微機電系統(tǒng)總復(fù)習(xí)

1、第一章 微機電系統(tǒng)（MEMS）概論 掌握MEMS的基本概念、尺度范圍；w1-1 試給出微機電系統(tǒng)的定義。微機電系統(tǒng)，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合精密機械技術(shù)發(fā)展起來的一個新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。一般來說，MEMS是指可以采用微電子批量加工工藝制造的，集微型機械元件和微電子于一體的微型器件、微型系統(tǒng)。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、通信系統(tǒng)以及電源于一體的集成微器件、微系統(tǒng)。典型MEMS器件的長度尺寸約在1um1mm。了解MEMS技術(shù)的發(fā)展過程掌握MEMS與微電子技術(shù)的對比特征；1.微型化Miniaturization 。微米量級空間里實現(xiàn)機電功能，典型ME

2、MS器件的長度尺寸約在1um1mm。2.集成化Microeletronics Integration ，從而提高功能密度。 3.規(guī)?；疢ass Fabrication with Precision。采用微加工，形成類似IC的高精度批量制造、低成本、低消耗特征MEMS的加工與一般傳統(tǒng)加工方法的對比特征。w1-4 微型機件的加工與一般傳統(tǒng)加工方法的區(qū)別在哪里？1.兩者設(shè)計與制作方法不同。2.控制方法和工作方式不同。3.與環(huán)境的關(guān)系不同。4.不能忽略尺度效應(yīng)。理解MEMS微尺度效應(yīng)的概念。w1-5 尺度效應(yīng)的概念。傳統(tǒng)機械材料是經(jīng)過熔煉、壓延、切削加工成形，微機械結(jié)構(gòu)的加工使其物理性能與整體材料不同

3、，其性能隨構(gòu)件結(jié)構(gòu)和制造工藝參數(shù)變化很大。尺寸微小化對材料的力學(xué)性能和系統(tǒng)的物理特性產(chǎn)生很大影響第二章 MEMS材料 掌握微機電系統(tǒng)主要材料硅的晶體結(jié)構(gòu)；二氧化硅、氮化硅、碳化硅基本物理性能、用途和制備方法晶體結(jié)構(gòu):硅屬于立方晶體結(jié)構(gòu)SiO2：1 作為選擇性摻雜的掩模：SiO2膜能阻擋雜質(zhì)(例如硼、磷、砷等)向半導(dǎo)體中擴散的能力。2 作為隔離層：器件與器件之間的隔離可以有PN結(jié)隔離和SiO2介質(zhì)隔離。SiO2介質(zhì)隔離比PN結(jié)隔離的效果好，它采用一個厚的場氧化層來完成。3 作為緩沖層：當(dāng)Si3N4直接沉積在Si襯底上時，界面存在極大的應(yīng)力與極高的界面態(tài)密度，因此多采用Si3N4/SiO2/Si結(jié)

4、構(gòu)可以除去Si3N4和襯底Si之間的應(yīng)力。4 作為絕緣層：在芯片集成度越來越高的情況下就需要多層金屬布線。它之間需要用絕緣性能良好的介電材料加以隔離， SiO2就能充當(dāng)這種隔離材料。5 作為保護器件和電路的鈍化層：在集成電路芯片制作完成后，為了防止機械性的損傷，或接觸含有水汽的環(huán)境太久而造成器件失效，通常在IC制造工藝結(jié)束后在表面沉積一層鈍化層，摻磷的SiO2薄膜常用作這一用途。6. 填充空腔的犧牲層。氮化硅：耐腐蝕，能為器件提供優(yōu)良的鈍化層。高機械強度，適合做很薄的器件，如膜片、梁（厚度約1um）等。掌握微機電系統(tǒng)最常用的功能材料、應(yīng)用特點，了解其制備方法（沉積、外延、摻雜、.）。求下列4種

5、標準晶片能容納尺寸為2mm*4mm芯片的最大數(shù)量。芯片在硅片上平行排列，間距0.25um。標準晶片尺寸和厚度:(1)100mm（4in）*500um，(2)150mm（6in）*750um，(3)200mm（8in）*1mm，(4)300mm（12in）*750um。第三章 MEMS的制造技術(shù) 1.理解IC工藝的基本概貌、流程；理解薄膜相關(guān)的三大類工藝：氧化、沉積、外延，區(qū)別不同工藝特點；理解摻雜原理及應(yīng)用；掌握光刻工藝原理與技術(shù)特點（正膠和負膠特點）。氧化：將硅片在氧化環(huán)境中加熱到9001000，在硅表面生長出一層二氧化硅的成膜技術(shù)。根據(jù)氧化劑分類：水蒸氣氧化氧化劑是水蒸氣干氧氧化氧化劑是氧

6、氣濕氧氧化氧化劑是水蒸氣和氧氣的混合物。（氧化膜質(zhì)量好、速度快）氧化速率受氧氣壓力和晶體取向影響?；瘜W(xué)氣相沉積使一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長技術(shù)?？芍苽浣饘倌?、介質(zhì)膜、多晶硅膜等。已發(fā)展多種實用的CVD技術(shù)。按淀積溫度可分為低溫（200-500），中溫（500-1000），高溫（1000-1200）三種；按反應(yīng)壓力分為常壓與低壓；按反應(yīng)壁溫度可分為熱壁與冷壁兩類，按反應(yīng)激活方式可分為熱激活、等離子體激活，光激活等。目前最常用的是常壓冷壁、低壓熱壁、等離子激活等三種淀積方法。物理氣相淀積是通過能量或動量使被淀積的原子（也可能是分子團）逸

7、出，經(jīng)過一段空間飛行后落到襯底上而淀積成薄膜的方法。外延：在單晶體基底上生長一層單晶體材料薄膜。典型厚度120um。特點：外延層能形成與沉底相同的晶向，因而可在外延層上進行各種橫向或縱向的摻雜分布和蝕刻加工，可利用外延形成的單晶及p-n結(jié)，實現(xiàn)自停止蝕刻。外延沉積技術(shù)：氣相外延（VPE）、分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）。摻雜：摻雜是人為的方法.將所需雜質(zhì)按要求的濃度與分布摻入到材料中,以達到改變材料的電學(xué)性質(zhì),形成半導(dǎo)體器件的目的。利用摻雜技術(shù)可以制備pn結(jié)，電阻器、歐姆接觸和互連線等。 摻雜技術(shù)在集成電路制造中主要采用擴散法與離子注入法。應(yīng)根據(jù)實際需要，選擇合適的摻雜方法。光刻工藝

8、是一種圖象復(fù)印同刻蝕(化學(xué)的、物理的、或兩者兼而有之)相結(jié)合的綜合性技術(shù)。它先用照相復(fù)印的方法，將光刻掩模的圖形精確地復(fù)印到涂在待刻蝕材料（二氧化硅、鋁、多晶硅等薄層）表面的光致抗蝕劑（亦稱光刻膠）上面，然后在抗蝕劑的保護下對待刻材料進行選擇性刻蝕，從而在待刻蝕材料上得到所需要的圖形。光刻膠有兩大類：一類叫負性光刻膠，其未感光部分能被適當(dāng)?shù)娜軇┤艹?，而感光的部分則留下，所得的圖形與光刻掩模圖形相反；另一類叫正性光刻膠，其感光部分能被適當(dāng)?shù)娜軇┤艹粝挛锤泄獾牟糠?，所得的圖形與光刻掩模圖形相同。采用負性光刻膠制作圖形是一種人們熟知而且容易控制的工藝。其涂層對環(huán)境因素不那么靈敏，且具有很高的感光

9、速度，極好的粘附性和搞蝕能力，成本低，適用于工業(yè)化大生產(chǎn)。負性光刻膠的主要缺點是分辨率較低，不適于細線條光刻。2. 掌握體微加工的基本原理，掌握各向同性腐蝕和各向異性腐蝕技術(shù)及其這2種腐蝕技術(shù)的常用濕法腐蝕劑；理解濕法加工與硅晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，特別是與硅片表面標識之間的關(guān)系（刻蝕角度、鉆蝕）；掌握腐蝕自停止的幾種原理。理解鍵合的用途，了解幾種鍵合技術(shù)的基本原理。3. 掌握表面微加工的基本原理，理解結(jié)構(gòu)層、犧牲層在此種加工的重要作用、常用材料及特性。去除襯底的部分材料，形成獨立的機械結(jié)構(gòu)（如懸臂梁、膜）或者獨特的三維結(jié)構(gòu)（如空腔、穿透襯底的孔、臺面等）。硅、玻璃、砷化鎵等材料都可采用體微加工技

10、術(shù)。犧牲層材料為結(jié)構(gòu)層提供支撐即起空間定位作用，具備機械上的堅固性和化學(xué)上的可靠性。后期被有選擇去除，以釋放出上面的結(jié)構(gòu)層?？色@得有空腔或可活動的微結(jié)構(gòu)。表面微加工器件的典型組成：犧牲層（空隙層）、微結(jié)構(gòu)層、絕緣層。1. 表面微加工材料對材料的性能要求：1）結(jié)構(gòu)層必須滿足應(yīng)用所需的電學(xué)性能和機械性能、表面特性等。2）犧牲層材料必須有足夠的力學(xué)性能，以保證不引起制作過程的結(jié)構(gòu)破壞。同時既滿足工藝條件又對后續(xù)工序無不利影響。3）化學(xué)腐蝕劑需有好的刻蝕選擇性、合適的流動性和表面張力，保證犧牲層全部被刻蝕掉。4）微構(gòu)建通常要求有較厚的結(jié)構(gòu)層和犧牲層（大于5um，）因而要注意材料選擇和工藝兼容（淀積、刻

11、蝕、均勻性）應(yīng)用于表面微構(gòu)件的薄膜存在著較大的殘余應(yīng)力，該殘余應(yīng)力場對薄膜淀積條件和后工藝過程十分敏感。這些殘余應(yīng)力影響著構(gòu)件負載特性、輸出、頻率其他重要運行參數(shù)，所以在形成一個表面微加工工藝以前充分理解和掌握這些機械特性。薄膜機械性能如楊氏模量、泊松比和屈服強度等對微構(gòu)件特性也起著同樣重要的作用，這些性能對材料性質(zhì)也十分敏感，必須給予充分的注意。氧化硅作為犧牲層材料，氮化硅作為基體絕緣材料，氫氟酸作為化學(xué)腐蝕劑。4. 掌握LIGA技術(shù)的基本原理、特點及其適用性，理解其工藝流程與設(shè)備特點。光刻電鑄模造（LIGA）工藝 LIGA技術(shù)是一種基于X射線光刻技術(shù)的三維微結(jié)構(gòu)制造工藝。LIGA是德語光刻

12、、電鍍和壓模的簡稱。1986年由德國原子核研究中心W.Ehrfild等開發(fā)出來。主要包括：X光深度同步輻射光刻、電鑄制膜和注模復(fù)制（注塑）三個工藝步驟?？芍圃旄哌_500深寬比、形狀精度亞微米級的三維厚微結(jié)構(gòu)；可加工硅、各種金屬、陶瓷、塑料及聚合物等材料?？蛇M行高重復(fù)精度的大批量生產(chǎn)。5.了解特種工藝的的原理特點思考題：w2-1要在硅晶片上沉積具有良好絕緣特性的高質(zhì)量二氧化硅，應(yīng)選擇哪種薄膜沉積技術(shù)？詳細描述該技術(shù)。金屬有機物化學(xué)氣相沉積，是一種可對薄膜厚度高精度控制的一種沉積技術(shù)，其優(yōu)點是膜的厚度均勻，純度好，密度高，可控制組份比例，有良好的附著性和臺階覆蓋性w2-2 簡述濺射沉積技術(shù)，說明其

13、優(yōu)缺點。濺射沉積技術(shù)是利用在電場中加速后的、帶電荷的離子具有一定動能的特點，將離子引向建設(shè)材料，在離子能量合適時，入射離子與靶表面原子碰撞，使靶原子濺射出來，沿一定方向射向沉底，形成薄膜。1.它可以沉積用真空蒸鍍法較難得到的化合物，并使沉積的化合物薄膜質(zhì)量得到改善。2.在較低溫度下得到高熔點材料沉積為薄膜，膜片均勻，純凈，附著力強。3.濺射需要高壓射頻電場，要求比真空蒸鍍法高。w2-2 簡述化學(xué)氣相沉積技術(shù)，說明其優(yōu)缺點。利用含有薄膜材料的氣態(tài)物質(zhì)在熱固體表面進行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)薄膜的方法。主要包括：常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD）、低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學(xué)氣相沉積（PE

14、CVD）。w2-3 各向同性腐蝕和各向異性腐蝕有何區(qū)別？寫出幾例這2種腐蝕技術(shù)的濕法腐蝕劑。 各向異性腐蝕刻蝕速率與襯底的晶向有關(guān)。 各向同性腐蝕各方向刻蝕速率相同。1）濕法各向異性 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。 濕法各向異性常用腐蝕液 堿性腐蝕液：氫氧化鉀（KOH）、NaOH、CsOH、RbOH等 氫氧化銨（NH4OH）。 四甲基氫氧化銨（TMAH）(CH3)4NOH EDP(乙二胺-鄰苯二酚)（有時也稱EPW）2）濕法各向同性腐蝕 濕法各向同性常用腐蝕液:最常用由氫氟酸（HF）、硝酸

15、（HNO3）和乙酸（CH3COOH）組成的混合物，稱為HNA。調(diào)整這三種酸的混合比得到不同的硅腐蝕速率及對掩模材料的腐蝕選擇性。 原理：各向同性常用腐蝕液中硝酸（HNO3）作為氧化劑與硅氧化反應(yīng)生成二氧化硅，氫氟酸（HF）將其溶解。 由于腐蝕液中含有HF，因而二氧化硅在腐蝕液中的腐蝕速率較快，約300Å/min。 w2-5比較體硅加工和表面硅加工的不同。w3-4 試述LIGA工藝及其優(yōu)點和缺點。課后作業(yè)：3-1如左圖所示穿透硅襯底的寬度10um的腐蝕開口。硅襯底<100>晶向，厚300um。采用硅各向異性腐蝕技術(shù)，忽略<111>面腐蝕速率。請確定襯底開口背面掩

16、膜窗口寬度尺寸w。3-2右圖示掩膜，利用硅各向異性腐蝕技術(shù)在100襯底上腐蝕孔腔，求經(jīng)過一小時后，襯底正面腐蝕窗口的尺寸，考慮橫向鉆蝕。設(shè)<111>晶向腐蝕速率0.05um/min，<100>晶向腐蝕速率1um/min。3-3 常規(guī)表面為機械加工工藝為2層結(jié)構(gòu)層材料和2層犧牲層材料，如圖。已知襯底材料是硅，結(jié)構(gòu)層1是金，結(jié)構(gòu)層2是聚對二甲苯。從下列材料中確定一組可行的備選材料作為犧牲層1和2：LPCVD氮化硅、LPCVD氧化硅、光刻膠。說明所列每種材料選或不選原因及其參考資料來源（提示：有可能所有材料都無法滿足條件）。結(jié)構(gòu)層2 1um 聚對二甲苯犧牲層2 1um結(jié)構(gòu)層1

17、 1um 金犧牲層1 1um 襯底 硅第四章 傳感器和執(zhí)行器工作原理理解傳感器和執(zhí)行器的幾種基本傳感驅(qū)動原理（電、磁、光、熱等）。電容器通常定義為可以儲存相反電荷的兩個導(dǎo)體，既可作傳感器也可作執(zhí)行器。當(dāng)電容器的間距和相對位置因外加激勵而改變時，其電容值也隨之改變，這就是靜電敏感；當(dāng)電壓或電場施加于兩個導(dǎo)體時，導(dǎo)體之間產(chǎn)生靜電力，定義為靜電執(zhí)行。熱敏感與執(zhí)行原理溫度敏感可用于分析熱行為，還可利用熱傳遞過程完成物體之間的距離、媒介的的運動速度、材料的特性等物理參數(shù)的測量。掌握形狀記憶合金、電致伸縮、磁致伸縮等幾種典型智能材料的概念、現(xiàn)象與基本工作原理。形狀記憶合金（SMA）利用應(yīng)力和溫度誘發(fā)相變的

18、機理，將以在高溫下定型的合金，放置在低溫或常溫下產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)環(huán)境溫度升高到臨界溫度（相變溫度）時，合金變形消失，恢復(fù)到定型時的原始狀態(tài)。在恢復(fù)過程中，合金能產(chǎn)生與溫度呈函數(shù)關(guān)系的位移或力，或二者兼?zhèn)洹Ｌ攸c：結(jié)構(gòu)簡單；直流、交流、或脈沖電流均可用于驅(qū)動；適于集成。加熱速度可快，冷卻速度依賴傳導(dǎo)及輻射，不易控制。第五章 微傳感器 掌握傳感器定義、組成（兩個部分）、按照探測物理量的分類、特征性能。傳感器 sensor的定義: 傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器的組成 通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量

19、的部分; 轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。按被測物理量的性質(zhì)分類 如被測物理量為溫度、壓力、流量、位移、速度等，則相應(yīng)的傳感器分別稱為溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器、速度傳感器等。 優(yōu)點: 比較明確地表達了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。 掌握壓力傳感器的電容、壓阻、諧振傳感原理；加速度傳感器的電容、壓阻、諧振傳感原理，傳感器結(jié)構(gòu)及其工藝；傳感器兩個部分：感受被測量（敏感元件）/轉(zhuǎn)換成可用輸出信號（轉(zhuǎn)換元件）調(diào)節(jié)器（電）信號AD轉(zhuǎn)換/放大/調(diào)制/濾波/解調(diào)輸出轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成顯示、記錄或執(zhí)行的能量形式 壓力傳感器主要結(jié)構(gòu)特征膜片、雙固梁；按工作原理分類：1. 壓阻式壓力傳感器2. 電容（靜電）式壓力傳感器3.諧振式 了解電、磁、光傳感器、流動參數(shù)傳感器、半導(dǎo)體氣敏傳感器的基本傳感原理。思考題：w4-2 試述傳感器的定義和分類。傳感器 sensor的定義:傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信