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 微機電系統(tǒng)/微電子機械系統(tǒng) Micro-Electro-Mechanical Systems 微機械：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。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 功耗和價格大幅度降低 信息系統(tǒng)的目標：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)成為整個系統(tǒng)進一步縮小的關(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：微電子機械系統(tǒng)（微電子機械系統(tǒng)（MEMS）（MicroElectroMechanicalSystem）歐洲：微系統(tǒng)技術(shù)（微系統(tǒng)技術(shù)（MST） （MicroSystemTechnology）日本：微機械（微機械（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)展而來的，已有幾次突破性的進展 70年代微機械壓力傳感器產(chǎn)品問世 80年代末研制出硅靜電微馬達 90年代噴墨打印頭，硬盤讀寫頭、硅加速度計和數(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)的微型化問題 實現(xiàn)許多以前無法實現(xiàn)的功能 今天的MEMS與40年前的集成電路類似，MEMS對未來的社會發(fā)展將會產(chǎn)生什么影響目前還難以預(yù)料，但它是21世紀初一個新的產(chǎn)業(yè)增長點

6、，則是無可質(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，很多原來的理論基礎(chǔ)都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機理等等， 微動力學(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、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。人們不僅要開發(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、磁場計熱學(xué)類：溫度計化學(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、微齒輪、微泵、微閥門、微開關(guān)、微噴射器、微揚聲器、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。 微機械光學(xué)器件：微機械光學(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。主要包括場發(fā)射顯示器、場發(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。大機器加工小機器，小機器加工微機器微機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加工國防、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 相關(guān)市場達1000億美元2年后市場將迅速成長MEMS微系統(tǒng)MEMS系統(tǒng)MEMS制造工藝 大機械制造小機械，小機械制造微機械 日本為代表 LIGA工藝 Lith

9、ograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄) Abformung(塑鑄) 德國為代表 硅微機械加工工藝：體硅工藝和表面犧牲層工藝 美國為代表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)單獨制造，靈活性較大 靈敏度高、寄生小、體積小 簡化封裝和組裝，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)加工工藝交替進行先加工電路，后加工結(jié)構(gòu)先加工機械結(jié)構(gòu)，再加工電路MEMS器件 慣性MEMS器件 加速度計 陀螺 壓力傳感器 光學(xué)MEMS器件 微光開關(guān) 微光學(xué)平臺 微執(zhí)行器 微噴

10、微馬達 生物MEMS器件 其它 加速度計 壓阻式加速度計電容式加速度計壓電式加速度計慣性器件三三種種加加速速度度計計的的特特 性性比比較較技技術(shù)術(shù)指指標標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負載載影影 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)有有無無有有交交流流響響應(yīng)應(yīng)寬寬寬寬稍稍寬寬有有無無阻阻尼尼有有無無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無有有無無旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)或或無無 需需校校準準功功能能有有無無有有電電路路復(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 于于機機械械設(shè)設(shè)計計， 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） 利用光進行傳感的器件 位置傳感器、光譜儀、DNA芯片 利用微機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 場發(fā)射（FEDs） 未來的顯

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、光柵及各種致動機構(gòu)微光學(xué)系統(tǒng) 微光學(xué)工作臺（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)用光開關(guān)光開關(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 原理微推進器微推進器微推進器微推進器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10萬種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時間內(nèi)檢測或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無疑對遺傳學(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實驗室原型微型反應(yīng)器59Smallest Guitar60打印機噴嘴611

14、GHz NEMS Resonator62MEMS工藝簡介63工藝的概念 工藝：勞動者利用生產(chǎn)工具對各種原材料，半成品進行加工和處理,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)品的方法及過程。 工藝技術(shù)：是人類在勞動中逐漸積累起來并經(jīng)過總結(jié)的操作技術(shù)經(jīng)驗， 它是應(yīng)用科學(xué)，生產(chǎn)實踐及勞動技能的總和。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，釋放機械結(jié)構(gòu)釋放機械結(jié)構(gòu) 采用特殊的檢測和劃采用特殊的檢測和劃片工藝保護釋放出來的機片工藝保護釋放出來的機械結(jié)構(gòu)械結(jié)構(gòu)封裝時暴露部分零件封裝時暴露部分零件

15、機、電系統(tǒng)機、電系統(tǒng)全面測試全面測試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IC通過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 微機電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了硅微加工、LIGA技術(shù)和精密機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)雜機械結(jié)構(gòu) 更重視材料的機械特性，特別是應(yīng)力特性特點的不同導(dǎo)致對工藝的要求不同 MEMS的基本概念及其特點 MEMS的發(fā)展概況 MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域 MEMS工藝的基本概念 MEMS工藝的國內(nèi)外情況及發(fā)展趨勢 MEMS工藝的國內(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 淀積機結(jié)構(gòu)械薄膜 圖形化釋放結(jié)構(gòu)表面微機械加工流程表面微機械加工流程LIGAMEMS工藝的發(fā)展趨勢微機電系統(tǒng)的發(fā)展對微機械加工技術(shù)的要求： 有較強的加工能力，可以制作靈活多樣的高深寬比的微結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)三維或準三維的設(shè)計加工； 工藝簡潔、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，最好能實現(xiàn)片上封裝 以硅為主，但能便于同時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 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發(fā)的現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)、并且相著不斷把信號檢測和控制電路與

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：硅表面點作為隨機分布的局部區(qū)域的陽技術(shù)原理：硅表面點作為隨機分布的局

20、部區(qū)域的陽極與陰極。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，一般超過一般超過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)、腐蝕時擾動方式以及硅腐蝕液界面的吸附過程等因腐蝕時擾動方式以及硅腐蝕液界面的吸附過程等因素對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)合物不斷離開硅的表面2263 237 62()6() () 6iiS OHCH CHOHS OCHHO 如果在單晶硅各個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理為在有些溶液中單晶硅的腐蝕速各向異性腐蝕機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?？?，而在

22、其他方向上腐蝕速率又非常慢。、速率非?？?，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常用腐蝕液腐蝕單晶硅晶體其在三個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）的最大腐蝕速率可達400400 1 1 硅體的各向異性刻蝕各向異性各向異性的物理機理的物理機理 腐蝕 KOH濃度2040608010020%1.577.0926.786.324630%1.325.9822.379.020