微納機(jī)電系統(tǒng)的集成與發(fā)展

微納機(jī)電系統(tǒng)的集成與發(fā)展

1微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展在過(guò)去40年的30年里，電路的集成度和性能不斷提高，但cmos晶體的大小最終面臨物理限制。另一方面，研究人員積極尋找新的替代品和電路結(jié)構(gòu)。另一方面，他們的重點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和性能的提高。在傳統(tǒng)意義上，soc（系統(tǒng)芯片）的輸入和輸出是信號(hào)，而只能解決信息技術(shù)中的信號(hào)部分，而不能直接獲取外部世界信息和外部世界。這只是一個(gè)完整的小型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不是一個(gè)獨(dú)立的小型系統(tǒng)，而是一個(gè)完整的函數(shù)。1988年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Tai等成功地用微電子平面加工技術(shù)研制出了直徑僅有100微米左右硅微機(jī)械馬達(dá),使人們看到了將可動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路集成在一個(gè)芯片內(nèi),構(gòu)成完整的微型機(jī)電系統(tǒng)的可能.微機(jī)電系統(tǒng)——MEMS(microelectromechanicalsystems)的概念應(yīng)運(yùn)而生,并迅速成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn).1993年,美國(guó)ADI公司采用該技術(shù)地將微型可動(dòng)結(jié)構(gòu)與大規(guī)模電路集成在單芯片內(nèi),形成用于汽車防撞氣囊控制的微型加速度計(jì),MEMS技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)真正地體現(xiàn)了出來(lái).現(xiàn)在微機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了“機(jī)”和“電”的概念,將處理熱、光、磁、化學(xué)、生物等結(jié)構(gòu)和器件通過(guò)微電子工藝及其他一些微加工工藝制造在芯片上,并通過(guò)與電路的集成甚至相互間的集成來(lái)構(gòu)筑復(fù)雜微型系統(tǒng).所以,更準(zhǔn)確地說(shuō),今天的MEMS包括感知外界信息(力、熱、光、生、磁、化等)的傳感器和控制外界信息的執(zhí)行器,以及進(jìn)行信號(hào)處理和控制的電路.當(dāng)微機(jī)電系統(tǒng)的特征尺寸縮小到100納米以下時(shí),又被稱為納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS,nanoelectromechanicalsystem).由于尺寸更小及納米結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的新效應(yīng),NEMS器件可以提供很多MEMS器件所不能提供的特性和功能,例如超高頻率、低能耗、高靈敏度、對(duì)表面質(zhì)量和吸附性前所未有的控制能力等.以NEMS諧振器為例,與MEMS諧振器相比,NEMS諧振器利用了納米核心結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)使器件性能獲得了顯著提升,通過(guò)諧振結(jié)構(gòu)的等比例縮小,器件頻率顯著提高,甚至可以達(dá)到GHz,因此可以組成高頻電路里的振蕩器和濾波器.納米懸臂梁其質(zhì)量可以小至10-18g,以其為敏感單元的質(zhì)量傳感器已能檢測(cè)綁定在結(jié)構(gòu)上的DNA分子,甚至還能檢測(cè)到少量原子的影響.為了論述方便,在下文中,除了特殊說(shuō)明,我們將用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)來(lái)泛指微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS).經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,國(guó)際上MEMS已全面走向應(yīng)用,年銷售額達(dá)到100多億美元,大量的MEMS器件被用在智能手機(jī)、游戲機(jī)和汽車等方面,已成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?由于MEMS是在CMOSIC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的,所以人們習(xí)慣性地用IC的思維考慮MEMS的問(wèn)題.很多年來(lái)人們一直在尋求象IC中的CPU和存儲(chǔ)器一樣的KillerApplication,產(chǎn)生一個(gè)新的飛躍,甚至帶來(lái)比IC更大的市場(chǎng).然而,這一目標(biāo)至今尚未實(shí)現(xiàn),而且也沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的未來(lái)的可能器件或系統(tǒng)躍入人們的視野.壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺、微麥克風(fēng)、FBAR等MEMS器件雖然銷售量都早已過(guò)億1),但由于其自身價(jià)格都不高,都無(wú)法擔(dān)任起這一使命,MEMS的整體市場(chǎng)遠(yuǎn)無(wú)法與IC相比擬.然而,從這一尋找過(guò)程當(dāng)中,人們也意識(shí)到,MEMS的多樣性和滲透性正是它區(qū)別于IC的鮮明特性.MEMS已經(jīng)進(jìn)入到各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè),并且在不同程度上改變著其現(xiàn)狀和發(fā)展走勢(shì).與其說(shuō)這些器件和系統(tǒng)是MEMS產(chǎn)品,不如說(shuō)它們是所在領(lǐng)域和行業(yè)的新一代產(chǎn)品.MEMS研究的情況也是如此,最初的MEMS器件研究往往是以微電子或機(jī)械背景的人為主體,與相關(guān)的研究者合作進(jìn)行;而近年來(lái),隨著MEMS技術(shù)日益成熟,MEMS技術(shù)已經(jīng)成為強(qiáng)有力的研究工具.不同領(lǐng)域的研究者根據(jù)自己的需要和想法,利用MEMS技術(shù)研發(fā)所需的新型器件和系統(tǒng).事實(shí)上,這恰恰說(shuō)明了MEMS的強(qiáng)大生命力和光明的發(fā)展前景.它不會(huì)由于加工技術(shù)和一些器件的成熟而失去研究上的發(fā)展動(dòng)力,而是會(huì)隨著其他領(lǐng)域的不停發(fā)展而繼續(xù)前進(jìn).MEMS的這一特點(diǎn)也決定了其研究上的百花齊放,因此很難對(duì)其發(fā)展前沿進(jìn)行概述.本文將根據(jù)本專輯的主題,立足于微納機(jī)電系統(tǒng)與集成電路的交叉,選擇具有代表性的幾個(gè)發(fā)展前沿——MEMS與CMOSIC的集成、NEMS器件在IC中的應(yīng)用以及生物醫(yī)療應(yīng)用的柔性MEMS芯片進(jìn)行討論.2mems與ic集成加工與CMOSIC集成化一直是MEMS研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)電路與結(jié)構(gòu)的完全集成可以提高微機(jī)械器件的性能,降低加工、封裝的成本,因此具有非常重要的實(shí)用價(jià)值.因此,MEMS與CMOSIC集成化在學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面的研究腳步一天也沒(méi)用停止過(guò).然而,雖然MEMS是在IC的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,但二者的集成卻充滿了挑戰(zhàn).首先,在技術(shù)層面上,MEMS的三維可動(dòng)結(jié)構(gòu)需要用特殊的工藝技術(shù)或工藝步驟實(shí)現(xiàn),電子器件與機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能需要不同的工藝處理進(jìn)行優(yōu)化,這些加工方法或工藝步驟不可避免地存在不兼容或沖突的地方.例如對(duì)于表面犧牲層工藝,工藝之間的溫度兼容性問(wèn)題:形成和優(yōu)化微機(jī)械結(jié)構(gòu)的LPCVD多晶硅和退火等高溫工藝會(huì)對(duì)電子器件的金屬、電阻和聚合物等產(chǎn)生不利影響;反過(guò)來(lái),任何在可動(dòng)微加工形成之后的工藝都可能對(duì)這些結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞.其次,在產(chǎn)業(yè)化層面上,集成化是否真的可以降低成本,提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力一直存在爭(zhēng)議.將IC與MEMS加工在同一個(gè)芯片上,固然可以減小芯片的總面積,節(jié)省一次封裝,但這些所帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)卻可能被以下的負(fù)面效應(yīng)所抵消:1)通常來(lái)說(shuō),CMOS的掩膜版數(shù)和加工步驟都遠(yuǎn)多于MEMS工藝,一個(gè)好的集成工藝可能只需要增加很少的光刻等工藝步驟就可以將MEMS集成在芯片上,但這仍然會(huì)造成成品率的顯著下降.這會(huì)使集成芯片的成品率低于兩片封裝式產(chǎn)品的成品率.2)MEMS器件往往特征尺寸要求不高,但所占用的面積卻遠(yuǎn)大于IC的面積.采用加工高昂的先進(jìn)的IC生產(chǎn)線(如45nm工藝)去加工大面積MEMS器件顯然會(huì)提高單位面積的成本.3)MEMS所涉及到的種類廣泛,加工工藝也五花八門,難以找到普適的集成解決方案.每一個(gè)單步的工藝的改變都可能對(duì)整個(gè)工藝產(chǎn)生牽一發(fā)動(dòng)全身的影響.工藝開(kāi)發(fā)成本高昂.4)從產(chǎn)品研發(fā)的角度來(lái)看,兩片式方案可以分別設(shè)計(jì)和加工MEMS器件與處理電路,甚至使用已有IC芯片,而集成式方案則需要一起設(shè)計(jì)和加工.后者的研發(fā)周期顯然要長(zhǎng),成本也會(huì)更高.5)由于技術(shù)上的兼容性問(wèn)題,集成式芯片中的MEMS器件和IC在性能方面通常需要折衷考慮,這會(huì)一定程度上抵消集成所帶來(lái)的性能優(yōu)勢(shì).由于這些原因,雖然集成化研究進(jìn)行的如火如荼,這么多年來(lái)市場(chǎng)上真正的單片集成芯片只有TI的DLP(數(shù)字光學(xué)處理器)2)、ADI的集成加速度計(jì)和陀螺、SiTime的集成化硅振蕩器3),以及一些集成壓阻壓力傳感器等少數(shù)產(chǎn)品.多數(shù)的壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺、麥克風(fēng)都仍然采用MEMS器件和處理電路分開(kāi)方式.國(guó)際上一直處于領(lǐng)先地位的純MEMS代工廠SilexMicrosystems4)、TeledyneDalsa5)和Tronics6)等也一直提供單獨(dú)的MEMS加工服務(wù),集成產(chǎn)品絕大多數(shù)由IDM模式完成.這種態(tài)勢(shì)隨著集成電路代工巨頭臺(tái)積電高調(diào)進(jìn)入MEMS代工業(yè)而面臨巨大轉(zhuǎn)變,CMOS與IC集成加工可能會(huì)變成主流的MEMS產(chǎn)品加工方式.臺(tái)積電最初決定從事MEMS代工是在2008年,但得益于雄厚的技術(shù)與財(cái)力的基礎(chǔ),營(yíng)收和排名都得到迅猛提高.據(jù)著名咨詢公司IHSiSuppli分析報(bào)告7),2011年臺(tái)積電相關(guān)營(yíng)業(yè)收入達(dá)到5300萬(wàn)美元,與2010年相比猛增201%,超過(guò)純MEMS代工廠SilexMicrosystems躍升為第一位.雖然營(yíng)收與其集成電路相比還很少,但增長(zhǎng)速度卻十分驚人.由自身特點(diǎn)所決定,臺(tái)積電進(jìn)入MEMS代工業(yè)伊始就定位于MEMS與IC的兼容與集成加工,并在行業(yè)內(nèi)廣泛宣傳這次策略.目前臺(tái)積電的主要代工對(duì)象涵蓋了3軸陀螺儀、加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、壓力傳感器、片上實(shí)驗(yàn)室和噴墨打印頭等眾多MEMS產(chǎn)品,但其最主要的業(yè)務(wù)營(yíng)收來(lái)自于InvenSense的陀螺儀和慣性測(cè)量單元(IMU)以及模擬器件公司(ADI)的麥克風(fēng),這兩種器件均是以集成方式制造的.另一知名集成電路代工企業(yè)聯(lián)電(UMC)也繼臺(tái)積電之后實(shí)現(xiàn)了CMOSMEMS的量產(chǎn).作為MEMS的主要產(chǎn)品之一,硅麥克風(fēng)的市場(chǎng)一直被樓氏(Knowles)所壟斷8),其產(chǎn)品采用兩片方式.2011年8月博世收購(gòu)了MEMS麥克風(fēng)廠商Akustica9),大力推進(jìn)單片集成式硅麥克風(fēng)的研發(fā)與生產(chǎn)力度,與ADI的集成麥克風(fēng)一道,向樓氏發(fā)起有力的挑戰(zhàn).由此可以看出,MEMS與IC集成的腳步在過(guò)去兩年內(nèi)大大提速了,相應(yīng)的MEMS代工業(yè)也隨之迅速增長(zhǎng),這為無(wú)晶圓廠(fabless)模式MEMS設(shè)計(jì)公司提供了前所未有的契機(jī).以下將簡(jiǎn)述幾種典型的MEMS與IC集成工藝.20世紀(jì)90年代初ADI公司開(kāi)發(fā)出具有里程碑意義的集成加工工藝——iMEMS工藝,該工藝將IC加工與MEMS加工交叉進(jìn)行(hybrid-CMOS).電路采用BiCMOS工藝制作,用多晶硅制作機(jī)械結(jié)構(gòu),電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)部分通過(guò)N+層來(lái)實(shí)現(xiàn).這種工藝雖然比較有利于工藝的優(yōu)化,但專門性很強(qiáng),不容易被標(biāo)準(zhǔn)化和被其他加工廠復(fù)制.另外,由于這種工藝采用的多晶硅結(jié)構(gòu)層較薄(2μm),導(dǎo)致信號(hào)弱,結(jié)構(gòu)面積大.從2004年開(kāi)始,ADI公司全面采用集成SOIMEMS工藝來(lái)代替iMEMS工藝進(jìn)行慣性MEMS加工.由于SOIMEMS工藝與表面工藝有很大的近似性,因此它與CMOS的集成也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).圖1(a)是該工藝方案的示意圖.CMOS電路和電路之間通過(guò)深槽回填進(jìn)行隔離.隔離槽填充通常采用LPCVD多晶硅,要做CMOS電路的金屬化之前完成,而最后的結(jié)構(gòu)刻蝕和釋放在CMOS電路之后完成,可以認(rèn)為是hybrid-CMOS集成.由于SOI材料中的硅層(40～100μm)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多晶硅層的厚度(2μm),因此器件的靈敏度增加,芯片尺寸卻大大縮小.同時(shí),由于簡(jiǎn)化了工藝,雖然材料上增加的費(fèi)用,但整體成本卻下降了.圖1(b)顯示了用這種工藝加工出的集成雙軸加速計(jì)adxl311照片10).北京大學(xué)的閆桂珍等開(kāi)發(fā)出了一種單片體硅加工工藝,其剖面結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,從工藝到結(jié)構(gòu)上都與集成SOIMEMS類似.但該工藝采用的是普通硅片,在成本上具有很大優(yōu)勢(shì),結(jié)構(gòu)厚度也比較靈活.從加工成本和實(shí)用化考慮考慮,Post-CMOS——即在CMOS電路加工完成之后再進(jìn)行MEMS加工是最優(yōu)的方案,這樣CMOS電路部分的加工可以在標(biāo)準(zhǔn)的集成電路代工廠完成,最大限度地降低設(shè)計(jì)成本和提高成品率.因此Post-CMOS技術(shù)一直是集成化研究的熱點(diǎn).加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)出一種Post-CMOS技術(shù),采用多晶鍺硅(Poly-SixGe1-x)取代多晶硅作結(jié)構(gòu)材料.多晶鍺硅的生長(zhǎng)溫度小于450?C,因此可以用鋁來(lái)作互連材料實(shí)現(xiàn)Post-CMOSMEMS集成.這種工藝可以把MEMS結(jié)構(gòu)直接加工在CMOS器件的上方,因此也可以有效地節(jié)省芯片面積.比利時(shí)的IMEC也投入了很大的精力開(kāi)發(fā)這種技術(shù),采用PECVD代替LPCVD工藝生長(zhǎng)多晶鍺硅,從而進(jìn)一步降低生長(zhǎng)溫度,提高淀積速率.這種工藝已經(jīng)開(kāi)始被用于產(chǎn)業(yè)化.CMOSMEMS工藝是由美國(guó)卡耐基-梅隆大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種完全的PostCMOS集成工藝,基本工藝流程如圖3(a)所示[17～19].它采用CMOS電路中的互連金屬及金屬間的介質(zhì)作為機(jī)械結(jié)構(gòu),所以CMOS電路加工完成后只需幾步各向異性和各向同性的干法刻蝕就可以完成器件的加工.這種工藝的一個(gè)特點(diǎn)是所有的工藝步驟都是單面加工,所以可以很容易的移植到基于不同尺寸襯底的工藝線上,可以增加選擇加工服務(wù)商的自由度.這種工藝的主要缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的厚度有限,而且有較大的殘余應(yīng)力.為了克服CMOSMEMS工藝中的問(wèn)題,Xie等又開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合深刻蝕工藝的DRIECMOSMEMS工藝,如圖3(b)所示.改進(jìn)后的工藝?yán)脝尉Ч枳鳛闄C(jī)械結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu),提高器件的性能.但由于它的電學(xué)隔離需要一步各向同性刻蝕,對(duì)工藝的控制精度要求比較高,而且部分結(jié)構(gòu)仍需薄膜結(jié)構(gòu)連接,使器件性能受到一定的限制.近年來(lái),臺(tái)灣清華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu),依托臺(tái)積電的CMOS工藝,在CMOSMEMS工藝方面進(jìn)行了很多研究工作[21～23].Li等利用臺(tái)積電的0.18μm1P6M(一層多晶硅6層金屬)CMOS工藝成功實(shí)現(xiàn)了集成諧振器的加工,性能顯著優(yōu)于0.35-μm工藝加工結(jié)果.圖4是結(jié)構(gòu)的剖面圖和SEM照片采用90nm和40nm平臺(tái)進(jìn)行CMOSMEMS加工的嘗試也已經(jīng)開(kāi)始.隨著研究的成熟.CMOSMEMS有可能成為臺(tái)積電MEMS主打工藝之一,非常值得關(guān)注.作為目前的的主要營(yíng)收來(lái)源,臺(tái)積電為InvenSense加工陀螺和IMU所采用的實(shí)際是一種混合集成工藝11).如圖5(a)所示,CMOS電路和MEMS結(jié)構(gòu)分別加工在一個(gè)晶圓上.MEMS所在的晶圓同時(shí)起到封帽的作用,CMOS在相應(yīng)的區(qū)域刻蝕出一個(gè)腔體.兩個(gè)圓片通過(guò)金硅共熔合金的方式實(shí)現(xiàn)鍵合,形成陀螺所需的真空腔體,同時(shí)實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)封裝.圖5(b)是三維結(jié)構(gòu)示意圖.該工藝在減小寄生效應(yīng)和封裝尺寸的同時(shí),也減輕了前面說(shuō)到的一些集成方面的缺點(diǎn).值得一提的是,中科院上海微系統(tǒng)所的Li等發(fā)明了一種單面集成的集成壓力傳感器工藝.工藝選用(111)晶向硅片,利用TMAH濕法腐蝕的晶向選擇性,通過(guò)橫向腐蝕在硅片表面下面形成空腔,再利用LPCVD多晶硅封閉空腔,形成壓力傳感器結(jié)構(gòu).這種方法通過(guò)單面工藝實(shí)現(xiàn)超小結(jié)構(gòu)的壓力傳感器,從而實(shí)現(xiàn)低成本加工.該工藝與CMOS工藝兼容,可以實(shí)現(xiàn)與IC的集成.方法的一個(gè)美中不足是CMOS通常采用(100)襯底,因此需要支持(111)襯底的雙極代工廠進(jìn)行加工.通過(guò)TSV(硅穿孔互聯(lián))技術(shù)實(shí)現(xiàn)CMOS、MEMS以及光電子電路等多種系統(tǒng)的三維混合集成也是近年來(lái)值得關(guān)注的熱點(diǎn)(圖6).限于篇幅,這里不做過(guò)多論述.3mems繼電器的關(guān)閉狀態(tài)近幾年,MEMS與納米技術(shù)融合的步伐在加快.一方面新的納米材料與納米加工技術(shù)越來(lái)越多地在MEMS技術(shù)中得到應(yīng)用,促進(jìn)了微機(jī)電系統(tǒng)性能提高和新器件的涌現(xiàn),另一方面微納機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)也提供了新的納米級(jí)三維加工手段,催生了諸如NEMS繼電器、存儲(chǔ)器等新型的IC器件.這里主要論述后者.在CMOS器件特征尺寸遵循摩爾定律按比例縮小的過(guò)程中,面臨著諸多技術(shù)上和理論上的挑戰(zhàn),其中之一是功率密度極限.為了在晶體管密度增加的情況下保持功率密度不變,需要降低電源電壓VDD以減小開(kāi)態(tài)電流.但事實(shí)上降低開(kāi)態(tài)電流將延長(zhǎng)操作延遲,增加功耗.解決這一問(wèn)題的一個(gè)辦法是降低閾值電壓,但這又會(huì)增加亞閾值漏電.由于CMOS器件總是存在亞閾值漏電(亞閾值擺幅60mV/Decade),這一矛盾是難以克服的.解決這一矛盾的一個(gè)途徑是開(kāi)發(fā)具有更陡峭亞閾值擺幅的新型電子器件如隧穿MOS、IMOSFETs、納米線MOSFET等,而NEMS繼電器則提供了另一條可能的途徑.MEMS繼電器的工作原理如圖7所示.這是一個(gè)三端微繼電器示意圖,器件最核心的結(jié)構(gòu)是一個(gè)帶有觸點(diǎn)的導(dǎo)電懸臂梁,其下面有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極(相當(dāng)于MOSFET的柵極).當(dāng)驅(qū)動(dòng)電極上不加電壓或電壓很小的時(shí)候,懸臂梁自由端的觸點(diǎn)與下面的電極(相當(dāng)于MOSFET的漏極)之間存在空氣間隙,在漏極與懸臂梁的固定端(相當(dāng)于MOSFET的源極)之間沒(méi)有電流通過(guò),開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài).當(dāng)柵極所加的電壓超過(guò)一定值之后(吸合電壓,相當(dāng)于MOSFET的閾值電壓),懸臂梁被靜電力下拉,接觸點(diǎn)與下面的電極接觸,源與漏被電學(xué)導(dǎo)通,開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài).此時(shí)減小柵電壓,當(dāng)小于某一個(gè)值(要小于吸合電壓),懸臂梁由于機(jī)械恢復(fù)力向上彈起,接觸點(diǎn)離開(kāi)漏極,回到斷開(kāi)狀態(tài).與半導(dǎo)體MOS器件相比,MEMS繼電器在斷開(kāi)狀態(tài)下,由于觸點(diǎn)與漏極之間存在物理間隙,幾乎不存在靜態(tài)亞閾值漏電;在開(kāi)啟狀態(tài)下,接觸電阻和串聯(lián)電阻通常也遠(yuǎn)小于MOS器件的導(dǎo)通電阻.因此,MEMS繼電器具有超高的開(kāi)關(guān)電流比,其功耗也很小.當(dāng)繼電器的特征尺寸在微米尺度時(shí)(即MEMS繼電器),其占用面積很大,其驅(qū)動(dòng)電壓很高(幾十伏甚至上百伏),開(kāi)關(guān)速度很慢(在微秒量級(jí)).但當(dāng)其特征尺寸(包括間隙)減小到納米尺寸時(shí)(即NEMS繼電器),其機(jī)械響應(yīng)速度會(huì)大大提高,開(kāi)關(guān)速度可以到達(dá)到納秒量級(jí),驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)顯著下降,具備了成為電子器件單元的條件.此外,與MOS器件相比,NEMS繼電器對(duì)外界溫度、輻射和電磁場(chǎng)不敏感,因此對(duì)于太空、國(guó)防等領(lǐng)域會(huì)有其特殊的價(jià)值.采用NEMS繼電器代替CMOS器件構(gòu)成邏輯計(jì)算單元,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模運(yùn)算,實(shí)際上是從電子計(jì)算方式向傳統(tǒng)機(jī)械計(jì)算方式的一種回歸.妨礙NEMS繼電器在集成電路中實(shí)際應(yīng)用的最大瓶頸問(wèn)題是其接觸可靠性問(wèn)題.當(dāng)器件尺寸按比例縮小的時(shí)候,不僅電學(xué)量發(fā)生顯著變化,各種力的對(duì)比關(guān)系也隨著尺寸發(fā)生顯著變化.表面張力、毛細(xì)作用力、范德瓦爾斯(vanderWaals)力、分子間作用力等面積和間距相關(guān)的力與體積力相比在納米尺度下變得尤為顯著.在MEMS器件中,當(dāng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)相互接觸的時(shí)候,如果彈性回復(fù)力無(wú)法克服范德瓦爾斯力等結(jié)構(gòu)間相互吸引的力,就會(huì)產(chǎn)生所謂的粘附效應(yīng)(stiction)使器件失效.對(duì)于NEMS繼電器,這個(gè)問(wèn)題變得更為顯著.一方面,在納米尺度范德瓦爾斯力等表面力與彈性力相比更處于優(yōu)勢(shì)地位;另一方面,為了滿足低驅(qū)動(dòng)電壓的要求,又需要盡量減小懸臂梁的剛度,進(jìn)一步增大了粘附的風(fēng)險(xiǎn).接觸點(diǎn)失效是影響NENS繼電器可靠性另一大因素.接觸點(diǎn)失效一直是MEMS繼電器應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題,NEMS繼電器由于點(diǎn)更小、接觸力更低、回復(fù)力更小而使問(wèn)題變得更為嚴(yán)重.文獻(xiàn)中所報(bào)道的用于IC的NEMS器件大多數(shù)是驗(yàn)證概念,解決尺寸和集成的問(wèn)題,很多器件甚至只能完成個(gè)位數(shù)的接觸操作.近幾年可靠性問(wèn)題得到了很高的重視,也取得了一些突破性的進(jìn)展,但目前所報(bào)道的最高開(kāi)關(guān)次數(shù)1010,仍然與電路中實(shí)際應(yīng)用的要求(>1016)相去甚遠(yuǎn).NEMS繼電器應(yīng)用所面臨的另一個(gè)重要問(wèn)題是互連和封裝.與CMOS集成電路一樣,高密度納米級(jí)器件要想形成復(fù)雜的電路,必須通過(guò)多層互連來(lái)實(shí)現(xiàn),有些集成電路的互連線甚至已經(jīng)超過(guò)10層.與CMOS器件不同,NEMS繼電器是三維可動(dòng)結(jié)構(gòu),其后續(xù)的淀積和刻蝕都無(wú)法輕易實(shí)現(xiàn).同時(shí),由于機(jī)械響應(yīng)速度和接觸可靠性的要求,NEMS繼電器需要進(jìn)行氣密性封裝.盡管面臨上述諸多挑戰(zhàn),由于NEMS繼電器獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn),其研究仍然得到了廣泛的重視,并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展.這些研究中不但采用了納米光刻和刻蝕等先進(jìn)納米加工工藝,還有很多器件采用了碳納米管、石墨烯等新興材料.以下將介紹幾種典型的器件.韓國(guó)的Jang等以TiN為結(jié)構(gòu)材料,用CMOS兼容的加工工藝,研制出梁厚35nm,空氣間隙為15nm的NEMS繼電器,其關(guān)態(tài)漏電流幾乎為0,亞閾值擺幅小于3mV/Decade,驅(qū)動(dòng)電壓為20V左右,在空氣中實(shí)現(xiàn)了幾百次的開(kāi)關(guān).圖8(a)是這種繼電器的示意圖,(b)是SEM照片.圖9是美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)(CaseWesternReserveUniversity)的Lee在Science雜志上報(bào)道的用SiC材料制造的反相器示意圖和器件局部照片.其最小結(jié)構(gòu)尺寸為150nm,而最小間距為20nm.其關(guān)態(tài)工作電流小于10fA(測(cè)量?jī)x器的噪聲值).這個(gè)器件最重要的特點(diǎn)是不僅可以在室溫下工作,還可以在高達(dá)500?C的溫度下工作.在室溫下開(kāi)關(guān)次數(shù)達(dá)到210億次,在500?C的溫度下也達(dá)到了20億次以上,是目前報(bào)道的最高值.英國(guó)劍橋大學(xué)的Jang等用垂直生長(zhǎng)的碳納米管作為結(jié)構(gòu)材料,用傾斜淀積和光刻實(shí)現(xiàn)碳納米管局部金屬化,制備了如圖10(a)所示的垂直方向NEMS繼電器.該器件的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電壓比較低(<4.5V,見(jiàn)圖10(b)).和其他碳納米管器件類似,用碳納米管加工NEMS繼電器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是難以定位及形成圓片級(jí)加工.Hayamizu等報(bào)道了一種在圓片級(jí)形成碳納米管薄膜,進(jìn)而加工器件的方法.他們利用這種方法,成功地在圓片上加工出NEMS繼電器陣列,并取得了相對(duì)較好的一致性.雖然其驅(qū)動(dòng)電壓還比較高,加工成品率也有待于提高,但已經(jīng)展現(xiàn)出進(jìn)行大規(guī)模加工器件和電路的可能性.石墨烯是近年來(lái)炙手可熱的一種納米材料,也有很多研究者利用石墨烯良好的導(dǎo)電性和機(jī)械性能形成NEMS繼電器.中科院物理所的張廣宇研究組利用多層石墨烯作為機(jī)械橋膜制備了NEMS繼電器.其開(kāi)關(guān)比為104,開(kāi)關(guān)壽命為500多次.除了繼電器之外,用NEMS技術(shù)也可以形成存儲(chǔ)器.英國(guó)劍橋大學(xué)的Jang等發(fā)展了他們的碳納米管開(kāi)關(guān)技術(shù),加工出基于開(kāi)關(guān)電容的納米存儲(chǔ)器.圖11(a)是器件結(jié)構(gòu)示意圖.器件的源和漏上各生長(zhǎng)一根垂直的碳納米管,其中源極的碳納米管上覆蓋氮化硅作為介質(zhì)層,再覆蓋Cr作為電極層.源極接位線、漏極接字線.如圖11(b)所示,在存儲(chǔ)器的寫(xiě)入過(guò)程,在要寫(xiě)入的單元1的位線上加正向偏壓,漏極的碳納米管將由于靜電作用力與源極接觸,當(dāng)驅(qū)動(dòng)偏壓時(shí),正電荷將保留在源極.此時(shí)單元1被寫(xiě)入“1”,而單元2保持為“0”.如圖11(c)所示,在讀的時(shí)候,所有位線被施加與寫(xiě)入電壓相同的偏壓.單元1由于正電荷的相互排斥作用不能接觸,因此沒(méi)有電流流過(guò).而單元2的碳納米管發(fā)生接觸,產(chǎn)生電流,實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元狀態(tài)的區(qū)分.在讀出后,需要對(duì)單元進(jìn)行復(fù)位.美國(guó)Rice大學(xué)的Li等研制出一種簡(jiǎn)單的兩端NEMS存儲(chǔ)器件.如圖12(a)和(b)所示,該器件的核心部分是懸空的薄層石墨納米帶.當(dāng)在石墨納米帶兩端加載電壓掃描的時(shí)候,會(huì)出現(xiàn)特殊的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象.如圖12(c)所示,當(dāng)電壓從0V掃描到10V的時(shí)候,器件從低阻態(tài)跳變到高阻狀態(tài).再次從0V掃描時(shí),則會(huì)呈現(xiàn)出高阻狀態(tài),向10V掃描時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩次跳變.而從10V向0V方向掃描時(shí),器件則從高阻向低阻跳變.利用這種現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器件,并且實(shí)現(xiàn)1000次以上的讀—寫(xiě)—擦除操作.研究表明這種現(xiàn)象是由石墨納米帶內(nèi)部微結(jié)構(gòu)所形成的NEMS開(kāi)關(guān)效應(yīng)引起的.具體現(xiàn)象和解釋請(qǐng)讀者自己參閱文獻(xiàn).4原因二:視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)材料硅基集成電路一直在微電子領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)統(tǒng)治地位,同樣,硅基微加工由于成熟、加工能力強(qiáng)、能與電路集成而一直是MEMS主流加工工藝.近年來(lái),以柔性的塑料和薄金屬作為襯底的柔性電子(flexibleelectronics)開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸興起.柔性電子以其獨(dú)特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝,在柔性顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、印刷RFID、薄膜太陽(yáng)能電池板、電子紙、電子皮膚、人工肌肉等方面顯示出廣泛應(yīng)用前景.生物微機(jī)電系統(tǒng)(BioMEMS)近年來(lái)已經(jīng)成為生命科學(xué)研究的有力工具,并成為MEMS領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn).用于細(xì)胞操縱、DNA擴(kuò)增檢測(cè)等的各種微結(jié)構(gòu)不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái),極大地促進(jìn)了生命科學(xué)研究在細(xì)胞、分子水平的進(jìn)展.對(duì)于很多可拋棄型或小批量生物MEMS器件,硅基微加工技術(shù)的成本相對(duì)過(guò)高,相關(guān)材料的生物兼容性、在液體環(huán)境中的長(zhǎng)期可靠性仍有待解決,硅材料的脆性和不透明性也影響了其使用范圍.近年來(lái)生物MEMS工藝的熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到低成本、高生物兼容性的聚合物微加工上.對(duì)于生物醫(yī)療應(yīng)用的植入型器件和體表器件,由于要與形狀復(fù)雜的器官或皮膚表面貼合并避免組織損傷,柔性襯底顯示出其不可替代的優(yōu)勢(shì).這種生物醫(yī)療應(yīng)用的柔性芯片是微電子、MEMS、材料以及生物醫(yī)學(xué)等多種科學(xué)技術(shù)交叉的代表性產(chǎn)物.人造視網(wǎng)膜芯片是植入式芯片一個(gè)典型的例子.據(jù)國(guó)家權(quán)威部門統(tǒng)計(jì),我國(guó)現(xiàn)有盲人約500萬(wàn),到2020年預(yù)期盲人總數(shù)將增加4倍.在眾多盲人患者中,有近四分之一的患者是由于視網(wǎng)膜病變?cè)斐傻?而這種病變目前為止沒(méi)有任何藥物或手術(shù)的方法能夠修復(fù).采用MEMS技術(shù)人造視網(wǎng)膜芯片使恢復(fù)視網(wǎng)膜退化等眼疾患者視覺(jué)成為可能.人造視網(wǎng)膜芯片是一種在眼內(nèi)植入的微電極陣列,通過(guò)芯片上光電二極管或人為外在施加的方法將眼外影像轉(zhuǎn)化為微電極上的工作電流,繼而對(duì)患者視網(wǎng)膜上殘余的正常神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行刺激,形成人造視覺(jué)(見(jiàn)圖13).硅微加工實(shí)現(xiàn)的芯片基底剛性較大,難以與視網(wǎng)膜幾何結(jié)構(gòu)相匹配,容易產(chǎn)生移位,引起人造視覺(jué)性能的降低,甚至完全喪失,更為嚴(yán)重的是,芯片相對(duì)視網(wǎng)膜運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)對(duì)附近正常細(xì)胞造成不可逆的生理?yè)p壞,導(dǎo)致嚴(yán)重的術(shù)后并發(fā)癥;而目前所采用的輔助固定機(jī)構(gòu)在植入過(guò)程中會(huì)帶來(lái)較大的手術(shù)創(chuàng)傷,破壞患者殘余視網(wǎng)膜細(xì)胞,嚴(yán)重地影響到人造視網(wǎng)膜芯片本身的工作性能.此外,硅材料的生物兼容性較差,并不能夠滿足實(shí)用化人造視網(wǎng)膜芯片的需要.因此人工視網(wǎng)膜芯片的襯底材料需要是柔性聚合物,如聚酰亞胺(PI)和聚對(duì)二甲苯(Parylene)等.與PI相比,Parylene可以用化學(xué)氣相淀積的方法室溫下在各種形狀的表面上形成均勻、透明、致密無(wú)針孔、無(wú)應(yīng)力的薄膜,且薄膜的厚度能精確地控制到50納米～100微米,機(jī)械性能優(yōu)良,非常適合在復(fù)雜的MEMS結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)或形成三維MEMS結(jié)構(gòu),同時(shí),Parylene材料具有很好的生物兼容性,是一種得到美國(guó)FDA認(rèn)證的、可以在體內(nèi)長(zhǎng)期植入使用的生物醫(yī)用材料,是植入式MEMS器件的理想材料.圖14是美國(guó)加州理工大學(xué)的Tai與美國(guó)南加州大學(xué)的Humayun研究組合作開(kāi)發(fā)的視網(wǎng)膜芯片.該芯片以Parylene為柔性襯底材料,Pt作為電極,Au作為電極連接.為了實(shí)現(xiàn)與眼球的緊密貼合,還采用升溫模壓的方法將芯片做成弧狀.SecondSight公司在2002年對(duì)6名全盲RP患者進(jìn)行了帶有16個(gè)微電極的視網(wǎng)膜芯片的臨床植入實(shí)驗(yàn),患者可以“看到”物體的移動(dòng),并對(duì)物體進(jìn)行定位,甚至可以識(shí)別一些簡(jiǎn)單物體,植入的芯片到現(xiàn)在為止仍然可以正常工作.北京大學(xué)的Wang等研制了帶有三維針尖的柔性視網(wǎng)膜芯片,與平面電極相比,三維針尖電極具有更小的電化學(xué)阻抗,并可以更好地與組織貼合(圖15).眼睛方面的另一個(gè)重要應(yīng)用是可佩戴型眼壓計(jì).青光眼是引起視網(wǎng)膜等眼病的主要因素,世界范圍內(nèi)有七千萬(wàn)以上的青光眼患者.引起青光眼的病因是眼壓過(guò)高,目前的眼壓測(cè)量必須在醫(yī)院通過(guò)特殊儀器來(lái)完成,無(wú)法實(shí)現(xiàn)日常監(jiān)測(cè),不利于對(duì)青光眼的治療和護(hù)理.瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Leonardi等提出將壓力傳感器制造在類似于隱性眼鏡的柔性襯底上,形成可佩戴的眼壓計(jì),實(shí)現(xiàn)眼壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控.這種器件進(jìn)一步發(fā)展成無(wú)線信號(hào)傳輸方式,并已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化(圖16)12).在柔性芯片方面做出最突出成果的是美國(guó)UIUC的Roger教授.2006年他在Science雜志上提出了利用PDMS和硅復(fù)合結(jié)構(gòu)形成可伸縮電子(stretchableelectronics)的概念.如圖17(a)所示,在SOI片的有源硅薄膜上刻出條帶,之后鍵合在預(yù)拉伸的PDMS基底上.腐蝕掉SOI的氧化層,硅微條帶從SOI基片上釋放下來(lái)與PDMS結(jié)合.此時(shí)PDMS由于彈性回復(fù)力收縮,由于硅條帶足夠薄,具有很好的彈性,會(huì)受到大的壓應(yīng)力發(fā)生屈曲形成波浪形圖17(b).之后他們又發(fā)展了這種技術(shù),對(duì)PDMS進(jìn)行二維拉伸,并將硅刻成島狀,之間用金線進(jìn)行互連,形成如圖17(c)所示的形狀.這種PDMS和硅復(fù)合結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行大范圍的壓縮、拉伸