段輝高-14-MEMS技術(shù)

1、MEMS技術(shù)段輝高半導(dǎo)體制造工藝的應(yīng)用 微電子微電子（CPU/Memory） 光電子光電子（Micro/Nano-Opitcs, Optoelectronics, LED, Detector, Laser, Microlens） MEMS2MEMS 微機(jī)電系統(tǒng)/微電子機(jī)械系統(tǒng) Micro-Electro-Mechanical Systems 微機(jī)械：Micro-machine 微系統(tǒng)：Micro-SystemMEMS利用集成電路（IC）制造技術(shù)和微加工技術(shù)把微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器等制造在一塊或多塊芯片上的微型集成系統(tǒng)。具有微型化、集成化、智能化、成本低、性能高、可以大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。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 信息系統(tǒng)微型化 系統(tǒng)體積大大減小 性能、可靠性大幅度上升 功耗和價(jià)格大幅度降低 信息系統(tǒng)的目標(biāo)：微型化和集成化 微電子解決電子系統(tǒng)的微型化 非電子系統(tǒng)成為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)一步縮小的關(guān)鍵6為什么要

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傳感器傳感器美國(guó)：微電子機(jī)械系統(tǒng)（微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）（MicroElectroMechanicalSystem）歐洲：微系統(tǒng)技術(shù)（微系統(tǒng)技術(shù)（MST） （MicroSystemTechnology）日本：微機(jī)械（微機(jī)械（Micromachine）MEMS技術(shù) 從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信系

5、統(tǒng)以及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)的歷史 微系統(tǒng)是從微傳感器發(fā)展而來(lái)的，已有幾次突破性的進(jìn)展 70年代微機(jī)械壓力傳感器產(chǎn)品問(wèn)世 80年代末研制出硅靜電微馬達(dá) 90年代噴墨打印頭，硬盤(pán)讀寫(xiě)頭、硅加速度計(jì)和數(shù)字微鏡器件等相繼規(guī)?；a(chǎn) 充分展示了微系統(tǒng)技術(shù)及其微系統(tǒng)的巨大應(yīng)用前景MEMS技術(shù) MEMS用批量化的微電子技術(shù)制造出尺寸與集成電路大小相當(dāng)?shù)姆请娮酉到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)和非電子系統(tǒng)的一體化集成。 從根本上解決信息系統(tǒng)的微型化問(wèn)題 實(shí)現(xiàn)許多以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能 今天的MEMS與40年前的集成電路類似，MEMS對(duì)未來(lái)的社會(huì)發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生什么影響目前還難以預(yù)料，但它是21世紀(jì)初一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)

6、，則是無(wú)可質(zhì)疑的。研究領(lǐng)域 理論基礎(chǔ)：隨著MEMS尺寸的縮小，有些宏觀的物理特性發(fā)生了改變，很多原來(lái)的理論基礎(chǔ)都會(huì)發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理等等， 微動(dòng)力學(xué) 微流體力學(xué) 微熱力學(xué) 微摩擦學(xué) 微光學(xué) 微結(jié)構(gòu)學(xué)研究領(lǐng)域 技術(shù)基礎(chǔ)：設(shè)計(jì)、工藝加工(高深寬比多層微結(jié)構(gòu))、微裝配工藝、微系統(tǒng)的測(cè)量等。 應(yīng)用研究：如何應(yīng)用這些MEMS系統(tǒng)也是一門非常重要的學(xué)問(wèn)。人們不僅要開(kāi)發(fā)各種制造MEMS的技術(shù)，更重要的是如何將MEMS器件用于實(shí)際系統(tǒng)，并從中受益。MEMS的多學(xué)科交叉性17MEMS的分類 微傳感器：微傳感器：機(jī)械類：力學(xué)、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量傳感

7、器磁學(xué)類：磁通計(jì)、磁場(chǎng)計(jì)熱學(xué)類：溫度計(jì)化學(xué)類：氣體成分、濕度、PH值和離子濃度傳感器生物學(xué)類：DNA芯片MEMS的分類 微執(zhí)行器：微執(zhí)行器：微馬達(dá)、微齒輪、微泵、微閥門、微開(kāi)關(guān)、微噴射器、微揚(yáng)聲器、微諧振器等。 微型構(gòu)件：微型構(gòu)件：微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等。 微機(jī)械光學(xué)器件：微機(jī)械光學(xué)器件：微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開(kāi)關(guān)、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等。 BioMEMS：微流體器件。MEMS的分類 真空微電子器件：它是微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)和真空電子學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，具有極快的開(kāi)關(guān)速度、非常好的抗輻照能力和極佳的

8、溫度特性。主要包括場(chǎng)發(fā)射顯示器、場(chǎng)發(fā)射照明器件、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等。 電力電子器件：包括利用MEMS技術(shù)制作的垂直導(dǎo)電型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直導(dǎo)電型MOS(VVMOS)器件等各類高壓大電流器件。大機(jī)器加工小機(jī)器，小機(jī)器加工微機(jī)器微機(jī)械用微電子加工技術(shù)X光鑄模+壓塑技術(shù)(LIGA)從頂層向下從底層向上分子和原子級(jí)加工國(guó)防、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、汽車都有廣泛應(yīng)用。2000年有120-140億美元市場(chǎng) 相關(guān)市場(chǎng)達(dá)1000億美元2年后市場(chǎng)將迅速成長(zhǎng)MEMS微系統(tǒng)MEMS系統(tǒng)MEMS制造工藝 大機(jī)械制造小機(jī)械，小機(jī)械制造微機(jī)械 日本為代表 LIGA工藝 Lith

9、ograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄) Abformung(塑鑄) 德國(guó)為代表 硅微機(jī)械加工工藝：體硅工藝和表面犧牲層工藝 美國(guó)為代表LIGA工藝硅MEMS工藝 化學(xué)腐蝕 高深寬比深槽刻蝕 鍵合 雙面光刻體硅工藝表面犧牲層工藝 表面犧牲層與CMOS工藝集成 結(jié)構(gòu)單獨(dú)制造，靈活性較大 靈敏度高、寄生小、體積小 簡(jiǎn)化封裝和組裝，可靠性高 加工工藝復(fù)雜，成品率較低 工藝兼容的材料種類較少電路工藝與結(jié)構(gòu)加工工藝交替進(jìn)行先加工電路，后加工結(jié)構(gòu)先加工機(jī)械結(jié)構(gòu)，再加工電路MEMS器件 慣性MEMS器件 加速度計(jì) 陀螺 壓力傳感器 光學(xué)MEMS器件 微光開(kāi)關(guān) 微光學(xué)平臺(tái) 微執(zhí)行器 微噴

10、微馬達(dá) 生物MEMS器件 其它 加速度計(jì) 壓阻式加速度計(jì)電容式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì)慣性器件三三種種加加速速度度計(jì)計(jì)的的特特 性性比比較較技技術(shù)術(shù)指指標(biāo)標(biāo)電電容容式式壓壓電電式式壓壓阻阻式式阻阻抗抗高高高高低低電電負(fù)負(fù)載載影影 響響非非常常大大大大小小尺尺寸寸大大小小中中等等溫溫度度范范圍圍非非常常寬寬寬寬中中等等線線形形度度誤誤 差差高高中中等等低低直直流流響響應(yīng)應(yīng)有有無(wú)無(wú)有有交交流流響響應(yīng)應(yīng)寬寬寬寬稍稍寬寬有有無(wú)無(wú)阻阻尼尼有有無(wú)無(wú)有有靈靈敏敏度度高高中中等等中中等等沖沖擊擊造造成成 的的零零位位漂漂移移無(wú)無(wú)有有無(wú)無(wú)旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)或或無(wú)無(wú) 需需校校準(zhǔn)準(zhǔn)功功能能有有無(wú)無(wú)有有電電路路復(fù)復(fù)雜雜 程程度度

11、高高中中等等低低成成本本高高高高低低交交叉叉軸軸敏敏 感感度度主主要要取取決決 于于機(jī)機(jī)械械設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)， 而而非非轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)導(dǎo)作作用用慣性器件電容式微加速度計(jì)光學(xué)MEMS器件 定義 Optical Transducers，MOEMS, Optical MEMS 分類 傳統(tǒng)的光傳感器、轉(zhuǎn)換器 光傳感、成像、發(fā)光器件（光電子） 利用光進(jìn)行傳感的器件 位置傳感器、光譜儀、DNA芯片 利用微機(jī)械加工方法形成的器件 傳統(tǒng)器件的新生命 新型器件傳統(tǒng)的光傳感器 光傳感方式 成像系統(tǒng)(Imager) CCD CMOS 發(fā)光系統(tǒng) LED 半導(dǎo)體激光器 等離子 生物發(fā)光 光調(diào)節(jié)器 發(fā)光器件 場(chǎng)發(fā)射（FEDs） 未來(lái)的顯

12、示設(shè)備(FPD)新器件組件 微鏡MirrorSupportStructureSubstrate HingesTorsion Hinges1st DOF2nd DOFForce-redirecting Linkage 各種光學(xué)元器件 透鏡、波帶片、濾波器、光柵及各種致動(dòng)機(jī)構(gòu)微光學(xué)系統(tǒng) 微光學(xué)工作臺(tái)（Micro Optical Bench）微型顯示陣列（光調(diào)制器） 數(shù)字鏡面顯示（DMD） 原理 改變反射方向DMD應(yīng)用DMD應(yīng)用光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)光纖固定結(jié)構(gòu) V形槽 各種卡緊結(jié)構(gòu)光柵及光柵光譜儀 原理 不同類型的光柵 弧形梳齒 原理 應(yīng)用靜電靜電 旋轉(zhuǎn)馬達(dá) 原理微推進(jìn)器微推進(jìn)器微推進(jìn)器微推進(jìn)器MEMS技術(shù)

13、和DNA芯片 采用微電子加工技術(shù)，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達(dá)10萬(wàn)種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無(wú)疑對(duì)遺傳學(xué)研究、疾病診斷、疾病治療和預(yù)防、轉(zhuǎn)基因工程等具有極其重要的作用 Stanford和Affymetrix公司的研究人員已經(jīng)利用微電子技術(shù)在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片。包括6000余種DNA基因片段MEMS技術(shù)和DNA芯片 A B C DMemory-IBM Millipede56IBM Millipede5758IBM Millipede實(shí)驗(yàn)室原型微型反應(yīng)器59Smallest Guitar60打印機(jī)噴嘴611

14、GHz NEMS Resonator62MEMS工藝簡(jiǎn)介63工藝的概念 工藝：勞動(dòng)者利用生產(chǎn)工具對(duì)各種原材料，半成品進(jìn)行加工和處理,改變它們的幾何形狀，外形尺寸，表面狀態(tài)，內(nèi)部組織，物理和化學(xué)性能以及相互關(guān)系，最后使之成為預(yù)期產(chǎn)品的方法及過(guò)程。 工藝技術(shù)：是人類在勞動(dòng)中逐漸積累起來(lái)并經(jīng)過(guò)總結(jié)的操作技術(shù)經(jīng)驗(yàn)， 它是應(yīng)用科學(xué)，生產(chǎn)實(shí)踐及勞動(dòng)技能的總和。MEMS的典型生產(chǎn)流程膜越厚，腐蝕膜越厚，腐蝕 次數(shù)越少。次數(shù)越少。去除下層材料，去除下層材料，釋放機(jī)械結(jié)構(gòu)釋放機(jī)械結(jié)構(gòu) 采用特殊的檢測(cè)和劃采用特殊的檢測(cè)和劃片工藝保護(hù)釋放出來(lái)的機(jī)片工藝保護(hù)釋放出來(lái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)械結(jié)構(gòu)封裝時(shí)暴露部分零件封裝時(shí)暴露部分零件

15、機(jī)、電系統(tǒng)機(jī)、電系統(tǒng)全面測(cè)試全面測(cè)試DEPOSITION OF MATERIALPATTERN TRANSFERREMOVAL OF MATERIAL 多次循環(huán)多次循環(huán) PROBE TESTINGSECTIONINGINDIVIDUAL DIEASSEMBLY INTO PACKAGEPACKAGE SEALFINAL TEST成膜成膜光刻光刻腐蝕腐蝕 集成電路： Integrated Circuit，縮寫(xiě)IC通過(guò)一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無(wú)源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能ME

16、MS與集成電路工藝的相同 微機(jī)電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，融合了硅微加工、LIGA技術(shù)和精密機(jī)械加工等多種微加工技術(shù)。這表明微電子技術(shù)是MEMS技術(shù)的重要基礎(chǔ)，微電子加工手段是MEMS的重要加工手段之一，微電子中的主要加工手段均在MEMS制備中發(fā)揮極大作用。包括：Si材料制備、光刻、氧化、刻蝕、擴(kuò)散、注入、金屬化、PECVD、LPCVD及組封裝等MEMS工藝 硅工藝 體硅工藝 表面工藝 兩者結(jié)合 非硅工藝 LIGA工藝 DEM工藝 其他工藝：超精密加工、非切削加工、特種加工技術(shù)MEMS與集成電路工藝的不同 集成電路與MEMS器件特點(diǎn)比較： 集成電路：薄膜工藝； 制作各種晶體管、電阻

17、電容等 重視電參數(shù)的準(zhǔn)確性和一致性 MEMS：工藝多樣化 制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、錐、針尖、彈簧及所構(gòu)成的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu) 更重視材料的機(jī)械特性，特別是應(yīng)力特性特點(diǎn)的不同導(dǎo)致對(duì)工藝的要求不同 MEMS的基本概念及其特點(diǎn) MEMS的發(fā)展概況 MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域 MEMS工藝的基本概念 MEMS工藝的國(guó)內(nèi)外情況及發(fā)展趨勢(shì) MEMS工藝的國(guó)內(nèi)外情況 硅工藝 體硅工藝 表面工藝 兩者結(jié)合 非硅工藝 LIGA工藝 DEM工藝 其他工藝：超精密加工、非切削加工、特種加工技術(shù) 裸片淀積氧化層體微加工流程體微加工流程圖形化氧化層腐蝕 (Si)除去氧化層MEMS 器件的加工MEMS 器件的加工 裸片 淀積薄

18、膜 利用光刻圖形化利用光刻圖形化 淀積犧牲層膜 圖形化犧牲層 淀積機(jī)結(jié)構(gòu)械薄膜 圖形化釋放結(jié)構(gòu)表面微機(jī)械加工流程表面微機(jī)械加工流程LIGAMEMS工藝的發(fā)展趨勢(shì)微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)微機(jī)械加工技術(shù)的要求： 有較強(qiáng)的加工能力，可以制作靈活多樣的高深寬比的微結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)三維或準(zhǔn)三維的設(shè)計(jì)加工； 工藝簡(jiǎn)潔、設(shè)備成熟、可以高效率和低成本的批量生產(chǎn)； 與集成電路工藝的兼容性好； 便于器件的封裝，最好能實(shí)現(xiàn)片上封裝 以硅為主，但能便于同時(shí)采用多種具有其他特性的結(jié)構(gòu)材料MEMS工藝的發(fā)展趨勢(shì) 繼續(xù)保持與硅集成電路的緊密聯(lián)系充分利用硅材料、廣泛利用為集成電路開(kāi)發(fā)的現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)、并且相著不斷把信號(hào)檢測(cè)和控制電路與

19、微結(jié)構(gòu)單片集成的方向發(fā)展； 體硅技術(shù)、表面加工技術(shù)與LIGA加工技術(shù)三種技術(shù)在其發(fā)展過(guò)程中更加緊密的融合在一起，相互之間的界限更加模糊。 MEMS的制造技術(shù)主要包括兩類技術(shù)：體微加工和表面微加工。這兩類加工技術(shù)的基本材料都用硅，而加工工藝的基礎(chǔ)都是集成電路制造技術(shù)。 1.表面微加工技術(shù)，來(lái)自金屬膜的概念。在硅腐蝕的基礎(chǔ)上，采用不同薄膜淀積腐蝕方法，在硅片表面形成不同形狀的層狀微結(jié)構(gòu)。 2. LIGA技術(shù) 3.鍵合工藝，按界面材料的性質(zhì)，可分為兩大類：（1）硅/硅基片的直接鍵合工藝；（2）硅/硅基片的間接鍵合 體微加工技術(shù)原理：硅表面點(diǎn)作為隨機(jī)分布的局部區(qū)域的陽(yáng)技術(shù)原理：硅表面點(diǎn)作為隨機(jī)分布的局

20、部區(qū)域的陽(yáng)極與陰極。由于這些局部區(qū)域化電解電池的作用，極與陰極。由于這些局部區(qū)域化電解電池的作用，硅表面發(fā)生了氧化反應(yīng)并引起相當(dāng)大的腐蝕電流，硅表面發(fā)生了氧化反應(yīng)并引起相當(dāng)大的腐蝕電流，一般超過(guò)一般超過(guò)100A/cm2。硅表面的缺陷、腐蝕液的溫度、腐蝕液所含的雜質(zhì)、硅表面的缺陷、腐蝕液的溫度、腐蝕液所含的雜質(zhì)、腐蝕時(shí)擾動(dòng)方式以及硅腐蝕液界面的吸附過(guò)程等因腐蝕時(shí)擾動(dòng)方式以及硅腐蝕液界面的吸附過(guò)程等因素對(duì)刻蝕速度以及刻蝕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量都有很大的影響。素對(duì)刻蝕速度以及刻蝕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量都有很大的影響。 KOH、H2O和（CH3）2CHOH（異丙醇，即IPA） 首先將硅氧化成含水的硅化合物 KOH+ H2O=

21、K+2OH-+H+ Si+2OH-+4 H2O Si(OH)2- 然后與異丙醇反應(yīng)，形成可溶解的硅 絡(luò)合物不斷離開(kāi)硅的表面2263 237 62()6() () 6iiS OHCH CHOHS OCHHO 如果在單晶硅各個(gè)方向上的腐蝕速率是均勻的稱為各向同性刻蝕，而腐蝕速率取決于晶體取向的則稱為各向異性腐蝕。在一定的條件下腐蝕具有一定的方向躍居第一，是硅單晶片腐蝕過(guò)程中的重要特征之一。 硅體的各向同性刻蝕各向異性腐蝕機(jī)理為在有些溶液中單晶硅的腐蝕速各向異性腐蝕機(jī)理為在有些溶液中單晶硅的腐蝕速率取決于晶體取向，即在某種晶體取向上硅的腐蝕率取決于晶體取向，即在某種晶體取向上硅的腐蝕速率非常快，而在

22、其他方向上腐蝕速率又非常慢。、速率非常快，而在其他方向上腐蝕速率又非常慢。、硅體的各向異性腐蝕液的種類很多。硅體的各向異性腐蝕液的種類很多。最常用的（最常用的（100100）/ /（111111）腐蝕速率比最大的是）腐蝕速率比最大的是KOHKOH腐蝕液。用腐蝕液。用KOHKOH腐蝕液腐蝕單晶硅晶體其在三個(gè)常用腐蝕液腐蝕單晶硅晶體其在三個(gè)常用晶面方向上的腐蝕速率情況是（晶面方向上的腐蝕速率情況是（100100） （110110） （111111）。（）。（100100）/ /（111111）的最大腐蝕速率可達(dá)）的最大腐蝕速率可達(dá)400400 1 1 硅體的各向異性刻蝕各向異性各向異性的物理機(jī)理的物理機(jī)理 腐蝕 KOH濃度2040608010020%1.577.0926.786.324630%1.325.9822.379.020