段辉高-14-MEMS技术

1、MEMS技术段辉高半导体制造工艺的应用 微电子微电子（CPU/Memory） 光电子光电子（Micro/Nano-Opitcs, Optoelectronics, LED, Detector, Laser, Microlens） MEMS2MEMS 微机电系统/微电子机械系统 Micro-Electro-Mechanical Systems 微机械：Micro-machine 微系统：Micro-SystemMEMS利用集成电路（IC）制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、微执行器等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统。具有微型化、集成化、智能化、成本低、性能高、可以大批量生产等优点。3ME

2、MS4 Micro - Small size, microfabricated structures Electro - Electrical signal /control ( In / Out ) Mechanical - Mechanical functionality ( In / Out ) Systems - Structures, Devices, Systems Control5MEMS背景 信息系统微型化 系统体积大大减小 性能、可靠性大幅度上升 功耗和价格大幅度降低 信息系统的目标：微型化和集成化 微电子解决电子系统的微型化 非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键6为什么要

3、MEMS？ Minimize energy and materials use in manufacturing Redundancy and arrays Integration with electronics Reduction of power budget Faster devices Increased selectivity and sensitivity Exploitation of new effects through the breakdown ofcontinuum theory in the micro-domain Cost/performance advanta

4、ges Improved reproducibility (batch fabrication) Improved accuracy and reliability Minimally invasive (e.g. pill camera)789传感器传感器美国：微电子机械系统（微电子机械系统（MEMS）（MicroElectroMechanicalSystem）欧洲：微系统技术（微系统技术（MST） （MicroSystemTechnology）日本：微机械（微机械（Micromachine）MEMS技术 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系

5、统以及电源于一体的微型机电系统MEMS技术的历史 微系统是从微传感器发展而来的，已有几次突破性的进展 70年代微机械压力传感器产品问世 80年代末研制出硅静电微马达 90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产 充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景MEMS技术 MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸与集成电路大小相当的非电子系统，实现电子系统和非电子系统的一体化集成。 从根本上解决信息系统的微型化问题 实现许多以前无法实现的功能 今天的MEMS与40年前的集成电路类似，MEMS对未来的社会发展将会产生什么影响目前还难以预料，但它是21世纪初一个新的产业增长点

6、，则是无可质疑的。研究领域 理论基础：随着MEMS尺寸的缩小，有些宏观的物理特性发生了改变，很多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等等， 微动力学 微流体力学 微热力学 微摩擦学 微光学 微结构学研究领域 技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。 应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一门非常重要的学问。人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS器件用于实际系统，并从中受益。MEMS的多学科交叉性17MEMS的分类 微传感器：微传感器：机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量传感

7、器磁学类：磁通计、磁场计热学类：温度计化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器生物学类：DNA芯片MEMS的分类 微执行器：微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等。 微型构件：微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。 微机械光学器件：微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等。 BioMEMS：微流体器件。MEMS的分类 真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的

8、温度特性。主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等。 电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件。大机器加工小机器，小机器加工微机器微机械用微电子加工技术X光铸模+压塑技术(LIGA)从顶层向下从底层向上分子和原子级加工国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用。2000年有120-140亿美元市场 相关市场达1000亿美元2年后市场将迅速成长MEMS微系统MEMS系统MEMS制造工艺 大机械制造小机械，小机械制造微机械 日本为代表 LIGA工艺 Lith

9、ograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸) 德国为代表 硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺 美国为代表LIGA工艺硅MEMS工艺 化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合 双面光刻体硅工艺表面牺牲层工艺 表面牺牲层与CMOS工艺集成 结构单独制造，灵活性较大 灵敏度高、寄生小、体积小 简化封装和组装，可靠性高 加工工艺复杂，成品率较低 工艺兼容的材料种类较少电路工艺与结构加工工艺交替进行先加工电路，后加工结构先加工机械结构，再加工电路MEMS器件 惯性MEMS器件 加速度计 陀螺 压力传感器 光学MEMS器件 微光开关 微光学平台 微执行器 微喷

10、微马达 生物MEMS器件 其它 加速度计 压阻式加速度计电容式加速度计压电式加速度计惯性器件三三 种种 加加 速速 度度 计计 的的 特特 性性 比比 较较技技 术术 指指 标标电电 容容 式式压压 电电 式式压压 阻阻 式式阻阻 抗抗高高高高低低电电 负负 载载 影影 响响非非 常常 大大大大小小尺尺 寸寸大大小小中中 等等温温 度度 范范 围围非非 常常 宽宽宽宽中中 等等线线 形形 度度 误误 差差高高中中 等等低低直直 流流 响响 应应有有无无有有交交 流流 响响 应应宽宽宽宽稍稍 宽宽有有 无无 阻阻 尼尼有有无无有有灵灵 敏敏 度度高高中中 等等中中 等等冲冲 击击 造造 成成 的

11、的 零零 位位 漂漂 移移无无有有无无旋旋 转转 或或 无无 需需 校校 准准 功功 能能有有无无有有电电 路路 复复 杂杂 程程 度度高高中中 等等低低成成 本本高高高高低低交交 叉叉 轴轴 敏敏 感感 度度主主 要要 取取 决决 于于 机机 械械 设设 计计 ， 而而 非非 转转 导导 作作 用用惯性器件电容式微加速度计光学MEMS器件 定义 Optical Transducers，MOEMS, Optical MEMS 分类 传统的光传感器、转换器 光传感、成像、发光器件（光电子） 利用光进行传感的器件 位置传感器、光谱仪、DNA芯片 利用微机械加工方法形成的器件 传统器件的新生命 新型

12、器件传统的光传感器 光传感方式 成像系统(Imager) CCD CMOS 发光系统 LED 半导体激光器 等离子 生物发光 光调节器 发光器件 场发射（FEDs） 未来的显示设备(FPD)新器件组件 微镜MirrorSupportStructureSubstrate HingesTorsion Hinges1st DOF2nd DOFForce-redirecting Linkage 各种光学元器件 透镜、波带片、滤波器、光栅及各种致动机构微光学系统 微光学工作台（Micro Optical Bench）微型显示阵列（光调制器） 数字镜面显示（DMD） 原理 改变反射方向DMD应用DMD应用

13、光开关光开关光纤固定结构 V形槽 各种卡紧结构光栅及光栅光谱仪 原理 不同类型的光栅 弧形梳齿 原理 应用静电静电 旋转马达 原理微推进器微推进器微推进器微推进器MEMS技术和DNA芯片 采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用 Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片。包括6000余种DNA基因片段MEMS技术和DNA芯片 A B C DMem

14、ory-IBM Millipede56IBM Millipede5758IBM Millipede实验室原型微型反应器59Smallest Guitar60打印机喷嘴611 GHz NEMS Resonator62MEMS工艺简介63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，腐蚀膜越厚，腐蚀 次数越少。次数越少。去除下层

15、材料，去除下层材料，释放机械结构释放机械结构 采用特殊的检测和划采用特殊的检测和划片工艺保护释放出来的机片工艺保护释放出来的机械结构械结构封装时暴露部分零件封装时暴露部分零件机、电系统机、电系统全面测试全面测试DEPOSITION OF MATERIALPATTERN TRANSFERREMOVAL OF MATERIAL 多次循环多次循环 PROBE TESTINGSECTIONINGINDIVIDUAL DIEASSEMBLY INTO PACKAGEPACKAGE SEALFINAL TEST成膜成膜光刻光刻腐蚀腐蚀 集成电路： Integrated Circuit，缩写IC通过一系列特

16、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 LI

17、GA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

18、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 裸片 淀积薄膜 利用光刻图形化利用光刻图形化 淀积牺牲层膜 图形化牺牲层 淀积机结构械薄膜 图形化释放结构表面微机械加工流程表面微机械加工流程LIGAMEMS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

19、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加工技术三种技术在其发展过程中更加紧密的融合在一起，相互之间的界限更加模糊。 MEMS的制造技术主要包括两类技术：体微加工和表面微加工。这两类加工技术的基本材料都用硅，而加工工艺的基础都是集成电路制造技术。 1.表面微加工技术，来自金属膜的概念。在硅腐蚀的基础上，采用不同薄膜淀积腐蚀方法，在硅片表面形成不同形状的层状微结构。 2. LIGA技术 3.键合工艺，按界

20、面材料的性质，可分为两大类：（1）硅/硅基片的直接键合工艺；（2）硅/硅基片的间接键合 体微加工技术原理：硅表面点作为随机分布的局部区域的阳技术原理：硅表面点作为随机分布的局部区域的阳极与阴极。由于这些局部区域化电解电池的作用，极与阴极。由于这些局部区域化电解电池的作用，硅表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流，硅表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流，一般超过一般超过100A/cm2。硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液所含的杂质、硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液所含的杂质、腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附过程等因腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附过程等因素对刻蚀速度以及刻蚀结构的

21、质量都有很大的影响。素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大的影响。 KOH、H2O和（CH3）2CHOH（异丙醇，即IPA） 首先将硅氧化成含水的硅化合物 KOH+ H2O=K+2OH-+H+ Si+2OH-+4 H2O Si(OH)2- 然后与异丙醇反应，形成可溶解的硅 络合物不断离开硅的表面2263 237 62()6() () 6iiS OHCH CHOHS OCHHO 如果在单晶硅各个方向上的腐蚀速率是均匀的称为各向同性刻蚀，而腐蚀速率取决于晶体取向的则称为各向异性腐蚀。在一定的条件下腐蚀具有一定的方向跃居第一，是硅单晶片腐蚀过程中的重要特征之一。 硅体的各向同性刻蚀各向异性腐蚀机理为

22、在有些溶液中单晶硅的腐蚀速各向异性腐蚀机理为在有些溶液中单晶硅的腐蚀速率取决于晶体取向，即在某种晶体取向上硅的腐蚀率取决于晶体取向，即在某种晶体取向上硅的腐蚀速率非常快，而在其他方向上腐蚀速率又非常慢。、速率非常快，而在其他方向上腐蚀速率又非常慢。、硅体的各向异性腐蚀液的种类很多。硅体的各向异性腐蚀液的种类很多。最常用的（最常用的（100100）/ /（111111）腐蚀速率比最大的是）腐蚀速率比最大的是KOHKOH腐蚀液。用腐蚀液。用KOHKOH腐蚀液腐蚀单晶硅晶体其在三个常用腐蚀液腐蚀单晶硅晶体其在三个常用晶面方向上的腐蚀速率情况是（晶面方向上的腐蚀速率情况是（100100） （110110） （111111）。（）。（100100）/ /（111111）的最大腐蚀速率可达）的最大腐蚀速率可达400400 1 1 硅体的各向异性刻蚀各向异性各向异性的物理机理的物理机理 腐蚀 KOH浓度2040608010020%1.577.0926.786.324630%1.325.982