（机械制造及其自动化专业论文）mems工艺集成化设计及其可视化.pdf

两北r 业人学坝l 学位论文 捅赞 摘要 微型机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 是目前一个新兴的 学科交叉领域，具有非常广阔的应用前景，是未来世界科学的研究重点。最近几 年，m e m s 的发展非常迅速，m e m s 器件越来越复杂，m e m s 的制作技术也随 之发展，相比而言，m e m s 的设计显得相对的落后。 本论文针对目前m e m s 设计复杂、直观性差等问题，结合当前的国防基础 研究课题“微型机电系统集成设计技术”，提出了工艺集成化设计和可视化的可 行性解决方案，对其中的关键技术进行了研究，并基于所提出的方案研究了工艺 设计的集成化和工艺可视化的实现技术。 首先，探讨了m e m s 加工方法的来源，对加工工艺进行了详细的分类，选 用目前最通用的表面加工工艺作为本论文的研究对象，对m e m s 表面微细加工 的标准工艺m u m p s 工艺进行了详细的分析；建立了m e m s 器件的三维几何模 型，采用面向数据的建模方法建立了表面加工工艺的各工序模型；采用面向过程 的方法建立了表面工艺过程的统一模型。 其次，进行了工艺集成化设计的体系结构以及数据库支持、版图信息和工艺 信息的存储格式等关键技术的研究，采用数据库技术和界面集成方法，设计开发 了工艺设计的集成化软件环境，实现了工艺设计中各种信息的集成化。 最后，详细研究了标准工艺具体的工艺可视化算法，包括几何图形的交集、 并集和差集运算以及各种工序的可视化算法：讨论了工艺可视化的体系结构，并 详细说明了通过s o l i d w o r k s a p i 接口的开发，在s o l i d w o r k s 的环境下实 现了工艺的三维可视化的整个开发流程。 工艺集成化设计能够使设计人员在设计时方便地应用所涉及的资源，工艺可 视化使设计过程更加直观，提高了m e m s 设计的直观性和设计效率。 关键词：微型机电系统工艺集成化设计工艺可视化 三维重构加工工艺模型 两北 ：业人学硕卜学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r oe l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) i sa p r o m i s i n gs u b j e c tn o w , a n d i ti s e x p e c t e dt oh a v ef lh u g em a r k e ti nt h ef u t u r e r e c e n t l y , m e m sw a sd e v e l o p e dv e r y l a s t l y , a n dt h em e m s d e v i c e sw e r em o r ea n dm o r ec o m p l e x c o m p a r e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s f o rm i c r o d e v i c e ，t h e d e v e l o p m e n to f r e l e v a n tc a dt o o l sh a dn o tk e p t p a c ew i t ht h er i s ei ns o p h i s t i c a t i o no f m e m s t oe l i m i n a t et h et e d i o u s n e s sa n di n e f f i c i e n c yi nm e m s d e s i g n ，t h ei n t e g r a t e d d e s i g na n d v i s u a l i z a t i o no fm e m s p r o c e s sw a sp r e s e n t e da saf e a s i b l es o l u t i o n t h e k e yt e c h n o l o g yo f t h ea b o v e - m e n t i o n e ds o l u t i o nw a sd i s c u s s e d ，a n dt h es o l u t i o nw a s i m p l e m e n t e d f i r s t l y , m e m sf a b r i c a t i o np r o c e s s e sw e r ec l a s s i f i e d t h em o s tp o p u l a ra n d p r a c t i c a lp r o c e s s ，s u r f a c em i c r o f a b r i c a t i o nw a sc h o s e na st h eo b j e c tt ob ed i s c u s s e d ， a n dm u m p s ，as t a n d a r do ft h es u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ，w a sa n a l y z e di nd e t a i lt h e 3 d g e o m e t r i cm o d e lo f m e m s d e v i c e ，t h ep r o c e d u r em o d e l a n dt h ep r o c e s sm o d e lo f s u r f a c em i c r o m a c h i n i n gw e r eb u i l t ，f o rt h ei n t e g r a t e dd e s i g na n dv i s u a l i z a t i o n s e c o n d l y ，s y s t e ms t r u c t u r e ，d a t a b a s es u p p o r t ，i n f o r m a t i o nf o r m a to fi n t e g r a t e d d e s i g n w e r ed i s c u s s e d d e e p l y i n f o r m a t i o n w a s i n t e g r a t e d i nt h e i n t e g r a t e d e n v i r o n m e n tw h i c hi m p l e m e n t e db yt h ed a t a b a s et e c h n o l o g ya n di n t e r f a c e i n t e g r a t e d m e t h o d f i n a l l y , t h ea l g o r i t h mo f 2 d l a y o u tw i t l lp r o c e s si n f o r m a t i o nt o3 d s o l i dm o d e l t r a n s i t i o nw a sd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gu n i o n ，i n t e r s e c t i o na n dd i f f e r e n c eo fg e o m e t r i c m o d e l b a s e do nt h ea l g o r i t h m ，t h ev i s u a l i z a t i o no fm e m ss u r f a c em i c r o m a c h i n i n g p r o c e s sw a s r e a l i z e di nt h ee n v i r o n m e n to fs o l i d w o r k s i nc o n c l u s i o n ，p r o c e s si n t e g r a t e dd e s i g nm a d e d e s i g n e r st ou s e a l li n f o r m a t i o n r e f e r e dm o r ec o n v e n i e n t l y ；v i s u a l i z a t i o no fp r o c e s sm a d et h ep r o c e s sm o r ei n t u i t i v e a n d e f f i c i e n t l y k e y w o r d s ：m e m s ，p r o c e s si n t e g r a t e dd e s i g n ，p r o c e s sv i s u a l i z a t i o n ， 3 dr e c o n s t r u c t i o n ，p r o c e s sm o d e l 1 i - 两北丁业久学倾i 。学位论义 绪论 第一章绪论 1 1m e m s 及其发展现状 m e m s 的主要发展目标就是尽量减小相同功能的器件的空间尺寸或者提高 相同空间尺寸的器件的功能。它并非单纯微小化，而是指可以开发批量制作的、 集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理的控制电路、直至接口、通 讯和电源等于一体的微型器件或系统。 m e m s 集成了微型机构、微型传感器和微型执行器，不可避免涉及机械、 电子、力学、控制等多学科耦合问题。多学科耦合问题涉及到多学科优化，因此 m e m s 是多学科优化的系统，并不是传统的机械电子的直接微型化，在物质结 构、尺寸、材料、制造工艺和工作原理等方面远远超出传统机械电子的概念和范 畴。 基于上述的特点，m e m s 可解决微小领域( 毫米量级) 中收集处理信息、 决策、行动及周围环境的控制等方面复杂技术问题，在航空航天、生物医学、精 密机械等领域均具有广阔的应用潜力，因而受到人们的高度重视，被列为二十一 世纪关键技术之首，成为世界上发达国家高科技发展的重点方向之一。 m e m s 的发展，可以回溯到它的历史。 1 7 5 0 年，b e n j a m i nf r a n k l i n 发明了第一台静电马达。 1 8 2 4 年，b e r z e l i u s 发现了硅材料。 1 9 5 4 年，s m i t hc s 发现并研究了硅和锗材料的压阻效应。 1 9 6 1 年，k u l i t e 发明了硅压力传感器。 1 9 7 0 年，k u l i t e 又发明了硅加速度计。 1 9 7 7 年，s t a n f o r d 大学制作了第一个电容式压力传感器。 1 9 8 0 年，p e t e r s e n k e 发明了硅扭转扫描镜。 1 9 8 4 年，h o w e 和m u l l e r 制作了第一个多晶硅器件。 1 9 8 9 年，t a n g 、n g u y e n 、h o w e 发明了梳齿驱动器。 1 9 9 1 年，p i s t e r 发明了多晶硅铰链。 1 9 9 2 年，m c n c 开始研究m e m s 的标准工艺m u m p s ( m u l t iu s e rm e m s p r o c e s s ) 。 1 9 9 3 年，a n a l o gd e v i c e 公司推出用于汽车安全气囊的加速度计产品 a d x l 5 0 。 1 9 9 4 年，x e f 2 用于m e m s 。 两北1 业人学帧1 ：学位论文 绪论 1 9 9 4 年，b o s c h 公司为用于高深宽i ：l d i ：i 工的深度反应离子刻蚀( d r i e ) 工艺申请专利。 1 9 9 5 年，微型生物机电系统出现。 2 0 0 0 年，m e m s 光开关开始形成很大的市场。 2 0 0 1 年，自封装技术应用于m e m s 的混合集成。 2 0 0 1 年，纳米技术已经成为一个家喻户晓的名词。 从上述历史可以看出，经历了很长的发展阶段后，m e m s 的研究已经从基 础研究阶段逐步发展到研制开发与实用阶段。许多微传感器、微执行器以及微光 学部件已经在某些行业获得应用。 现在，世界各国都非常关注m e m s 研究领域的发展，并投入大量的人力物 力。目前，以美国、日本、欧洲为研究中心。美国把m e m s 的研究作为2 1 世纪 重点学科之一，美国国家基金会已拨巨款开始了微型机械的研究；同本通产省 1 9 9 1 年开始启动一项为期1 0 年耗资2 5 0 亿日元的m e m s 研究计划；欧共体国 家在尤里卡计划中将m e m s 作为一个重要的研究内容，并在法、德两国组织实 施。在我国，m e m s 的研究也逐渐得到重视，国家科委、国家科工委、国家自 然科学基金会等部门将其列为重点发展项目并积极展开研究工作。 目前，m e m s 的发展可以分为以下几个方向： ( 1 ) 微型光机电系统： 微型光机电系统是m e m s 的一个重要发展方向，它是光学和m e m s 的交叉 领域。衍射光学、自适应光学、发光晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 和亚波长结构都可 以很好的应用于m e m s ，光开关就是目前这个方向的应用的开始。这不仅仅是 因为成本低，同时也因为它们的功能。微型光机电系统在环境监控、安全、监视、 生物医学、光互联( o p t i c a li n t e r c o n n e c t s ) 和光无线通讯( o p t i c a lw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ) 等领域具有很好的发展前景。 ( 2 ) 微型生物机电系统： 生物医学和m e m s 两个学科的交叉结合，形成微型生物机电系统。生物芯 片已经在基因排序上引起极大的反应。通过现在的微型生物机电技术合成m e m s 传感器( 机械和光学) 和致动器，可以创造出具有更为强大功能的新一代生物芯 片。 ( 3 ) 量子加密和计算： m e m s 可以认为是封装技术，也可以认为是一个终极实验室，现在，敏感 性实验可以在m e m s 实验室上组建和解决。 ( 4 ) 发光晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) ： 先进的微细加工技术，包括静电梁制版、自封装和纳米d n ；r _ 技术，可以生成 一维、二维和三维的特征长度为亚波长的周期性或者非周期性的结构。这种周期 两北 业人学坝 学位论文 绪论 性的结构称为发光晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) ，它可以展示电磁辐射中的激发念和 能量差，与自然的晶体如硅和锗在电子波函数中展示频带和频带差非常相象。 ( 5 ) 纳米技术( n a n o t e c h n o l o g y ) ： 纳米技术是2 0 世纪9 0 年代出现的一门新兴技术。它是在0 1 0 至1 0 0 纳米( 即 十亿分之一米) 尺度的空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技 术。纳米技术已经开始。化学( 自封装) 和物理加工技术已经展示了难以置信的 潜力。 在m e m s 的发展过程中，其加工技术随着人们对m e m s 的功能和性能要 求不断提高而快速发展，产生了多种具有代表意义的加工方法。最初的m e m s 加工方法是对基体进行刻蚀的体加工工艺，后来n a t h a n s o n 于1 9 6 7 年发明了以 牺牲层技术为特征的表面加工技术，构筑了m e m s 的加工技术基础。2 0 世纪8 0 年代初德国卡尔斯鲁厄原子核研究所针对m e m s 的发展需要研制出可加工高深 宽比结构的l i g a 工艺，但目前其还难以与微电子工艺兼容。1 9 9 2 年m c n c 开 始研究m e m s 的标准工艺m u m p s ( m u l t i u s e rm e m s p r o c e s s ) ，标志着类似于超 大规模集成电路标准工艺那样的m e m s 标准工艺开始研究。1 9 9 4 年德国b o s c h 公司为用于高深宽比加工的深度反应离子刻蚀( d r i e ) 工艺申请专利，该工艺 既能加工具有一定深宽比的微结构又较易与微电子工艺兼容，现已广泛使用。 m e m s 加工技术的发展过程表明其将向着标准化、可加工高深宽比结构以及和 微电子工艺兼容的方向发展。 随着各种技术条件的不断完善，对加工方法的研究已经从单一的加工方法发 展到整套加工方法，并制定了相应的标准。其中比较流行的标准有： c r o n o s m u m p s 、s a n d i a s u m m i t 、l i g a 、a m e m o s i s 等。 1 2 m e m s 计算机辅助设计( m e m sc a d ) 的发展现状 经过近2 0 年的发展，商业化的m e m sc a d 软件已经用于m e m s 器件的设 计、加工仿真。国外现有的m e m sc a d 软件主要有美国麻省理工学院和美国 c o v e n t o r 公司共同研究开发的c o v e n t o r w a r e 、m i c h i g a nu n i v e r s i t y 的c a e m e m s 、 i b m 研究开发的o y s t e r 、斯坦福大学研究开发的s u p r e m 、伊利诺斯大学研 究开发的a c e s ( a n i s o t r o p i cc r y s t a l l i n ee t c h i n gs i m u l a t i o n ) 、比利时c a t h o l i c u n i v e r s i t y 的c a p s i m 和德国的s e n s o r 系统。其中c o v e n t o r w a r e 是目前功能 比较齐全、比较强大的m e m s 计算机辅助设计平台，它已经发展成为一个微机 电系统快速的数字仿真框架，其它产品的设计思想都和m e m c a d 的相类似。 近年来我国政府对m e m s 研究非常重视，在政府的资助和高校、科研机构 的共同努力下，我国的m e m s 器件研究工作已取得了很大的进展。但是与国外 两北 ? 业人学明i j 学位论文 绪论 相比仍存在着较大差距，在m e m s 器件的工艺模拟和器件计算机辅助设计 ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，c a d ) 方面还很落后。原因一是起步比较晚，二是实 验条件比较差，三是开始时重视程度不够，投入的资源有限。因此目前尚无完整 成熟的设计软件平台。 1 3 论文研究的目的与意义 m e m s 设计生产流程可以分为六大部分，分别是：建模、仿真、版图设计、 制作、封装和测试。从流程上看，可以把m e m s 设计流程分成两大部分，其一 是设计部分，包括建模、仿真和版图设计；其二是生产部分，包括制作、封装和 测试。设计部分是生产部分的基础，需要多次重复以达到最好的效果。在建模、 仿真时，将有第一次的循环，即为达到很好的仿真效果，可能需要多次建模。在 版图和制作上，会有第二次的循环，即为了使制作出来的器件合乎要求，版图设 计可能需要多次重复。如果版图修改已经不能达到制作的要求，则需要重新建模， 形成第三次的循环。制作出来的器件必须经过测试，然后进行封装。如果测试的 结果表明是前面的设计有问题，将形成新的循环。可见，为了得到一个合格的器 件，至少需要进行三次循环。 目前，m e m s 制作技术发展越来越成熟，已经到了应用阶段。相应的，m e m s 的设计技术显得相对落后。在整个m e m s 器件的设计生产周期中，m e m s 器件 的设计阶段是时间最长的阶段，它的集成设计涉及力学、流体力学、热学、电学 和电磁学等多学科交叉问题，需要综合多学科优化理论进行分析，因此在设计参 数的选择上有很大的难度，其中工艺问题是最为突出的问题，因为m e m s 的最 主要的两个阶段，制作和封装的成品率高低都依赖于工艺，而m e m s 的最大优 势之一就是m e m s 工艺可以带来大批量生产。因为上述多学科交叉问题只有通 过良好的工艺设计才能解决。 随着m e m s 的发展，m e m s 器件日益复杂，使得m e m s 的发展在两方面都 遇到困难。一方面，器件的设计周期越来越长；另一方面，器件的加工日益困难， 费用越来越高。 这两个问题的出现，使得m e m s 器件的工艺设计对设计人员要求越来越高， 而且过程不直观，设计流程非常繁杂，严重影响了设计效果；同时由于加工的难 度和设备的昂贵，要求设计部分具有很好的加工程度，尽量减少加工试验的次数， 降低研究成本。因此研究m e m s 工艺的集成设计及其可视化非常有意义，它将 降低设计流程的复杂程度，提高设计过程的直观性，有助于降低设计人员的要求 和工作强度，提高m e m s 器件的设计效率和设计质量，缩短设计周期。 阳北t 业人学坝 。学位论文 绪论 1 4 论文研究的内容 本论文结合当前的国防基础研究课题“微型机电系统集成设计技术”对 m e m s 工艺的集成设计及其可视化进行研究，并解决其中的关键技术问题。 论文的具体内容是着重研究工艺的集成化设计的技术与实现和由二维版图 生成三维实体的三维重构的算法与实现的问题。论文主要分为七章。 第一章，从m e m s 的发展引出对m e m s 工艺的集成化设计与可视化进行研 究的紧迫性。 第二章，探讨m e m s 加工方法的来源，对加工工艺进行详细的分类，选用 目前最通用的表面加工工艺作为本论文的研究对象，对m e m s 表面微细加工的 标准工艺m u m p s 进行详细的分析。 第三章，建立m e m s 器件的三维几何模型和表面微细加工的各个工序模型， 并针对已经选择的标准工艺即m u m p s 工艺，建立其加工过程模型。 第四章，研究工艺集成化设计的体系结构以及数据库支持、版图信息和工艺 信息的存储格式等关键技术，采用数据库技术和界面集成方法，设计开发工艺设 计的集成化软件环境，实现工艺设计中各种信息的集成化。 第五章，针对标准工艺，详细研究具体的工艺可视化的算法，包括几何图形 的交集、并集和差集以及各种工序的可视化算法。 第六章，讨论工艺可视化的体系结构，并详细说明了通过s o l i d w o r k s a p i 接口的开发，在s o l i d w o r k s 的环境下实现了工艺的三维可视化的整个开发流 程。 第七章，对整个论文进行最后的总结，并对m e m s 工艺集成化设计及其可 视化进行前瞻性的展望。 5 两北_ 1 。业人学硕i 二学位论文 m e m s 加t 方法分类成分析 第二章m e m s 加工方法分类及分析 m e m s 加工方法种类繁多，其实现原理和具体的加工过程都不尽相同。因 此本章进行m e m s 加工方法的分类，并进行分析，选择m u m p s 标准工艺作为 本论文实现可视化的加工工艺。 2 1m e m s 加工方法的来源 微细加工方法是指加工尺寸在微米级范围的加工方式。因为m e m s 的本身 尺寸范围就在微米级范围，因此可以说m e m s 工艺都是微细加工工艺。讨论 m e m s 加工方法的来源应该先讨论微细加工方法的来源。 微细加工技术曾经广泛应用于大规模和超大规模集成电路的加工制作，正是 这些微细加工技术使得众多的微电子器件及相关技术和产业蓬勃发展起来，并迎 来了人类社会的信息革命。同时，微细加工技术也逐渐被赋予更为广泛的内容和 更高的要求。目前，微细加工技术在特种新型器件、电子零件和电子装置、表面 分析、材料改性等方面也在发挥日益重要的作用。特别是在m e m s 研究和制作 方面，微细加工技术已经成为必不可少的基本环节。 可以认为，微细加工工艺起源于半导体制造工艺，它的动机跟集成电子电路 工艺一样，是为了实现微小型化和并行工艺，得到低成本的大批量生产。这种工 艺可以用来生产廉价的产品、巨大阵列、集成系统或者用传统的加工技术不能实 现其功能的器件。 在集成电路和各种半导体器件制造中，最常用的材料是硅。硅器件占世界出 售的半导体器件的9 5 以上。在m e m s 加工中，硅材料是最基本最主要的材料。 一方面，是由于m e m s 工艺与i c 技术的渊源；另一方面，硅材料具有很多优异 的特性。硅是半导体材料，因此具有很好的电子特性，它可以通过掺杂来改变硅 的导电性能。同时硅也具有很好的机械特性。在机械结构中，需要考虑的几个主 要的参数是杨氏模量、泊松比、应力和最大强度，硅在这几个方面都具有很好的 特性，同时，由于硅的晶格缺陷相对很少，加工后可以得到很好的表面特性。 微细加工一般都要涉及硅材料，针对m e m s 的微细加工也常被称为硅微细 加工( s i l i c o nm i c r o f a b r i c a t i o n ) 。它是m e m s 迅速发展的基础技术。作为硅集成 制造技术的延伸，硅微细加工主要是指以硅为基础材料制作各种m e m s 零部件。 通常的m e m s 工艺主要指m e m s 中的硅微细加工工艺。 两北t 业人学硕i 。学位论义 m e m s 加丁方法分类t ；5 乏分析 2 2m e m s 加工方法分类 按加工技术来分，m e m s 加工工艺可以分为：光刻技术、牺牲层技术、外 延技术、高能束刻蚀技术、l i g a 技术等。 针对于硅加工方法可以大体分为体加工、表面加工。 按工艺标准来分，m e m s 加工工艺可以分为：c r o n o s m u m p s 、 s a n d i a s u m m i t 、l i g a 、a m e m o s i s 等。 2 2 1 光刻 光刻( p h o t o l i t h o g r a p h y ) 也称照相印刷术，它源于微电子的集成电路制造， 是在m e m s 制造领域应用较早并仍被广泛采用的且不断发展的一类微细加工方 法。光刻在m e m s 技术中的和在i c 制作中一样重要，其原理是：在硅等基体材 料上涂敷光刻胶，然后利用极限分辨率极高的能量束通过掩膜对光刻胶进行曝 光，经显影后，在光刻胶层上获得了与掩膜图形相同或者相反的极微细的几何图 形。光刻之后一般是利用刻蚀方法在工件材料上制造出微型结构。 2 2 2 亥0 蚀 刻蚀是m e m s 加工中最基本的加工方法。在m e m s 中有以下几种刻蚀方法： 1 、异向刻蚀( a n i s o t r o p i ce t c h i n g ) 许多刻蚀剂比如k o h 、t m a h 和e d p 在刻蚀硅材料时根据不同的晶格方向 会有不同的刻蚀速率。这些刻蚀剂与刻蚀中止层结合，可以刻蚀出非常精确的机 械结构。 2 、深度反应离子刻蚀( d i u e ) 像异向刻蚀一样，d r i e 也可以以很低成本生成非常精确的机械结构。但是 d r i e 在刻蚀基体时可以不考虑晶向，因此比异向刻蚀更加灵活。 3 、气相刻蚀 一般情况下，刻蚀之后都要进行烘干处理。现在，气相刻蚀已经可以应用于 m e m s 加工。气相刻蚀时被刻蚀的部分会变成气体挥发，不需要进行烘干处理。 h f 和x e f 2 是目前最常用的气相刻蚀剂。 2 2 3 掺杂 掺杂是一种与离子植入、沉积和i c 制作中的扩散类似的加工方法，它是通 西北丁= 业人学硕士学位论文 m e m s 加t 方法分类及分析 过扩散运动把分子或者离子注入硅材料内部，达到改变硅材料物理化学性能的目 的。 2 2 4 基体键合 i c 制作一直以来都是平面工艺。但是许多m e m s 器件需要非平面的结构。 因此需要从i c 的平面工艺中发展可以生成三维器件的技术，基体键合就是其中 之一。通过多层基体的叠加和接合，就可以制造出复杂的三维器件和三维系统。 一般情况下，硅一硅键合都是热扩散键合，阳极键合般用于硅一玻璃键合。 2 2 5 烘干 对于经过表面加工的易碎的m e m s 结构，牺牲层刻蚀之后的烘干工序是必 需的。烘干工序中要考虑的一个问题是如何处理器件的毛细作用力问题。毛细作 用力会把一些游离的细粒吸附在底层基体的接口处，使m e m s 器件不能正常工 作。这个问题的一般处理方式是采用冰冻干燥法和临界点干燥法。甲醇冰冻干燥 法是应用比较早的一种方法，但是因为其不能完成除去毛细作用力，所以在许多 敏感器件中不采用，被采用一氧化碳的临界点干燥法取代。另一个很有前途的方 法就是采用单层自封装技术，它可以使得m e m s 结构具有疏水性，减少毛细作 用力使m e m s 结构失效的可能。 2 2 6 体加工 体加工是指通过刻蚀等去除部分基体或者衬底材料，从而得到所需的元件的 体构形的一种加工方法。它在m e m s 制造中应用最早，主要是通过光刻和化学 刻蚀等在硅基体上得到一些坑、凸台、带平面的孔洞等微结构，它们成为建造悬 臂梁、膜片、沟槽和其他结构单元的基础，最后利用这些结构单元可以研制出压 力或加速度传感器等微结构装置。 2 2 7 表面加工 表面加工是以基体材料作机械支撑，然后在其表面上利用沉积、刻蚀和牺牲 层等技术进行m e m s 器件的加工制作。表面加工技术适合加工悬置于基体表面 上，相对较小，有时具有一定活动自由度的薄膜元件。 两北丁业人学硕士学位论文 m e m s 加丁方法分类成分析 2 。2 8l i g a l i g a 是德文中制版术( l i t h o g r a o g h i e ) ，电铸成形( g a l v a n o f o r m u n g ) 和注 塑( a b f o r r m m g ) 的缩写。该工艺在2 0 世纪8 0 年代初创立于德国的卡尔斯鲁厄 原子研究所，是为制造微喷嘴而发明出来的。当时l i g a 创始人曾提出l i g a 可 以制作厚度超过其长度尺寸的各种微型构件。 l i g a 技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，可以制造由 各种金属材料以及塑料、玻璃、陶瓷等材料制成的微机械。因此，较硅材料的加 工技术是一个很大的飞跃。l i g a 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。纵向可达数百微米，最小横向尺寸为1l am ，尺寸精度达亚微米级， 而且有很大的垂直度、平行度和重复精度，但其设备投资很大。 2 3 m u i v l p s 工艺 m e m s 加工方法种类繁多，为了提高m e m s 工艺的通用性，方便工艺设计 人员之间的数据交换，人们对表面加工工艺的标准化研究已经开始并取得了一定 的成果，其中m c n c c r o n o s 公司的m u m p s 工艺以其简单、低成本和通用性， 被广泛用于验证新的设计概念，同时，就兼容性来说，表面加工技术最易和微电 子工艺兼容，便于大批量生产机电一体化的微系统。 图2 - i m u m p s 工艺是一个三层多晶硅表面微细加工工艺，它一共包括七层薄膜材 料( 图2 - 1 ) ，其中三个多晶硅层( p o l y ) 用作结构层，两层沉积的氧化物 ( p h o s p h o s i l i c a t eg l a s s ，p s g ) 用作牺牲层，而氮化硅层( n i t r i d e ) 用作多晶硅 西北工业大学硕士学位论文 m e m s 加工方法分类及分析 和基体之间的绝缘层，金属层( m e t a l ) 则用在引线点处，以减小电阻。为了最 大可能地保证m u m p s 工艺的通用性，其中结构层和牺牲层的厚度已经基本固 定。图2 2 为利用该工艺加工的微马达的一个截面图，其结构的组成、厚度信息 以及对应的光刻掩模如表2 - 1 所示。 图2 - 2 表2 - 1 材料层厚度( 微米)对应的光刻掩模 氮化硅( n i t r i d e ) 0 6 多晶硅( p o l y 0 ) 0 5 p o l y 0 ( h o l e 0 ) 牺牲层( f i r s to x i d e ) 2 od i m p l ea n c h o r l 多晶硅( p o l y l ) 2 0 p o l y l ( h o l e l ) 牺牲层( s e c o n do x i d e ) o 7 5p o l y lj o l y 2v ia n c h o r 2 多晶硅( p o l y 2 ) 1 5 p o l y 2 ( h o l e 2 ) 金属( m e t a l ) o 5m e t a lf h o l e m ) 本论文结合的课题“微型机电系统集成设计平台与制造技术”中设计的对象 是梳状驱动音叉振动式微陀螺，该陀螺作为典型的m e m s 器件，其工艺设计主 要包括下极板( p o l y 0 ) 的沉积与刻蚀，上极板( p o l y l ) 的沉积与刻蚀以及金属 升离( l i f t o f f ) 等工艺步骤。其工艺过程适合采用表面加工工艺进行工艺方案的 制定。 因此本文主要研究的加工方法是表面加工中的m u m p s 工艺。 两北1 。业人学坝l ：学位论文 m e m sn i j | 法分类及分析 2 4 本章小结 本章首先探讨了m e m s 加工方法的来源，对加工工艺进行了详细的分类， 并对m e m s 表面微细加工的标准工艺m u m p s 工艺进行了详细的分析。由于加 工方法的多样性，分类和分析是非常必需的，它使得论文在研究过程中有一个实 际的对象进行研究。 两北1 业人学坝i j 学位论史 m e m st 岂螳模 3 1引言 第三章m e m s 工艺建模 模型是现实世界中的某些事物的一种抽象表示。抽象的含义是抽取事物的本 质特性，忽略事物的其他次要因素。因此，模型既反映事物的原型，又不等于该 原型。模型是理解、分析、开发和改造事物原型的一种常用手段。建模就是将现 实世界中的实体( 对象) 变成模型的过程。在现实世界中，实体有许多未知的性 质，同时又受到大量的外界因素的干扰。因此只要模型的行为( 或响应值) 与实 体的输出“几乎相等”，那么所建的模型是令人满意的。 模型有两项基本要求： l 、在功能上要与现实中的实体( 对象) 有一定的等价性。 2 、在组成结构上要与现实中的实体( 对象) 有一定的可比性，并应能够满 足可系列化、可重用性和可重组性等要求。 从第二章的加工方法分类中，可以知道m e m s 的加工方法根据不同的方面 可以有不同的分类，同时，每一种加工方法都跟材料和特定的设备有关系。本论 文以表面微细加工的加工方法为例，建立m u m p s 的过程模型，为下一章的算 法作为基础。在建立m e m s 工艺过程模型之前，先说明一下过程建模所采用的 方法，并建立m e m s 器件的三维几何模型，然后对加工工艺进行分析，最后建 立m u m p s 的过程模型。 3 2 建模方法 建模方法可以分为面向过程建模、面向数据建模、面向信息建模和面向对象 建模四种。 面向过程的建模方法是把过程看作系统模型的基本部分，数据是随着过程而 产生的。 面向数据的建模方法把模型的输入输出看成是最为重要的，因此，首先定义 的是数据结构，而过程模块是从数据结构中导出的，即功能跟随数据。 面向信息的建模方法与面向数据建模方法的区别就是信息和数据的区别。面 向信息建模方法是从整个系统的逻辑数据模型开始的，通过一个全局信息需求视 图来说明系统中所有基本数据实体及其相互关系，然后，在此基础上逐步构造整 个模型，信息模型记录系统运作所需的信息实体，为分析现行系统提供信息的图 形化表示。数据建模的目的是设计和实现满足系统信息需求的数据库结构，即数 两- i ef ：业人学坝 学位论义 m e m s1 岂矬摸 掘建模支持系统设计。 面向对象的分析方法是利用面向对象的信息建模概念，如实体、关系、属性 等，同时运用封装、继承、多态等机制来构造模拟现实系统的方法。 本章的后面将用到面向数据和面向过程的建模方法。 3 3m e m s 器件的三维几何模型 m e m s 器件模型是指在以后的工艺设计和工艺过程可视化中所采用的一个 信息模型，主要用来保存器件中层、实体、多边形、位置等信息。 如图3 一l 所示，器件的三维几何模型由一个层的列表和暴露多边形列表组成， 每一层包含一个实体列表和层的材料属性、厚度信息：每一实体包含一个实体上 表面多边形顶点列表和实体的厚度、高度信息；每一个顶点包含一个二维的坐标 信息；暴露多边形列表用来存储器件俯视图中所有的多边形，因此每一多边形都 对应的有一个多边形顶点序列和所来自的层的名称、所处的高度和对应实体的厚 度信息。 3 4 表面微细加工工序模型 图3 1 表面微细加工方法是m e m s 的典型和复杂的加工工艺，它包括抛光、氧化、 沉积、光刻、刻蚀、清洗和释放等工序。其中，抛光、清洗不改变m e m s 的实 体模型，同时，氧化可以认为是一个先刻蚀再沉积的结合工序，释放本身就是刻 7 q j l1 。业人学坝t j 学位论义 m e m sr2 三址梭 蚀的种，这些对实体模型建立没有影响。改变m e m s 器件的实体模型的加工 方法就是沉积和刻蚀。光刻本身是刻蚀的一个前奏，不改变模型的任何拓扑结构， 但是在刻蚀时，它起到了确定刻蚀区域的作用，因此把它列入模型进行考虑。这 样，在表面微细加工方法中，只需建立沉积、光刻和刻蚀的模型。 沉积、光刻和刻蚀过程中，每一种工序都是对现有的模型进行处理，得到的 结果用于下一次工序。这种表现方式跟数据的输入输出非常相象，因此在此用面 向数据的建模方法建立这三种工序的模型。 3 4 1 沉积模型 沉积是在材料的表面附加一层材料，其几何模型可以表示为在一个已经知道 的几何模型表面( 平面或者非平面) 上再生成一个新的几何图形。根掘新的几何 图形的类型，沉积可以分为以下几种： 1 、c o n f o r m a l ：c o n f o r m a l 类型的沉积得到的新的层具有统一的厚度。 2 、p l a n a r ：p l a n a r 类型的沉积得到的新的层的上表面是一个平面，同时新的 沉积层与原来的几何表面没有空隙。 3 、s t a c k e d ：s t a c k e d 类型的沉积得到的层上下表面都是平面，原来的层具有 的凹槽不会被填满。 4 、v i a ：v i a 类型与s t a c k e d 类型刚好相反，它只填满原来的层的凹槽部分， 其他部分不沉积任何材料。 图3 - 2 是以上四种沉积类型的示意，从中可以看出，沉积模型的输入参数为： 沉积表面、沉积类型、沉积材料、沉积厚度。输出的结果可以表示为：在整个模 型中添加一层新的材料。其中因为沉积表面在工艺过程中具有普遍意义，因此将 在后面统一提取模型。 图3 2 1 4 两北丁业人学坝i 学位论史m e m s 兰矬愤 3 4 2 刻蚀模型 刻蚀是在m e m s 器件的原有材料上去除一些不需要的材料，形成新的拓扑 结构。类型有以下几种： l 、r e g u l a re t c h ( e t c h - t o - l a y e r ) ：这种类型的刻蚀是在刻蚀区域被刻蚀的层 材料都全部被除去，直到每一层为止。 2 、r e g u l a re t c h ( e t c h t o d e p t h ) ：这种类型的刻蚀是在刻蚀区域刻蚀剂会除 去一定厚度的材料，极有可能刻蚀掉多层也可能只刻蚀去一层的一部分。 3 、u n d e r c u te t c h ：该类型的刻蚀与r e g u l a re t c h 不同，r e g u l a re t c h 是垂直 刻蚀，u n d e r c u te t c h 不是垂直刻蚀。在一层的下表面，刻蚀剂会继续刻蚀侧壁， 形成内凹形状。 4 、r e l e a s ee t c h ：此类型专用于工艺的最后阶段除去牺牲层，它会除去整个 层的材料，形成最后的m e m s 器件。 图3 3 是r e g u l a re t c h 和u n d e r c u t e t c h 的示意图。从中可以看出刻蚀的输入 参数为：刻蚀表面、刻蚀类型、刻蚀层的列表、刻蚀层的刻蚀厚度。输出结果为： 被刻蚀的层重新定义，得到刻蚀后的拓扑结构。由于u n d e r c u te t c h 类型的刻蚀 比较复杂，本论文只考虑r e g u l a re t c h 和r e l e a s ee t c h 。 图3 3 i 珥北i 业人学坝i 学位论文 m e m si 岂址镁 3 4 3 光刻模型 光刻实际上只是对刻蚀的表面进行逻辑运算，得到刻蚀区域，并对其他的区 域进行必要的分解，为刻蚀做准备。因此其输入参数有：模型暴露表面、版图文 件。输出结果为：模型上表面的区域划分、分解后的几何形状列表。 3 5m e m s 加工过程模型 工艺模型是将工艺参数与影响制造性能的产品设计属性联系起来，以反映生 产系统模型与产品模型间的交互作用。通过建立每一步工艺的物理模型，采用合 适的数值算法，结合掩模版图和工艺流程，模拟微器件的拓扑结构，就可以得到 m e m s 工艺过程模型。 加工过程可以认为是一系列工艺的集合。m u m p s 工艺标准就是一套完整的 工艺流程。 根据m u m p s 表面加工工艺的设计规程，对微陀螺进行工艺设计，其工艺 流程如表3 1 所示。 表3 1 工 艺工艺名称作用参数要求工艺条件备注 号 ( 一) 基体准备 n 型( 1 0 0 ) 1 备片、清洗s i ，单面抛光， h 2 0 2 + h 2 s 0 4 r j l 3q ，c m 煮沸 掺杂源 2 掺磷防止倒灌 p o c l 3 1 0 5 0 3单面热氧化掩蔽s i3 0 0 0 a 干+ 湿+ 干 单面l p c v d 绝缘 4 掩蔽s i 0 26 0 0 0 a s i 3 n t ( 二) 下极板( p o l y 0 )