微机械电子系统2.doc

微机械电子系统微机械电子系统（MEMS）（也写为微机电，微机电或微电子和微机电系统）是由电力驱动的非常小的机械装置技术。它在纳米尺度融合了纳机电系统（NEMS）和纳米技术。微机电系统也被称为微型机械（在日本），或微系统技术MST（在欧洲）。朗读显示对应的拉丁字符的拼音朗读显示对应的拉丁字符的拼音MEMS是独立的，与分子纳米技术或分子电子学不同。MEMS由1至100微米（即0.001至0.1毫米）之间大小的部件组成，通常MEMS设备的尺寸范围是20微米（0.000002米）至1毫米。它们通常由处理数据的中央单元，微处理器和其它若干个用来连接外设的部件，例如微传感器，组成。在这种大小尺度，经典物理学的标准结构并不总是有用的。由于MEMS的表面积与体积比，表面效应如静电，如惯性或热质量的润湿主宰体积效应，都较大。非常小的设备的潜能在技术存在之前就已得到赞赏，这可以让人们看到，例如，理查德费曼1959年著名的演讲，有底部的空间。一旦能使用通常用来制造电子产品的改性半导体设备制造技术制造，MEMS将变为现实。这些制造技术包括成型和电镀，湿法刻蚀（KOH, TMAH）和干蚀刻（RIE and DRIE），电火花加工（EDM）以及其它小型设备的制造技术。MEMS设备的一个早期的例子是resonistor，一种机电单片谐振器。1.MEMS描述根据目标设备和市场部门，MEMS技术可以采用不同材料和制造技术。2.MEMS制造材料2.1硅在现代世界上，硅是创建消费电子产品的最集成电路的材料。规模经济，随时可得的廉价优质的材料和电子功能整合能力，使硅在MEMS应用中有广泛的吸引力。硅还通过其材料性能产生显著的优势。在单晶形式，硅是一种近乎完美的胡克材料，这意味着当它弯曲时，几乎没有迟滞，因此几乎没有能量损耗。以及高重复制造，这也使得硅非常可靠的。它很少疲劳，可以在十亿至万亿范围内不中断服务的服务周期。生产所有基于硅的MEMS设备的基础的技术是材料层的沉积，图案光刻到这些层上，然后刻蚀制造所需形状。2.2聚合物尽管电子行业为硅行业提供了一个经济规模，但是生产上，晶体硅仍是一个复杂和相对昂贵的材料。另一方面，聚合物可以生产数量巨大，具有种类繁多的材料特性。MEMS器件可通过，诸如注塑成型，压花或光固化由聚合物制成，特别适合于微流体应用，如一次性血液测试盒。2.3金属金属也可用于创建MEMS元素。而金属不具备硅在机械性能中展现的某些优势，当在其限制内使用时，金属可以表现出非常高的可靠性程度。金属可以通过电镀，蒸镀，溅镀的过程沉积。常用的金属包括黄金，镍，铝，铜，铬，钛，钨，铂，银。有强大MEMS的公司，规模上有大有小。规模大的公司为终端市场，如汽车，生物医药，电子等，专业生产大量廉价的组件或打包解决方案。成功的小企业提供创新解决方案的价值和吸收有高销售额与利润的定制制造的费用。此外，大型和小型公司从事研究与开发工作来探索MEMS技术。3.MEMS基本过程3.1沉降过程在MEMS加工的基本基石之一是具有存厚度放在几纳米至大约100微米的薄膜材料的能力。3.1.1物理沉积有两种类型的物理沉积过程。物理气相沉积（PVD）:1）溅射2）蒸发3.1.2化学沉积有两种类型的化学沉积。化学气相沉积:1）LPCVD：低压化学气相沉积2）PECVD反应：等离子增强化学气相沉积3.2掩膜制造MEMS中的掩膜制造是材料上图案的转移。3.2.1光刻在MEMS中光刻技术通常是通过选择性暴露在辐射源，例如光源将光敏材料的图案转移。光敏材料是这样一种材料，当其暴露在辐射源下，其物理性将会改变。接触到的辐射来源。如果一个光敏材料是有选择性地暴露在辐射中（例如，通过屏蔽部分的辐射），辐射物质上的图案转移到曝光材料上，作为暴露和非暴露区域的不同的属性。这暴露区域可以被删除或处理为基础基板提供一个面具。光刻通常用金属或其他薄膜沉积，干湿蚀刻。1）电子束光刻电子束光刻技术（通常称缩写为电子束光刻）是在表面覆盖有薄膜（称为抗蚀剂）上以图案扫描一束电子，（“曝光”抗蚀剂）和选择性地移除在抗蚀剂上曝光或非曝光的区域（显像）的过程。其目的，与光刻一样，是在抗蚀剂上建立在非常小的结构，可以随后通过蚀刻被转移到基板材料上。它在制造集成电路，也在建立纳米技术架构中使用。电子束光刻技术的主要优势是，它是超过光的衍射极限，并在纳米制度建立特征的方法之一。这种无掩膜光刻在用于光刻的掩模制造，半导体元件小批量制造和研发中广泛应用。电子束光刻技术的主要限制是吞吐量，即它对整个硅晶片或玻璃基板的曝光需要很长的时间。长时间的曝光，使光束漂移或不稳定在曝光过程中容易发生。此外，如果第二次图案不改变，掉头进行返工或重新设计时间将被不必要延长。 2）离子束光刻据了解，聚焦离子束光刻能够写出非常好的细纹（已经可以爱到小于50纳米的线和空间），而没有邻近效应。但是，因为离子束光刻写作领域相当小，所以大面积的图案必须拼接小领域来创建。3）X射线光刻X射线光刻是用于电子工业中有选择地去除薄膜部分的过程。它采用X射线传输掩膜上的几何图案到基板上的感光化学光阻，或简单的称为“抗蚀剂”。通过一系列的化学处理，刻到在光致抗蚀剂下面的光阻材料上。3.3刻蚀过程有两个基本类型的蚀刻工艺：湿法刻蚀和干法刻蚀。前者，浸泡在化学溶液中的材料不溶解。后者，是有些过时的MEMS刻蚀技术概述，利用反应离子或气相腐蚀剂溅射或解散材料。3.3.1湿法刻蚀湿法化学刻蚀通过将基板浸入可以溶解要去除材料的溶液中，选择性去除材料。此蚀刻过程中的化学性质提供了一个良好的选择性，这意味着，如果仔细挑选，目标材料的刻蚀率将大大高于掩膜材料。1）各向同性刻蚀在刻蚀的进展，在各个方向有相同的速度。掩膜上长窄的孔洞将在硅上产生V形沟槽。如果刻蚀进行的正确，尺寸和角度非常准确，那么这些沟槽的表面是原子级光滑的。2）各向异性刻蚀有些单晶材料，如硅，基于基材晶体取向将有不同的刻蚀率。这就是所谓的各向异性刻蚀，最普遍的例子之一是在KOH（氢氧化钾）溶液中刻蚀硅，硅面蚀刻比其他方向（结晶取向）约慢100倍。因此，在（100）硅晶体蚀刻在一长方空，将得到一个54.7金字塔形的墙，而不是一个以各向同性蚀刻侧壁弯曲的洞。3）刻蚀液氢氟酸是一种常用的二氧化硅（，也被称为BOX的SOI）的一水溶液蚀刻剂，通常用在49集中形式，5:1，10:1或20：1的BOE（缓冲氧化层蚀刻）或BHF（缓冲高频）。他们首先用在玻璃刻蚀中世纪时代。它被用来在集成电路制作的图案栅氧化层，直到该进程的步骤是利用活性离子取代。氢氟酸被认为是比较危险的洁净室氨基酸之一。它通过接触渗透皮肤，直接扩散到骨头。因此，直到为时已晚，才感受到伤害。4）电化学刻蚀掺杂选择性去除硅的电化学刻蚀（ECE）是一种常见的自动并有选择刻蚀的方法。活跃的p-n节二极管是必需的，任一种掺杂类型都可以作为抗刻蚀（“刻蚀停止”）的材料。硼是最常见的刻蚀停止掺杂剂。结合上述湿法各向异性刻蚀，电化学刻蚀已被成功地应用于在商业硅压阻式压力传感器中控制硅膜片厚度。选择性掺杂区域可以通过注入、扩散或硅外延沉积创建。3.3.2干法刻蚀1）蒸气蚀刻氙氟蚀刻二氟化氙（）是一种对硅的干气相各向同性蚀刻， 1995年在洛杉矶加州大学开始应用于MEMS。主要被用于削弱金属硅和绝缘结构，不同于湿法刻蚀，XeF2有粘滞自由的优势。它的选择蚀刻性强，允许光阻，二氧化硅，氮化硅，以及各种金属做掩膜的掩蔽刻蚀。硅的反应是“plasmaless”，是纯粹化学和自发的，而且往往在脉冲模式下工作。这种刻蚀是可实现的，大学的实验室和各种商业工具使用这种方法提供解决方案。2）等离子体刻蚀反应离子刻蚀（RIE）在反应离子刻蚀（RIE），基板放置在一个反应器中，并引入几种气体。通过射频电源的能量在气体混合物中撞击等离子体，打破气体分子成为离子。这些离子加速实现，并发生反应，材料的表面被腐蚀，形成其他气态物质。这就是所谓的化学反应离子蚀刻的一部分。还有一个物理过程，类似溅射沉积过程。如果离子有足够高的能量，可以敲出材料的原子使发生无化学反应的蚀刻。因为平衡化学和物理刻蚀有许多参数要进行调整，所以发展干法刻蚀是一个很复杂的任务。通过改变平衡有可能影响到刻蚀的各向异性，由于化学部分是各向同性和物理部分高度各向异性的组合可以形成侧壁从圆形到垂直的形状。反应离子刻蚀RIE可深（深反应离子刻蚀或深反应离子蚀刻（DRIE）。反应离子刻蚀的一种特殊子类（DRIE）越来越受欢迎。在这个过程中，数以百计的微米蚀刻深度可以得到几乎是垂直的侧壁。该主要的技术是基于所谓的“博世过程”，得名于德国罗伯特博世公司，在这里两个不同的气体组分在反应器中反应，该公司提交了原始专利。目前，深反应离子刻蚀DRIE有两种变化。第一个变化分为三个不同的步骤（用于等离子体千卡工具的博世过程），而第二个变化只有两个步骤组成（用于STS工具的ASE）。在第一变化中，刻蚀周期如下：（i）SF6气体各向同性刻蚀;（ii）C4F8钝化;（iii）为清理基板的SF6气体各向异性刻蚀。在第二变化中，是步骤（i）及（iii）的相结合。这两种变化操作类似。在基板表面上创建一种聚合物，第二种气体成分（和）刻蚀基板。蚀刻物理部分把该聚合物立刻溅射离开，但仅限于水平表面，而不是侧壁。由于聚合物只在化学蚀刻的部分很缓慢的溶解，它建立了侧壁，并保护他们不被刻蚀。因此，蚀刻50比1的宽高比就可以实现。这个过程可以很容易地通过使用硅衬底刻蚀，而且蚀刻率比湿刻蚀高3-6倍。4.MEMS制造技术4.1体微加工体微加工是最古老的硅基微机电系统。一个硅晶片的整个厚度用于建设微机械结构。使用各种不同的硅刻蚀加工过程。阳极键合的玻璃钢板或额外的矽晶圆是用来增加特性在第三维度和为赫尔墨斯封装。体微加工已基本实现高性能的压力传感器和改变了这个传感器产业的形态在80和90年代。4.2表面微机械表面微机械使用沉积在基体表面的沉积层作为结构材料，而不是使用的基板本身。表面微机械创建于20世纪80年代后期，其目标是使硅平面集成电路与微加工技术的兼容得到提高，结合在同一个硅晶片的MEMS和集成电路。最初的表面微机械概念是基于多晶硅薄图案作为移动的机械结构和底层氧化层蚀刻牺牲层来释放。叉指梳状电极用于产生平面力，并检测平面运动电容。这种微机电系统模式已用于制造低生产成本的加速度计，例如汽车安全气囊系统及其他低性能或者高范围应用领域。 ADI公司已率先将表面微加工产业化，并实现了将MEMS和集成电路的集成。4.3 高深宽比（HAR）的硅微加工体硅微加工和表面硅微加工都用于感应器，喷墨喷嘴和其他设备的工业生产。但在许多情况下，这两者之间的区别已经减弱。一个新的蚀刻技术，深反应离子蚀刻，使得，将有良好性能的体微加工和梳状结构，面内表面加工结合在一起成为可能。常见的表面微加工已经能在结构层在2微米的厚度范围内，但HAR硅微加工，厚度可从10到100微米。通常用于HAR硅微加工的材料是通常称作聚外延层的厚厚的多晶硅（SOI）和粘结绝缘体硅晶片，尽管体微硅片的制作过程也被创建（SCREAM）。用玻璃熔块粘接，阳极键合或合金粘接来粘结第二个晶片是用来保护MEMS结构的。集成电路通常不结合HAR硅微加工。该行业目前的共识似乎是，通过两个职能的分离，灵活性和降低过程的复杂性得以实现，并将获得远远超过在包装上小小的惩罚。一个不同的高深宽比（HAR）微结构技术的比较，可以在HARMST文章中发现。一个被遗忘的关于表面微加工的历史，围绕多晶硅A或B的选择。细粒度“（300A的晶粒尺寸，US4897360），退火后应变纯多晶硅是由Henry Guckel教授（美国威斯康星州）主张，而较大的颗粒，掺杂应力控制多晶硅是由加州大学伯克利分校集团所提倡。 5.应用在一个角度看，MEMS的应用是按使用类型分类:传感器执行器结构在另一个角度来看，MEMS的应用是按应用领域（包括商业应用）来分类:喷墨打印机，它使用压电和热气泡喷射使油墨沉积在纸张上。在现代汽车中，加速度计有很多目的，包括安全气囊在碰撞时的部署。加速度计，用于在消费电子设备如游戏控制器（任天堂Wii），个人媒体播放器/手机（苹果iPhone，诺基亚手机的各种型号，各种型号的PDA宏达）和数码相机（佳能数字 IXUS不同型号）。也可用于个人电脑的自由落体检测，停止硬盘磁头，以防止损坏和数据丢失。 MEMS陀螺仪用于现代汽车和其他应用程序来检测偏航，例如，部署比杆辊或触发动态稳定控制。硅压力传感器，如汽车轮胎压力传感器，一次性血压传感器。显示，例如，在一台基于DLP技术投影机上的DMD芯片有一个几十万微镜的表面光学交换技术，用于交换技术和数据通信对齐。生物MEMS在医疗卫生的应用，涉及了实验室平台芯片至微总计分析（生物传感器，化学传感器）的相关技术。干涉测量调制器显示器（IMOD）在消费电子产品中（主要用于移动设备的显示器），用于在mirasol显示器中创建干涉调制 - 反射式显示技术。拥有强大MEMS的公司，规模有大有小。规模大的公司专门为终端市场如汽车，生物医药，电子等生产大批量廉价的组件或打包的解决方案。而成功的小企业则靠提供创新解决方案和吸收高利润的定制制造费用来获利。此外，大型和小型公司都致力于研究与开发，来探索MEMS技术。6.产业结构微机电系统，包括如汽车安全气囊系统，显示系统和喷墨墨盒产品，在SEMI和Yole发展署的研究报告，“全球微机电/微系统的市场和机会”，全球市场总额在2006年为400亿美元，而且预计到在2011年达到720亿美元。MEMS设备被定义为第一级封装芯片级元件，包括压力传感器，加速度计，陀螺仪，麦克风，数字镜面显示器，微流体器件等。2006年，用于制造MEMS设备的材料和设备在全球范围内突破10亿美元。材料需求主要由基板影响，基板占市场超过70%，包装涂料，增加化学机械平坦化（CMP）的使用。虽然MEMS制造将继续由二手半导体设备为主，有一个200毫米线迁移，并选择新的工具，包括为某些MEMS应用的蚀刻和粘接。