微细加工与MEMS技术-张庆中-19-微机电系统.ppt

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1、第第19章章 微机电系统（微机电系统（MEMS）利用集成电路制造工艺中的加工方法，可以在硅材料上制利用集成电路制造工艺中的加工方法，可以在硅材料上制作极其微小的机械装置。这些机械装置主要可分为传感器和执作极其微小的机械装置。这些机械装置主要可分为传感器和执行器两大类。如果将它们与集成电路做在一起，就可制成包括行器两大类。如果将它们与集成电路做在一起，就可制成包括传感器、控制器和执行器在内的微型智能电子机械系统。这就传感器、控制器和执行器在内的微型智能电子机械系统。这就是是 MEMS（Microelectronmechanical System）技术。技术。19.1 硅基微型机构的优点硅基微型机

2、构的优点 一、机械的小型化和轻量化一、机械的小型化和轻量化一、机械的小型化和轻量化一、机械的小型化和轻量化 节约材料和能源；惯性小，因而灵敏度高、频率高；热容节约材料和能源；惯性小，因而灵敏度高、频率高；热容量小；等等。在医疗与军事等领域有巨大的应用前景。量小；等等。在医疗与军事等领域有巨大的应用前景。二、高效的加工和装配二、高效的加工和装配二、高效的加工和装配二、高效的加工和装配 采用集成电路制造工艺中的加工方法，可以大批量生产，采用集成电路制造工艺中的加工方法，可以大批量生产，且均匀性重复性好。且均匀性重复性好。三、与三、与三、与三、与 ICIC 制造相兼容制造相兼容制造相兼容制造相兼容

3、可以很方便地与控制电路集成在一起，形成微型的智能化可以很方便地与控制电路集成在一起，形成微型的智能化机械系统。机械系统。四、单晶硅有良好的机械性能四、单晶硅有良好的机械性能四、单晶硅有良好的机械性能四、单晶硅有良好的机械性能 单晶硅的弹性系数与破坏应力大体和钢接近，不产生塑性单晶硅的弹性系数与破坏应力大体和钢接近，不产生塑性形变，直到被破坏为止都有弹性。唯一的缺点是比较脆。形变，直到被破坏为止都有弹性。唯一的缺点是比较脆。19.2 硅基微型机构的加工制造技术硅基微型机构的加工制造技术 一、体硅腐蚀技术一、体硅腐蚀技术一、体硅腐蚀技术一、体硅腐蚀技术 这种技术是在空间的三个维度上将硅衬底的大部分

4、腐蚀掉，这种技术是在空间的三个维度上将硅衬底的大部分腐蚀掉，只留下选定的区域，以形成最终的单晶硅结构。只留下选定的区域，以形成最终的单晶硅结构。这种技术的基础是这种技术的基础是，在某些腐蚀液中，单晶硅的腐蚀速率，在某些腐蚀液中，单晶硅的腐蚀速率在不同方向上具有各向异性。常用的体硅腐蚀液有在不同方向上具有各向异性。常用的体硅腐蚀液有 KOH 溶液和溶液和乙二胺邻苯二酚（乙二胺邻苯二酚（EDP）等。它们对硅（等。它们对硅（111）面的腐蚀速率比）面的腐蚀速率比对（对（100）面和（）面和（110）面的低）面的低 1 到到 2 个数量级。其中个数量级。其中 KOH 溶液溶液无毒，装置简单，腐蚀质量好

5、，操作容易。但缺点是无毒，装置简单，腐蚀质量好，操作容易。但缺点是 K+离子的离子的沾污会影响器件性能，因此与沾污会影响器件性能，因此与 IC 制造工艺不相容。制造工艺不相容。利用体硅腐蚀技术可形成硅杯、硅膜片和利用体硅腐蚀技术可形成硅杯、硅膜片和 SiO2 悬臂梁等。悬臂梁等。MEMS 元件的尺寸控制元件的尺寸控制 利用体硅腐蚀技术制造的利用体硅腐蚀技术制造的 MEMS 元件，其横向尺寸取决于元件，其横向尺寸取决于光刻，可以控制得非常精确。但是其深度方向上的尺寸由湿法光刻，可以控制得非常精确。但是其深度方向上的尺寸由湿法腐蚀决定，因此比较难控制。体硅腐蚀技术中控制腐蚀深度的腐蚀决定，因此比较

6、难控制。体硅腐蚀技术中控制腐蚀深度的方法，称为腐蚀终止技术，主要有以下方法，称为腐蚀终止技术，主要有以下 5 种：种：1、定时腐蚀、定时腐蚀 2、V 形槽的各向异性腐蚀形槽的各向异性腐蚀 3、P+掺杂层自停技术掺杂层自停技术 4、电化学自停技术、电化学自停技术 5、高密度、高密度 RIE（HDP RIE）刻蚀技术）刻蚀技术 1、定时腐蚀、定时腐蚀 最简单的方法就是靠时间和经验来控制腐蚀的终止，但这最简单的方法就是靠时间和经验来控制腐蚀的终止，但这种方法的精度最差，且有负载效应。种方法的精度最差，且有负载效应。2、V 形槽的各向异性腐蚀形槽的各向异性腐蚀 3、P+掺杂层自停技术掺杂层自停技术表面

7、掺硼表面掺硼背面氧化背面氧化N-Si背面光刻背面光刻腐蚀硅腐蚀硅P+掺杂层掺杂层 4、电化学自停技术、电化学自停技术 对对 N 型硅加上相对于腐蚀液为正的偏置电压，将阻止型硅加上相对于腐蚀液为正的偏置电压，将阻止 N 型型硅的腐蚀。硅的腐蚀。KOH 腐蚀液腐蚀液 5、高密度、高密度 RIE（HDP RIE）刻蚀技术）刻蚀技术 利用利用 RIE 刻蚀技术可实现与晶面无关的各向异性刻蚀。现刻蚀技术可实现与晶面无关的各向异性刻蚀。现已可获得深宽比达已可获得深宽比达 30 以上的坑槽。但由于刻蚀速率很慢，通常以上的坑槽。但由于刻蚀速率很慢，通常用于小区域上的各向异性刻蚀。用于小区域上的各向异性刻蚀。利

8、用体硅腐蚀技术形成的硅杯、硅膜片和利用体硅腐蚀技术形成的硅杯、硅膜片和 SiO2 悬臂梁悬臂梁 二、表面加工技术二、表面加工技术二、表面加工技术二、表面加工技术 采用与集成电路制造工艺相似的各种标准加工工艺，如薄采用与集成电路制造工艺相似的各种标准加工工艺，如薄膜淀积、光刻等。其中最重要的一种加工技术称为膜淀积、光刻等。其中最重要的一种加工技术称为“表面牺表面牺牲层腐蚀技术牲层腐蚀技术”，可在硅片表面制作可动的机械结构。这种可在硅片表面制作可动的机械结构。这种技术利用不同材料在同一腐蚀液中腐蚀速率的巨大差异，将已技术利用不同材料在同一腐蚀液中腐蚀速率的巨大差异，将已按一定形状和顺序叠加在一起的

9、多层薄膜材料中的一层选择性按一定形状和顺序叠加在一起的多层薄膜材料中的一层选择性地去掉，从而得到所需的结构。被去掉的这一层即称为表面牺地去掉，从而得到所需的结构。被去掉的这一层即称为表面牺牲层。常用的慢腐蚀材料有牲层。常用的慢腐蚀材料有 Si 和和 Poly-Si，牺牲层材料有，牺牲层材料有 CVD SiO2、PSG、Al 和和 PMMA。腐蚀液为腐蚀液为 HF 溶液。溶液。利用这种技术可制作利用这种技术可制作 Poly-Si 膜片、悬臂梁和轴承等。膜片、悬臂梁和轴承等。淀积与光淀积与光刻刻 PSG-1 与与 Poly-Si-1淀积与光淀积与光刻刻 PSG-2淀积与光淀积与光刻刻 Poly-S

10、i-2腐蚀掉全部腐蚀掉全部 PSG 固定轴（固定轴（Poly-Si-2）旋转臂（旋转臂（Poly-Si-1）加速度计市场是应用加速度计市场是应用 MEMS 的最好范例。许多公司都是从的最好范例。许多公司都是从开发加速度计而进入开发加速度计而进入 MEMS 领域的。领域的。MEMS 加速度计现在已加速度计现在已是成熟商品，并在市场中占绝对的支配地位。是成熟商品，并在市场中占绝对的支配地位。MEMS 加速度计加速度计的一个重要应用是在汽车安全气囊系统中。各公司制作这种加的一个重要应用是在汽车安全气囊系统中。各公司制作这种加速度计的具体工艺各不相同。下图的加速度计是由以体硅腐蚀速度计的具体工艺各不相

11、同。下图的加速度计是由以体硅腐蚀技术加工的多层硅片迭加而成。加速度使硅质量块移动，从而技术加工的多层硅片迭加而成。加速度使硅质量块移动，从而改变应变电阻的值。通过测量电阻值的改变可换算出加速度。改变应变电阻的值。通过测量电阻值的改变可换算出加速度。19.3 应用实例应用实例硅硅质量块质量块应变应变电阻电阻 一、加速度传感器一、加速度传感器 MEMS 较早进入且现已占据支配地位的另一个领域是压力较早进入且现已占据支配地位的另一个领域是压力传感器传感器。压力传感器的工作原理与加速度传感器类似，也是由。压力传感器的工作原理与加速度传感器类似，也是由压力造成的形变使应变电阻值发生改变。与加速度传感器不

12、同压力造成的形变使应变电阻值发生改变。与加速度传感器不同的是，由于质量块需感受压力，因而不能密封。当质量块仅一的是，由于质量块需感受压力，因而不能密封。当质量块仅一侧开放时，称为绝对压力传感器；当质量块两侧均开放时，称侧开放时，称为绝对压力传感器；当质量块两侧均开放时，称为相对压力传感器。下图是一种相对压力传感器的芯片剖面图。为相对压力传感器。下图是一种相对压力传感器的芯片剖面图。应变电阻应变电阻硅硅膜片膜片硅硅质量块质量块玻璃底座玻璃底座 二、压力传感器二、压力传感器 原子力显微镜和原子力显微镜和扫描隧道显微镜的探扫描隧道显微镜的探针几乎都是用针几乎都是用 MEMS 工艺制作的。工艺制作的。

13、要求探要求探针具有很好的形状和针具有很好的形状和非常软的悬挂架，典非常软的悬挂架，典型的探针悬挂材料是型的探针悬挂材料是氮化硅。氮化硅。MEMS 技术技术是满足这一要求的唯是满足这一要求的唯一可行方案。一可行方案。氮化硅氮化硅悬梁悬梁微探针微探针 带电极和信号处理极的微探针可以插入大脑中测量电信号。带电极和信号处理极的微探针可以插入大脑中测量电信号。能够抓住并移动细胞的尖能够抓住并移动细胞的尖 MEMS 手有可能应用于最小的显微外手有可能应用于最小的显微外科手术中，以减少病人的痛苦和缩短伤口愈合时间。科手术中，以减少病人的痛苦和缩短伤口愈合时间。三、微探针三、微探针 四、微活页四、微活页 19

14、88年，美国加州大学首次研制成功硅基微静电马达，转年，美国加州大学首次研制成功硅基微静电马达，转子直径为子直径为 120m，转速为，转速为 600 rpm。这成为。这成为 MEMS 发展史上的发展史上的一个重要里程碑。在这之后，一个重要里程碑。在这之后，MIT 和威斯康星大学研制成功的和威斯康星大学研制成功的硅基微静电马达转速分别达到了硅基微静电马达转速分别达到了 10000 rpm 和和 33000 rpm。转子转子转子转子定子定子AABBCCVAVBVCttt 五、微静电马达五、微静电马达 六、单向阀六、单向阀 由两个单向阀、一个压电动作器和可动膜片可构成微型泵。由两个单向阀、一个压电动作器和可动膜片可构成微型泵。这种泵已可实际使用，但还需改进，如提高压力容限、降低泄这种泵已可实际使用，但还需改进，如提高压力容限、降低泄漏率等。漏率等。压电压电晶体晶体 七、微量流体控制系统中的泵七、微量流体控制系统中的泵