微机电系统及其相关技术

1、微机电系统及其相关技术微机电系统及其相关技术 第一章第一章 微机电系统概论微机电系统概论 一、微机电系统的概念 微机电系统（MEMS）指微型化的器件或器件组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的功能相结合的综合集成系统，采用微型结构（包括集成微电子、微传感器和微执行器），使之能在极小的空间内达到智能化的功效。 微机电系统是一门多学科交叉的新兴学科，它涉及精密微机械、微电子、材料科学、微细加工、系统与控制等技术科学和物理、化学、力学和生物学等若干基础学科。 微机电系统的主要特点在于：能在极小的空间里实现多种功能；可靠性好、重量小且能耗低；可以实现低成本大批量生产。 微机电系统将在21世纪的信息、

2、生物医学等多方面导致人类认识和改造世界能力的重大突破，给国民经济以及国防建设带来深远的影响。 二、MEMS技术的发展 MEMS的加工工艺已发展了40年。随着传感器和执行器的微加工技术的发展，人们已经研制出一系列微传感器可用于测量位置、速度、加速度、压力、力、扭矩、温度、气体成分、离子浓度、分子浓度以及pH值等和各种微机电构件及系统。 微机械系统的发展方向是微型化、多功能及与微电子的密切结合，其工艺发展的趋势是智能化、降低尺寸、重复性好、采用仿生学和高级信息技术并减少环境污染。 MEMS在我国也得到了广泛的重视。目前，一批MEMS的研制产品如微泵、静电型微马达、电磁型微马达已获成功；MEMS的新

3、型技术包括高深宽比微加工技术等正迅速发展。展望21世纪，我国的MEMS不仅在科研水平上，而且在产品的批量生产上也将与发达国家并驾齐驱。 三、微机电系统的主要技术三、微机电系统的主要技术 MEMS的飞速发展是与其相关的制造加工技术的发展分不开的。微电子集成工艺是其基础。要构成MEMS的各种特殊结构，还必须一系列的特殊工艺技术。它们主要是：体微加工技术；微表面加工技术；高深宽比微加工技术；组装与键合技术以及超微精密加工技术等。 四、MEMS的主要材料 硅是MEMS用的主要结构材料。它不仅是良好的半导体，而且也是一种很好的结构材料。硅片大量用于微构件，它可用化学刻蚀和离子刻蚀进行各向同性和各向异性刻

4、蚀成所需的结构。 另外，硅化物、金属、合金以及一些聚合物也可应用于MEMS。 五、智能系统集成 微机电系统的智能化是将高性能的传感器、执行器、大量的微处理器集成在一个系统里，即把传感、判定和运动组建在一起高质量地执行任务。目前，多维传感器系统、多层信息处理系统等的发展使传感器、执行器和界面电子学有机结合为新型的MEMS器件。第二章第二章 MEMS的微加工技术的微加工技术 硅和在硅基片上制造的各种显微机械零件是IC技术的扩展技术。一、集成电路工艺晶体晶体生长生长切切片片薄薄膜膜制制备备光光刻刻刻刻蚀蚀切切割割封封装装掺杂掩膜板掩膜板 晶体生长是一种特殊技术，常用的硅单晶锭制备工艺为悬浮区熔工艺。

5、 硅的表面氧化是硅加工的基础工艺。氧化层生长工艺有三种：热氧化、CVD和溅射。生长的氧化层有如下作用：硅的表面保护；作为离子注入和扩散的掩膜；电解介薄膜；衬底和其他材料之间的界面层。 光刻是一种图形转移技术。其过程如下图所示。光刻工艺过程 掺杂的主要工艺手段是扩散和离子注入。在带有掩膜的硅片表面某些区域内，刻通过此工艺来控制掺杂原子的数量，从而形成N型和P型区。通过掺杂可制备成有源器件、刻蚀终止层、导电多晶硅和微机械器件。 在高温扩散炉内，带有掺杂剂的气体通过硅片表面的现象为扩散。扩散主要有两步：预淀积和再分布。 离子注入不需高温，它通过高能束流将杂质离子直接注入到硅表面。 金属化是指在硅片表

6、面均匀地生长一层金属薄膜，以形成内部连线、欧姆接触和金属半导体接触，有时还起保护作用。 金属薄膜生长的方法有：真空蒸发、溅射、CVD和电镀等。 真空淀积是一种使用最广泛的淀积工艺，常用电子束轰击和电阻加热。蒸发较为困难的金属用溅射工艺比较方便。 溅射是利用氩的等离子中的正离子轰击阴极，使靶材料以原子、分子为主的粒子状态淀积在基片的表面形成薄膜。 化学气相淀积也是薄膜生长技术的重要手段。其原理是：选定的化学反应物质以气态通入CVD设备，在高温下反应剂气体发生化学反应，在加热的硅片表面形成所需的薄膜。这种方法可生长各种薄膜，如金属、电介质、多晶硅和其他化合物。这种工艺薄膜的生长速率快台阶覆盖性好，

7、生产批量大。 CVD可在常压下进行（APCVD)，也可在低压下反应（LPCVD)。 低温下可使用等离子增强化学气相淀积（PECVD）。 装配和封装是IC的最后一道工序。其过程包括芯片检查、芯片固定、导线固定和封装。 二、MEMS的硅微机械加工 微机械加工是固态传感器、执行器、MEMS以及微光机电系统（MOEMS）的关键加工技术。微机械加工可分为体微机械加工和表面微机械加工。 硅的块体微机械器件主要是通过光刻掩膜技术、硅刻蚀自终止技术、硅的湿法和干法技术来制作的。其中硅的各向异性刻蚀和刻蚀自终止技术是微机械加工的两大支柱技术。 1、硅湿法腐蚀的基本原理 硅的湿法腐蚀首先是将被腐蚀材料氧化，然后通

8、过化学反应使其生成一种或多种氧化物再溶解。在同一腐蚀液中，由于混有各种试剂，故两个过程是同时进行的。 常用的有HF-HNO3腐蚀系统（各向同性腐蚀）和KOH腐蚀系统（各向异性腐蚀）。 除了腐蚀液，决定单晶半导体腐蚀的因素还有很多：晶体取向、导电类型、掺杂原子浓度、晶格损伤以及表面结构等。 在一定的条件下腐蚀具有一定的方向性是硅单晶片腐蚀过程中的重要特征之一。利用这种特性，可在硅基片上加工出各种各样的微结构。 2、体硅微机械的基本结构、体硅微机械的基本结构 利用硅在KOH溶液中的各向异性腐蚀功能，可以做成各种微机械基本结构。 三、体硅腐蚀的自停止技术 硅腐蚀的自停止技术是利用了不同晶格取向的硅和

9、掺杂浓度的不同，使硅在不同的腐蚀液中表现出不同的腐蚀性能。它也是硅微机械加工技术的关键技术之一。 主要有：重掺杂自停止腐蚀技术；P-N结自停止腐蚀技术；（111）面自停止腐蚀技术；电化学自停止腐蚀技术。第三章 MEMS表面微加工技术 在制造硅微结构时，往往需要得到薄的均匀膜片，体微加工的方法要腐蚀相当一部分硅材料，既费时又浪费材料。在硅腐蚀的基础上，采用不同的薄膜淀积和腐蚀方法，在硅片表面形成不同形状的层状微结构，这是构成硅的表面微机械加工技术的基本内容。 其所应用的材料和加工方法与IC的制作有较好的兼容性。一、表面微机械加工的基本概念 表面微机械加工以硅片为基体，通过多层膜淀积和图形加工制备

10、三维微结构。硅片本身不被加工，器件的结构部分由淀积的薄膜层加工而成，结构与基体之间的间隙应用牺牲层技术，其作用是支撑结构层，并形成所需形状的空腔尺寸，在微器件制备的最后工艺中溶解牺牲层。 二、表面微机械加工应用的材料 表面微机械加工要求所应用的材料是一组相互匹配的结构层牺牲层材料。结构层材料必须满足应用所需的电学和机械性能，如静电执行器的导电结构和绝缘层。机械性能要求适中的残余应力、高的屈服和断裂应力、低的蠕变和疲劳强度、抗磨损等。牺牲层材料应有好的粘结力、低的残余应力，既要满足工艺条件又不产生相反作用等。 常用的材料组合有：多晶硅二氧化硅,磷硅玻璃（PSG）；Si2N4SiO2,PSG； S

11、iO2多晶硅；MoAl等。 以LPCVD淀积的多晶硅作为结构层材料，热生长或LPCVD淀积的氧化硅作为牺牲层材料已广泛用于多晶硅表面微机械。腐蚀剂HF腐蚀氧化硅不会影响多晶硅，不会浸蚀多晶硅且宜清洗。 三、多晶硅的表面微机械加工 在多晶硅的表面微机械加工中，以掺杂或未掺杂的多晶硅作为结构材料，氧化硅或PSG作为牺牲层材料，氮化硅作为基体绝缘材料，HF作为化学腐蚀剂组成一组合理的材料系。目前在硅表面已能加工复杂的表面微机械零件，如悬臂梁、齿轮组、曲柄等。 多晶硅表面微机械已是许多静电执行器的主要加工手段。 1、多晶硅的淀积 多晶硅薄膜的制备方法很多，有LPCVD、APCVD、PECVD和分子束淀

12、积等方法。对于表面微机械加工来说，最主要的加工方法是以硅烷(SiH4)为气源，在热壁炉反应器内淀积多晶硅的LPCVD技术。 在微机械器件加工过程中，淀积后的多晶硅薄膜还要进行掺杂、氧化、退火等高温工艺。 在微机械结构中，多晶硅薄膜的残余应力显著影响器件的性能。LPCVD淀积的多晶硅多数呈压应力（成膜过程中硅晶粒长大的交互作用所致），要消除该应力，就必须在再结晶开始温度退火。 2、原位掺杂 多晶硅掺杂与单晶硅相似，通过掺杂能改变多晶硅的电阻。淀积多晶硅的同时进行掺杂称为原位掺杂。 原位掺杂有如下优点：掺杂均匀；避免了扩散或离子注入的高温退火；易于精确控制掺杂浓度。 砷化三氢(AsH3 ) 、磷化

13、氢(PH3)和乙硅烷(Si2H6)是常用于多晶硅原位掺杂的气体。 3、牺牲层和绝缘层 在多晶硅表面微机械中，牺牲层材料主要有SiO2和PSG。 SiO2的生长和淀积方式是热氧化和LPCVD， PSG则可通过LPCVD和PECVD淀积而成。 LPCVD氮化硅(Si3N4)是良好的绝缘体，主要应用于多晶硅表面微机械的基体绝缘。 4、多晶硅表面微器件的设计 多晶硅表面微机械加工技术是一种平面工艺，设计者通过掩膜自由地（受图形分辨率、机械设计和材料种类限制）设计器件地横向尺寸，然而圆片垂直方向尺寸的设计对工艺有严格的限制。 一般多晶硅表面微机械加工工艺适用于厚度1m3 m，横向尺寸小于300 m的微机

14、械器件的加工。 5、表面微机械加工技术应用 表面微机械加工技术在传感器和执行器中广泛应用。 静电式微马达静电式微马达 静电式谐振器静电式谐振器 电磁型微电机电磁型微电机 第四章 高深宽比微加工技术 目前国际上用于制造MEMS的微机械加工技术主要有两种工艺：第一种是基于微电子技术发展起来的体/表面硅微加工技术，但该技术通常只能对硅材料进行微加工，使得微机械的材料受到限制。第二种工艺是采用LIGA技术。该技术的优点是能制造三维微结构器件，获得的微结构具有较大的深宽比和精细的结构，侧壁陡峭、表面平整，微结构的厚度可达几百乃至上千微米。 LIGA是Lithografie，Galvanoformung和

15、Abformung三个德文词的缩写，它综合了LIGA技术中的三个主要工艺：X光深层光刻工艺、微电铸工艺和微复制工艺。该技术80年代由德国卡尔斯鲁尔核研究中心开发而成。 该技术扩展了微机械加工的材料，用LIGA技术可加工有机高分子材料、各种金属和陶瓷，并且可以利用微复制工艺进行微器件的大批量生产。 因此LIGA技术是MEMS研究中一种重要的微细加工工艺，目前还没有其他微加工技术能够取代它。 一、 LIGA技术标准工艺 LIGA技术由四个工艺组成，分别是： LIGA掩模板制造工艺、X光深层光刻工艺、微电铸工艺和微复制工艺。 1、 LIGA掩模板制造工艺掩模板制造工艺 LIGA技术的第一步是制造LI

16、GA专用的X光掩模板。 LIGA掩模板必须有选择地透过和阻挡X光，一般的紫外光掩模板不适合做LIGA掩模板。 LIGA掩模板的X光透光薄膜材料主要有铍和金刚石薄膜。前者的X光透光性很好，透光薄膜可做得很厚，但该材料毒性大，且不易加工；后者X光透光性差一些制造成本也高，但无毒，且具有可见光透光性，对套刻非常有用。 用于X光掩模板阻挡层的材料必须是具有较高X光吸收系数的、原子序数较大的材料，还要考虑其可加工性和与透光薄膜膨胀系数的匹配。常用的材料有金等。 2、X光深层光刻工艺光深层光刻工艺 LIGA技术的第二步是X光深层光刻工艺。该工艺需平行的X光光源，由于需要曝光的光刻胶厚度达几百微米，用一般的

17、X光光源需要很长的曝光时间，故采用同步辐射X光光源。它不仅能提供平行的X光，且强度是普通X光的几十万倍，可大大缩短曝光时间。 同步辐射光是高速运动的电子在磁场的作用下发生偏转时所产生的光，其波长包括了红外线光、可见光、紫外光和X光。X光深层光刻所需的最佳波长为0.2nm0.8nm。 使用得最多得X光光刻胶是一种有机聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA俗称有机玻璃）。一般用模压的方法，抛光，并获取所需的厚度。 曝光后的PMMA分子发生降解，降解后的PMMA分子可溶于显影液中。目前较好的方法是利用兆声波进行深孔、深槽的显影。对显影后的样品进行微电铸，就可获得由各种金属组成的微结构器件。 3、微电铸工艺

18、、微电铸工艺 微电铸的原理是在电压的作用下，阳极的金属失去电子，变成金属离子进入电铸液，金属离子在阴极获得电子，沉积在阴极上。由于阴极的金属表面有一层光刻胶图形，金属只能沉积到光刻胶的间隙中，形成与光刻胶相对应的金属微结构。 4、微复制工艺、微复制工艺 由于同步辐射X光深层光刻代价较高，无法进行大批量生产，所以LIGA技术的产业化只有通过微复制技术来实现。 目前微复制方法主要有两种：注塑成型和模压成型。其中注塑成型适用于塑料产品的批量生产，而模压成型适用于金属产品的规模生产。 二、LIGA技术的几种变化 1、准、准LIGA技术技术 准LIGA技术是利用紫外光或激光光刻工艺来代替同步辐射X光深层

19、光刻工艺。适用于对垂直度和深度要求不高的微结构加工。 2、牺牲层、牺牲层LIGA技术技术 利用牺牲层LIGA技术可制造活动的微器件。 3、 LIGA套刻技术套刻技术 在LIGA技术中，可利用套刻技术获得含有台阶的微结构。该技术在第一次光刻、微电铸的基础上进行第二次套刻和微电铸，获得含有台阶的微结构。 4、倾斜曝光技术、倾斜曝光技术 在LIGA技术中，可以通过倾斜曝光以获得一些特殊的图形，用以制造复杂的微结构。三、 LIGA技术的应用 微加速度传感器微加速度传感器 微红外滤波器微红外滤波器 微光谱仪微光谱仪 微马达微马达 微接插件微接插件 四、DEM技术 DEM技术由上海交大开发。 DEM为该技

20、术三个主要工艺的英文缩写(Deepetching，Electroforming和Microreplication)。该技术不需昂贵的同步辐射光源和特制的LIGA掩模板。利用深刻蚀技术进行高深宽比塑料或硅刻蚀后，从硅片上直接进行微电铸，得到金属模具后，再进行微复制工艺，就可实现微机械器件的大批量生产。第五章 微传感器与微执行器 传感器(sensor)定义为一种定义某一特定被测量提供相应的有用的电信号输出的器件，通常由敏感元件(sensing element)和转换元件(transduction element)组成。 执行器(actuator)的作用与传感器相反，是一种将电信号转换成动作的器件。

21、 一、微传感器 传感器原理的基础是物理或化学效应，限已知的各种效应超过300多种，其中大部分都可以用来制作传感器。 微传感器特指是用微细加工技术制备的微型传感器。 已得到应用的有各种微机械传感器、声传感器、热传感器、电传感器、磁传感器、光传感器、电化学传感器、半导体气敏传感器等。 各类硅压力传感器各类硅压力传感器 二、微执行器 成熟的微执行器技术是制备单片微机电系统的先决条件。为了实现微机电系统的单片集成，对微执行器来说，主要是要开发各种能与硅电子学材料和工艺兼容的动作形式，同时在同一硅片上对这种动作形式提供能量并进行电气控制，这种要求近乎苛刻。 微执行器的动作可以利用多种物理效应，但最常用至

22、今仍然是电磁效应或热效应。 微执行器的机械设计大体可分为两类：机械结构型和变形微结构型。前者由刚体运动提供位移和力，后者由机械变形或应变提供位移和力。 机械结构型微执行器的运动能力大且自由度高，但磨擦损耗也大，摩擦力往往会扮演重要的角色；变形微结构型微机械由于只使用柔性联接和弹性簧片，一般可忽略摩擦。 电、磁执行方式均可用于两种结构的微执行器中，而热微执行方式原则上只能用于制备可变形结构微执行器。 从响应和能耗的角度来讲，热微执行器的响应时间较长（约10ms级），且能耗较高；相对来说，电和磁微执行器的响应时间较短（约微秒量级），并且能耗低，特别是静电微执行器更好一些。 下面是微执行器的一些实例。第六章 键合技术 如果将整个微机电系统按结构、材料及微加工工艺的不同，分别在不同的基片上执行微加工工艺，然后将两片或多片基片在超精密装配设备上对准，并通过键合手段，把它们连成一个完整的微系统，这是获得成本低、