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MEMS工艺 石云波3920397shiyunbo 课程内容 第一章绪言 2 第二章半导体制造技术 6 4 第三章硅微加工技术 6 2 第四章光刻技术 3 2 第五章LIGA技术 3 第六章微机械装配与集成 3 2 第七章典型微机械系统装置 4 第八章MEMS制造设备 3 考试 开卷考试80 平时20 包括作业 考试 考试70 课堂10 作业20 包括试验 第一章主要内容 MEMS的基本概念及其特点MEMS的发展概况MEMS的应用领域MEMS工艺的基本概念MEMS工艺的国内外情况及发展趋势 微机电系统 MEMS 的定义 什么是MEMS 微机电系统 MEMS 是指用微机械加工技术制作的包括微传感器 微致动器 微能源等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置 各个国家不同的定义 美国 微型机电系统MEMS Microelectromechanicalsystem日本 微机械Micromachine欧洲 微系统Microsystem 什么是微型机电系统 例如 1 汽车安全气囊2 煤气报警器3 声光控开关 MEMS中的核心元件一般包含两类 一个传感或致动元件和一个信号传输单元 下图说明了在传感器中两类元件的功能关系 为什么要学习MEMS 主要特点 器件微型化 集成化 尺寸达到微米数量级功能多样化 智能化功能特殊性能耗低 灵敏度高 工作效率高 MEMS与传统机械有什么区别 微尺寸效应表面与界面效应量子尺寸效应加工方式 第一章主要内容 MEMS的基本概念及其特点MEMS的发展概况MEMS的应用领域MEMS工艺的基本概念MEMS工艺的国内外情况及发展趋势 MEMS的国内外概况 MEMS发展历史回顾 1947年 发明晶体管 技术基础 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 82年 美国U C Bekeley 表面牺牲层技术微型静电马达成功MEMS进入新纪元 九十年代初ADI的气囊加速度计实现产业化 90年代中 ICP的出现促进体硅工艺的快速发展 九十年代末Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高水平 国内MEMS的发展 20世纪90年代初清华大学等高校开始研究 目前有100个左右的研究小组从事本领域研究 研究主要领域包括硅微传感器 硅微致动器 硅微加工技术 微系统等领域 主要加工基地有信息产业部电子13所 北大微电子所 清华大学微电子所 上海交通大学和上海冶金所等 第一章主要内容 MEMS的基本概念及其特点MEMS的发展概况MEMS的应用领域MEMS工艺的基本概念MEMS工艺的国内外情况及发展趋势 SEMI发布名为 全球微机电 微系统市场和机遇 的市场研究报告中指出 2005年该产业总规模达到480亿美元 期待到2010年将增长到950亿美元 这些系统的核心微机电器件在2005年产业规模达到53亿美元 由于消费电子微机电器件使用量增加 预计到2010年产业规模将增长到99亿美元 年复合增长率为13 MEMS技术的发展与应用 MEMS应用军事领域信息领域航空 航天生物 医疗汽车工业控制环境保护消费类 玩具 几个商业化了的MEMS产品 1 压力传感器最成熟 最早开始产业化压阻式和电容式压阻式微压力传感器的精度 0 05 0 01 年稳定性达0 1 F S 温度误差为2ppm 耐压可达几百兆帕 过压保护范围可达传感器量程的20倍以上 2 微加速度计微加速度计是微型惯性测量组合的关键基础元件汽车安全气囊系统 体积小 成本低 集成化等特点美国AD公司的ADXL美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G电容式微加速度计美国EG GIC 3 微喷基于MOEMS技术的微喷已成为MOEMS领域的一种典型器件 它的应用涉及科学仪器 工业控制以及生物医疗等多个领域 目前主要的应用方向有喷墨打印 芯片冷却 气流控制以及微推进系统 应用于药物雾化供给的微喷研究也正在兴起 喷墨打印机的喷墨打印头 年产值数亿美元 4 数字微镜器件与传统的CRT和LCD投影显示技术相比 足够的亮度 均匀性和稳定性反射显示 德州仪器设计的数字驱动微简易阵列芯片 DMD DigitalMicromirrorDevice 实际上是反射式微光开关阵列 每一个微镜对应图象的一个像素 一个微镜的尺寸仅为16 m 16 m DMD可以承受1500g的机械冲击 20g的机械振动 设备的使用寿命超过了100 000小时 一块完整的DMD半导体芯片 镜面是由一百三十万个微反射镜组成的长方形阵列 每个微镜对应于投影画面中的一个光学像素 MEMS在军事领域的应用 军事领域是MEMS技术的最早应用点 对推动MEMS技术的进步起到了很大作用引信安全 炮弹弹道修正 子母弹开仓控制 侵彻点控制单兵携带雷达战场毒气检测和救护侦察 小飞机后勤保障 用于武器制导和个人导航的惯性导航组合用于超小型 超低功率无线通讯 RF微米 纳米和微系统 的机电信号处理用于军需跟踪 环境监控 安全勘察和无人值守分布式传感器用于小型分析仪器 推进和燃烧控制的集成流量系统武器安全 保险和引信用于有条件保养的嵌入式传感器和执行器用于高密度 低功耗的大量数据存储器件用于敌友识别系统 显示和光纤开关的集成微光学机械器件用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动的 共型表面 惯性MEMS 航空 航天 航空 改进飞机性能 保证飞机安全舒适 减少躁声航天 天际信息网 微重力测量 FLUDICMEMS 信息领域 全光通信网 光开关和开关阵列 光可变衰减器 光无源互连耦合器 可调滤波器 光相干探测器 光功率限幅器 微透镜 光交叉连接器OXC 光分插复用器OADM和波分复用器无线电话 MEMS电容 电感 传输线 RFMEMS滤波器 RFMEMS振荡器 MEMS移相器 微波收发机MEMS集成化射频前端计算机 摄像头 鼠标投影仪 喷墨打印机数据存储 汽车工业 每部汽车内可安装30余个传感器 气囊 压力 温度 湿度 气体等微喷嘴智能汽车控制系统工业控制化工厂自动化控制中的探测器等 MEMS的应用 环境保护 无人值守大气环境监测网高速公路环境监测网消费类 玩具消费类电器模糊控制 摄象机 洗衣机虚拟现实目镜 游戏棒 智能玩具 OPTIC MEMS 生物 医疗 生物芯片LabonChip血压计新型喷雾器可在血管内操作和检测的微型仪器 BIOMEMS 典型MEMS系统 微型机器人 典型MEMS系统 微汽车 车长4 8mm车速10mm s 典型MEMS系统 微型卫星 清华一号 美国提出的硅固态卫星的概念图 这个卫星除了蓄电池外 全由硅片构成 直径仅15cm 典型MEMS系统 微型飞行器 第一章主要内容 MEMS的基本概念及其特点MEMS的发展概况MEMS的应用领域MEMS工艺的基本概念MEMS工艺的国内外情况及发展趋势 工艺的概念 工艺 劳动者利用生产工具对各种原材料 半成品进行加工和处理 改变它们的几何形状 外形尺寸 表面状态 内部组织 物理和化学性能以及相互关系 最后使之成为预期产品的方法及过程 工艺技术 是人类在劳动中逐渐积累起来并经过总结的操作技术经验 它是应用科学 生产实践及劳动技能的总和 MEMS的典型生产流程 膜越厚 腐蚀次数越少 去除下层材料 释放机械结构 采用特殊的检测和划片工艺保护释放出来的机械结构 封装时暴露部分零件 机 电系统全面测试 DEPOSITION OF MATERIAL PATTERN TRANSFER REMOVAL OF MATERIAL 多次循环 PROBE TESTING SECTIONING INDIVIDUAL DIE ASSEMBLY INTOPACKAGE PACKAGE SEAL FINAL TEST 成膜 光刻 腐蚀 集成电路 IntegratedCircuit 缩写IC通过一系列特定的加工工艺 将晶体管 二极管等有源器件和电阻 电容等无源器件 按照一定的电路互连 集成 在一块半导体单晶片 如硅或砷化镓 上 封装在一个外壳内 执行特定电路或系统功能 MEMS与集成电路工艺的相同 微机电系统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 这表明微电子技术是MEMS技术的重要基础 微电子加工手段是MEMS的重要加工手段之一 微电子中的主要加工手段均在MEMS制备中发挥极大作用 包括 Si材料制备 光刻 氧化 刻蚀 扩散 注入 金属化 PECVD LPCVD及组封装等 MEMS工艺 硅工艺体硅工艺表面工艺两者结合非硅工艺LIGA工艺DEM工艺其他工艺 超精密加工 非切削加工 特种加工技术 MEMS与集成电路工艺的不同 集成电路与MEMS器件特点比较 集成电路 薄膜工艺 制作各种晶体管 电阻电容等重视电参数的准确性和一致性MEMS 工艺多样化制作梁 隔膜 凹槽 孔 密封洞 锥 针尖 弹簧及所构成的复杂机械结构更重视材料的机械特性 特别是应力特性 特点的不同导致对工艺的要求不同 MEMS与IC的比较 第一章主要内容 MEMS的基本概念及其特点MEMS的发展概况MEMS的应用领域MEMS工艺的基本概念MEMS工艺的国内外情况及发展趋势 MEMS工艺的国内外情况 硅工艺体硅工艺表面工艺两者结合非硅工艺LIGA工艺DEM工艺其他工艺 超精密加工 非切削加工 特种加工技术 裸片 淀积氧化层 体微加工流程 图形化氧化层 腐蚀 Si 除去氧化层 MEMS器件的加工 MEMS器件的加工 LIGA MEMS工艺的发展趋势 微机电系统的发展对微机械加工技术的要求 有较强的加工能力 可以制作灵活多样的高深宽比的微结构 能实现三维或准三维的设计加工 工艺简洁 设备成熟 可以高效率和低成本的批量生产 与集成电路工艺的兼容性好 便于器件的封装 最好能实现片上封装以硅为主 但能便于同时采用多种具有其他特性的结构材料 MEMS工艺的发展趋势 继续保持与硅集成电路的紧密联系充分利用硅材料 广泛利用为集成电路开发的现有设备和技术 并且相着不断把信号检测和控制电路与微结构单片集成的方向发展 体硅技术 表面加工技术与LIGA加