《微机械电子系统》

1、微机械电子系统微机械电子系统（MEMS）（也写为微机电，微机电或微电子和微机电系统） 是山电力驱动的非常小的机械装置技术。它在纳米尺度融合了纳机电系统（NEMS） 和纳米技术。微机电系统也被称为微型机械（在日本），或微系统技术MST （在 欧洲）。朗读显示对应的拉丁字符的拼音朗读显示对应的拉丁字符的拼音MEMS是独立的，与分子纳米技术或分子电子学不同。MEHS由1至100微米 （即0.001至0.1毫米）之间大小的部件组成，通常MEMS设备的尺寸范围是20 微米（0.000002米）至1毫米。它们通常由处理数据的中央单元，微处理器和 其它若干个用来连接外设的部件，例如微传感器，组成。在这种大小

2、尺度，经典 物理学的标准结构并不总是有用的。111于MEMS的表面积与体积比，表面效应如 静电，如惯性或热质量的润湿主宰体积效应，都较大。非常小的设备的潜能在技术存在之前就已得到赞赏，这可以让人们看到，例 如，理查德费曼1959年著名的演讲，有底部的空间。一旦能使用通常用来制造 电子产品的改性半导体设备制造技术制造，MEMS将变为现实。这些制造技术包 括成型和电镀，湿法刻蚀（KOH, TMAH）和干蚀刻（RIE and DRIE）,电火花加工 （EDM ）以及其它小型设备的制造技术。MEMS设备的一个早期的例子是 resonistor, 一种机电单片谐振器。1. MEMS描述根据U标设备和市场

3、部门，MEMS技术可以采用不同材料和制造技术。2. MEMS制造材料2. 1硅在现代世界上，硅是创建消费电子产品的最集成电路的材料。规模经济，随 时可得的廉价优质的材料和电子功能整合能力，使硅在MEMS应用中有广泛的吸 引力。硅还通过其材料性能产生显著的优势。在单晶形式，硅是一种近乎完美的 胡克材料，这意味着当它弯曲时，儿乎没有迟滞，因此儿乎没有能量损耗。以及 高重复制造，这也使得硅非常可翥的。它很少疲劳，可以在十亿至万亿范围内不 中断服务的服务周期。生产所有基于硅的MEMS设备的基础的技术是材料层的沉 积，图案光刻到这些层上，然后刻蚀制造所需形状。2. 2聚合物尽管电子行业为硅行业提供了一个

4、经济规模，但是生产上，晶体硅仍是一个 复杂和相对昂贵的材料。另一方面，聚合物可以生产数量巨大，具有种类繁多的 材料特性。MEMS器件可通过，诸如注塑成型，压花或光固化由聚合物制成，特 别适合于微流体应用，如一次性血液测试盒。2. 3金属金属也可用于创建MEMS元素。而金属不具备硅在机械性能中展现的某些优 势，当在其限制内使用时，金属可以表现出非常高的可靠性程度。金属可以通过电镀，蒸镀，溅镀的过程沉积。常用的金属包括黃金，银，铝，铜，辂，钛，钩，钮，银。有强大MEMS的公司，规模上有大有小。规模大的公司为终端市场，如汽车, 生物医药，电子等，专业生产大量廉价的组件或打包解决方案。成功的小企业提

5、供创新解决方案的价值和吸收有高销售额与利润的定制制造的费用。此外，大型 和小型公司从事研究与开发工作来探索MEMS技术。3. MEMS基木过程3. 1沉降过程在MEMS加工的基本基石之一是具有存厚度放在儿纳米至大约100微米的薄 膜材料的能力。3. 1. 1物理沉积有两种类型的物理沉积过程。物理气相沉积（PVD）:1）溅射2）蒸发3.1. 2化学沉积有两种类型的化学沉积。化学气相沉积：1）LPCVD：低压化学气相沉积2）PECVD反应：等离子增强化学气相沉积3. 2掩膜制造MEMS中的掩膜制造是材料上图案的转移。3. 2. 1光刻在MEMS中光刻技术通常是通过选择性暴露在辐射源，例如光源将光敬

6、材料 的图案转移。光敏材料是这样一种材料，当其暴露在辐射源下，其物理性将会改 变。接触到的辐射来源。如果一个光敬材料是有选择性地暴露在辐射中（例如， 通过屏蔽部分的辐射），辐射物质上的图案转移到曝光材料上，作为暴露和非暴 露区域的不同的属性。这暴露区域可以被删除或处理为基础基板提供一个面具。光刻通常用金属或 其他薄膜沉积，干湿蚀刻。1）电子束光刻电子束光刻技术（通常称缩写为电子束光刻）是在表面覆盖有薄膜（称为抗 蚀剂）上以图案扫描一束电子，（“曝光”抗蚀剂）和选择性地移除在抗蚀剂上曝 光或非曝光的区域（显像）的过程。其目的，与光刻一样，是在抗蚀剂上建立在 非常小的结构，可以随后通过蚀刻被转移到

7、基板材料上。它在制造集成电路，也 在建立纳米技术架构中使用。电子束光刻技术的主要优势是，它是超过光的衍射极限，并在纳米制度建立 特征的方法之一。这种无掩膜光刻在用于光刻的掩模制造，半导体元件小批量制 造和研发中广泛应用。电子束光刻技术的主要限制是呑吐量，即它对整个硅晶片或玻璃基板的曝光 需要很长的时间。长时间的曝光，使光束漂移或不稳定在曝光过程中容易发生。 此外，如果笫二次图案不改变，掉头进行返工或重新设计时间将被不必要延长。2）离子束光刻据了解，聚焦离子束光刻能够写出非常好的细纹（已经可以爱到小于50纳 米的线和空间），而没有邻近效应。但是，因为离子束光刻写作领域相当小，所 以大面积的图案必

8、须拼接小领域来创建。3）X射线光刻X射线光刻是用于电子工业中有选择地去除薄膜部分的过程。它釆用X射线 传输掩膜上的儿何图案到基板上的感光化学光阻，或简单的称为“抗蚀剂”。通 过一系列的化学处理，刻到在光致抗蚀剂下面的光阻材料上。3. 3刻蚀过程有两个基本类型的蚀刻工艺：湿法刻蚀和干法刻蚀。前者，浸泡在化学溶液 中的材料不溶解。后者，是有些过时的MEMS刻蚀技术概述，利用反应离子或气 相腐蚀剂溅射或解散材料。3. 3. 1湿法刻蚀湿法化学刻蚀通过将基板浸入可以溶解要去除材料的溶液中，选择性去除材 料。此蚀刻过程中的化学性质提供了一个良好的选择性，这意味着，如果仔细挑 选，目标材料的刻蚀率将大大高

9、于掩膜材料。1）各向同性刻蚀在刻蚀的进展，在各个方向有相同的速度。掩膜上长窄的孔洞将在硅上产生 V形沟槽。如果刻蚀进行的正确，尺寸和角度非常准确，那么这些沟槽的表面是 原子级光滑的。2）各向异性刻蚀有些单晶材料，如硅，基于基材晶体取向将有不同的刻蚀率。这就是所谓的 各向异性刻蚀，最普遍的例子之一是在KOH （氢氧化钾）溶液中刻蚀硅，硅111> 面蚀刻比其他方向（结晶取向）约慢100倍。因此，在（100）硅晶体蚀刻在一 长方空，将得到一个54.7。金字塔形的墙，而不是一个以各向同性蚀刻侧壁弯 曲的洞。3）刻蚀液氢氟酸是一种常用的二氧化硅（囤，也被称为BOX的SOI）的一水溶液蚀刻剂，通常用

10、在49%集中形式，5:1, 10:1或20： 1的BOE （缓冲氧化层蚀刻）或BHF（缓冲高频）。他们首先用在玻璃刻蚀中世纪时代。它被用来在集成电路制作的 图案栅氧化层，直到该进程的步骤是利用活性离子取代。氢氟酸被认为是比较危险的洁净室氨基酸之一。它通过接触渗透皮肤，直接 扩散到骨头。因此，直到为时已晚，才感受到伤害。4）电化学刻蚀掺杂选择性去除硅的电化学刻蚀（ECE）是一种常见的自动并有选择刻蚀的 方法。活跃的p-n节二极管是必需的，任一种掺杂类型都可以作为抗刻蚀（“刻 蚀停止”）的材料。硼是最常见的刻蚀停止掺朵剂。结合上述湿法各向异性刻蚀, 电化学刻蚀已被成功地应用于在商业硅压阻式压力传感

11、器中控制硅膜片厚度。选 择性掺杂区域可以通过注入、扩散或硅外延沉积创建。3. 3. 2干法刻蚀1）蒸气蚀刻氤氟蚀刻二氟化氤（回）是一种对硅的干气相各向同性蚀刻，1993年在洛杉矶加州大 学开始应用于MEMS。主要被用于削弱金属硅和绝缘结构，不同于湿法刻蚀，XeF2 有粘滞自由的优势。它的选择蚀刻性强，允许光阻，二氧化硅，氮化硅，以及各 种金属做掩膜的掩蔽刻蚀。硅的反应是“plasmaless是纯粹化学和自发的， 而且往往在脉冲模式下工作。这种刻蚀是可实现的，大学的实验室和各种商业工 具使用这种方法提供解决方案。2）等离子体刻蚀反应离子刻蚀（RIE）在反应离子刻蚀（RIE）,基板放置在一个反应器

12、中，并引入儿种气体。通过 射频电源的能量在气体混合物中撞击等离子体，打破气体分子成为离子。这些离 子加速实现，并发生反应，材料的表面被腐蚀，形成其他气态物质。这就是所谓 的化学反应离子蚀刻的一部分。还有一个物理过程，类似溅射沉积过程。如果离 子有足够高的能量，可以敲出材料的原子使发生无化学反应的蚀刻。因为平衡化 学和物理刻蚀有许多参数要进行调整，所以发展干法刻蚀是一个很复杂的任务。 通过改变平衡有可能影响到刻蚀的各向异性，山于化学部分是各向同性和物理部 分高度各向异性的组合可以形成侧壁从圆形到垂直的形状。反应离子刻蚀RIE 可深（深反应离子刻蚀或深反应离子蚀刻（DRIE）o反应离子刻蚀的一种特

13、殊子类（DRIE）越来越受欢迎。在这个过程中，数以 tHI的微米蚀刻深度可以得到儿乎是垂直的侧壁。该主要的技术是基于所谓的“博世过程”，得名于德国罗伯特博世公司，在这里两个不同的气体组分在 反应器中反应，该公司提交了原始专利。口前，深反应离子刻蚀DRIE有两种变 化。第一个变化分为三个不同的步骤（用于等离子体千卡工具的博世过程），而 第二个变化只有两个步骤组成（用于STS工具的ASE）。在第一变化中，刻蚀周 期如下：（i）SF6气体各向同性刻蚀；（ii） C4F8钝化;（iii）为清理基板的SF6 气体各向异性刻蚀。在第二变化中，是步骤（i）及（iii）的相结合。这两种变化操作类似。囤在基板表

14、面上创建一种聚合物，第二种气体成分 （囤和囤） 刻蚀基板。蚀刻物理部分把该聚合物立刻溅射离开，但仅限于水平 表面，而不是侧壁。山于聚合物只在化学蚀刻的部分很缓慢的溶解，它建立了侧 壁，并保护他们不被刻蚀。因此，蚀刻50比1的宽高比就可以实现。这个过程 可以很容易地通过使用硅衬底刻蚀，而且蚀刻率比湿刻蚀高3-6倍。4. MEMS制造技术4. 1体微加工体微加工是最古老的硅基微机电系统。一个硅晶片的整个厚度用于建设微机 械结构。使用各种不同的硅刻蚀加工过程。阳极键合的玻璃钢板或额外的矽晶圆 是用来增加特性在笫三维度和为赫尔墨斯封装。体微加工已基本实现高性能的压 力传感器和改变了这个传感器产业的形态

15、在80和90年代。4. 2表面微机械表面微机械使用沉积在基体表面的沉积层作为结构材料，而不是使用的基板 本身。表面微机械创建于20世纪80年代后期，其口标是使硅平面集成电路与微 加工技术的兼容得到提高，结合在同一个硅晶片的MEMS和集成电路。最初的表 面微机械概念是基于多晶硅薄图案作为移动的机械结构和底层氧化层蚀刻牺牲 层来释放。义指梳状电极用于产生平面力，并检测平面运动电容。这种微机电系 统模式已用于制造低生产成本的加速度讣，例如汽车安全气囊系统及其他低性能 或者高范围应用领域。ADI公司已率先将表面微加工产业化，并实现了将MEMS 和集成电路的集成。4.3高深宽比（HAR）的硅微加工体硅微

16、加工和表面硅微加工都用于感应器，喷墨喷嘴和其他设备的工业生 产。但在许多情况下，这两者之间的区别已经减弱。一个新的蚀刻技术，深反应 离子蚀刻，使得，将有良好性能的体微加工和梳状结构，面内表面加工结合在一 起成为可能。常见的表面微加工已经能在结构层在2微米的疗度范围内，但HAR 硅微加工，厚度可从10到100微米。通常用于HAR硅微加工的材料是通常称作聚外延层的厚厚的多晶硅（SOI）和粘结绝缘体硅晶片，尽管体微硅片的制 作过程也被创建（SCREAM）。用玻璃熔块粘接，阳极键合或合金粘接来粘结第二 个晶片是用来保护MEMS结构的。集成电路通常不结合HAR硅微加工。该行业LI 前的共识似乎是，通过两

17、个职能的分离，灵活性和降低过程的复杂性得以实现， 并将获得远远超过在包装上小小的惩罚。一个不同的高深宽比（HAR）微结构技 术的比较，可以在HARMST文章中发现。一个被遗忘的关于表面微加工的历史，围绕多晶硅A或B的选择。细粒度 “ （300A的晶粒尺寸，US4897360）,退火后应变纯多晶硅是由Henry Guckel 教授（美国威斯康星州）主张，而较大的颗粒，掺杂应力控制多晶硅是山加州大 学伯克利分校集团所提倡。5. 应用在一个角度看，MEMS的应用是按使用类型分类：传感器执行器结构在另一个角度来看，MEMS的应用是按应用领域（包括商业应用）来分类：喷墨打印机，它使用压电和热气泡喷射使油

18、墨沉积在纸张上。在现代汽车中，加速度计有很多LI的，包括安全气囊在碰撞时的部署。加速度计，用于在消费电子设备如游戏控制器（任天堂Wii）,个人媒体 播放器/手机（苹果iPhone,诺基亚手机的各种型号，各种型号的PDA宏达）和 数码相机（佳能数字IXUS不同型号）。也可用于个人电脑的自由落体检测，停 止硬盘磁头，以防止损坏和数据丢失。MEMS陀螺仪用于现代汽车和其他应用程序来检测偏航，例如，部署比杆 輕或触发动态稳定控制。硅压力传感器，如汽车轮胎压力传感器，一次性血压传感器。显示，例如，在一台基于DLP技术投影机上的DMD芯片有一个儿十万微镜 的表面光学交换技术，用于交换技术和数据通信对齐。生物MEMS在医疗