构间的加工兼容性，研究横向与纵向加工精度不一致对三轴微机械结构特性的影响机制并建立相关模型，形成实现横向与纵向精度匹配的加工技术。针对分子自组装与微机械的集成，研究自组装等方法对微机械结构的影响机制，解决连续性固体表面上修饰无机/有机分子的工艺兼容性问题，形成微机械结构上圆片级自组装规模制造方法。针对片上集成结构的复杂性，研究不同功能微机械结构与电路间加工尺度与精度要求不同引起的相互影响模型及相关评价方法，研究MEMS加工与自组装工艺的在线/离线检测方法，实现MEMS加工与自组装工艺引起的表面/界面特性的表征与评价方法，实现达到分子精度的自组装效果评价方法。在此基础上，提出相关兼容制造工艺模型、工艺质量评价方法和相应的圆片级规模集成制造工艺流程，形成自主知识产权，在MEMS规模制造厂进行示范应用，部分集成制造工艺流程实现与标准IC工艺混线制造，提高规模制造的一致性、重复性、可靠性和成品率。结合用户需求，进行RF MEMS、胎压智能检测（TPMS）传感器、压力传感器、三轴集成加速度传感器、生化分子检测传感器等MEMS器件的规模制造，验证提出的工艺模型、评价方法和工艺流程的实用性，促进形成我国MEMS单片集成器件规模制造技术平台。MEMS器件规模封装技术基础MEMS器件封装与集成电路最大的不同是如何进行可动结构保护以及保证器件密封的情况下仅使敏感部分暴露在环境中，这也是MEMS器件封装最难的问题，其封装成本也主要由这一因素决定。为了解决这一难题，目前采取的方法是圆片级封装，通过圆片级封装方法可以将可动结构保护在一个密闭的空腔内，提高封装的效率，降低封装成本。有些MEMS传感器其敏感部位需要与外部环境接触，这时就较难利用圆片级封装技术，必须采用基于贴片工艺的传感器封装技术。我们将针对上述两种情况进行MEMS器件规模封装技术基础研究。围绕材料性能问题，测试MEMS器件中相关材料时间、应变率、温度相关的力学性能，并建立相应的力学本构模型；通过微纳尺度材料力学性能的测量，研究薄膜材料应力应变行为，揭示薄膜材料的尺度效应，通过分子动力学方法及测试建立材料的高温下本构关系；建立相关材料/界面的失效准则；在此基础上建立MEMS器件相关材料性能数据库，同时开发相应的接口程序，以便于相关分析软件的调用。围绕封装中的应力问题，建立描述MEMS规模化封装工艺过程的跨尺度多物理场理论模型及其数值模拟方法；研究MEMS器件在规模化封装工艺过程中在各种复杂载荷（热、力、电和化学）作用下产生的形变、应力的演变规律，探索MEMS器件中分层、裂纹、孔洞等各种缺陷的产生机理和发展规律及其对MEMS器件性能的影响机制；综合考查MEMS不同封装工艺之间的耦合作用，揭示MEMS各封装工艺相互之间的影响机制。研究MEMS规模封装工艺过程的在线/离线测试方法，实现对MEMS器件的翘曲、变形、不平度、缺陷、可靠性进行在线/离线测量和分析，研究MEMS器件快速可靠性评估方法，研究MEMS封装工艺中导致的应力及缺陷对MEMS器件可靠性影响机理，揭示MEMS器件失效机制。通过上述基础研究，提出相关封装工艺模型、封装质量评价方法、MEMS器件可靠性评估方法、优化基于圆片级封装工艺和贴片工艺的传感器封装工艺流程，并在MEMS规模封装厂进行示范应用，用于指导MEMS传感器的规模封装，提高封装的一致性、重复性、可靠性和成品率，降低制造成本。结合用户需求，进行压力传感器、加速度传感器等MEMS器件的规模封装，验证提出的模型、方法和工艺流程的实用性，促进形成我国MEMS器件规模封装技术平台。47参考：毕业论文（设计）工作记录及成绩评定册题 目： 学生姓名： 学 号： 专 业： 班 级： 指 导 教 师： 职称： 助理指导教师： 职称： 年 月 日实验中心制使 用 说 明一、此册中各项内容为对学生毕业论文（设计）的工作和成绩评定记录，请各环节记录人用黑色或蓝色钢笔（签字笔）认真填写（建议填写前先写出相应草稿，以避免填错），并妥善保存。二、此册于学院组织对各专业题目审查完成后，各教研室汇编选题指南，经学生自由选题后，由实验中心组织发给学生。三、学生如实填好本册封面上的各项内容和选题审批表的相应内容，经指导教师和学院领导小组批准后，交指导教师；指导老师填好毕业论文（设计）任务书的各项内容，经教研室审核后交学生签名确认其毕业论文（设计）工作任务。四、学生在指导老师的指导下填好毕业论文（设计）开题报告各项内容，由指导教师和教研室审核通过后，确定其开题，并将此册交指导老师保存。五、指导老师原则上每周至少保证一次对学生的指导，如实按时填好毕业论文（设计）指导教师工作记录，并请学生签字确认。六、中期检查时，指导老师将此册交学生填写前期工作小结，指导教师对其任务完成情况进行评价，学院中期检查领导小组对师生中期工作进行核查，并对未完成者提出整改意见，后将此册交指导老师保存。七、毕业论文（设计）定稿后，根据学院工作安排，学生把论文（打印件）交指导老师评阅。指导老师应认真按毕业论文（设计）指导教师成绩评审表对学生的论文进行评审并写出评语，然后把论文和此册一同交教研室。八、教研室将学生的论文和此册分别交两位评阅人评阅后交回教研室保存。九、学院答辩委员会审核学生答辩资格，确定答辩学生名单，把具有答辩资格学生的论文连同此册交各答辩小组。十、学生答辩后由答辩小组记录人填好毕业论文（设计）答辩记录表中各项内容，然后把学生的论文和此册一同交所在答辩小组，答辩小组对其答辩进行评审并填写评语后交教研室。十一、学院答辩委员会进行成绩总评定，填好毕业论文（设计）成绩评定表中各项内容，然后把论文（印刷版和电子版（另传）和此册等资料装入专用档案袋中，教教研室后由实验中心统一保存。目 录1毕业论文（设计）选题审批表2. 毕业论文（设计）任务书3毕业论文（设计）开题报告4. 学生毕业论文（设计）题目更改申请表5毕业论文（设计）指导老师工作记录6毕业论文（设计）中期检查记录7毕业论文（设计）指导教师成绩评审表8毕业论文（设计）评阅人成绩评审表9. 毕业论文（设计）答辩申请表10毕业论文（设计）答辩记录表11毕业论文（设计）答辩成绩评审表12毕业论文（设计）成绩评定表毕业设计（论文）选题审批表题目名称 基于单片机的超声波测距题目性质工程设计理论研究实验研究计算机软件综合论文其它题目来源科研题目 生产现场教学 其它自拟题目选题理由：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，精度也能达到使用要求，超声波测距应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用。这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响，大大解决了传统测量仪器存在的问题，比如，在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触电接触不良造成的误测等。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。因此，利用超声波检测既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。 指导教师意见： 签名： 年 月 日院（系）领导小组意见： 签名： 年 月 日注：此表由学生填写毕业论文（设计）任务书1、毕业论文（设计）应达到的目的：（1）能对学生在学期间所学知识的检验与总结，培养和提高学生独立分析问题和解决问题的能力，使学生受到科学研究、工程设计和撰写技术报告等方面的基本训练。（2）提高学生对工作认真负责、一丝不苟，对事物能潜心观察、用于开拓、用于实践的基本素质；（3）培养学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力。（4）对学生的知识面、掌握知识的深度、运用理论结合实际去处理问题的能力、实践能力、计算机运用水平、书面及口头表达能力进行考核。2、毕业论文（设计）的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：以单片机为核心设计了基于激光测距的防撞预警系统，采用TDC-GP2芯片作为激光飞行计时单元,给出激光发射及回波接收放大电路，基于模块化思想设计、完成系统软件设计流程；最后通过实验测试，系统要能很好测出前方车辆距离及运行状态，并能及时发出报警，利用Matlab对其测试结果进行验证，修正。3、对毕业论文（设计）成果的要求包括图表、实物等硬件要求：设计完成后，要提供电路图，实验电路版，控制原始程序，实验要保存大量的原始数据。完成设计论文。4、毕业论文（设计）工作进度计划：序号论文（设计）工作进度日期（起止周数）1根据所出题目，结合自身所学知识，选择合适课题，确定毕业设计论文题目。13-14-1第16周止2根据所定题目，全面搜集素材，列出各种设计方案，并一一比较，选择出最好的设计方案。13-14-1第18周止