与微制造优秀PPT课件PPT课件

1、2021/4/19,1,第4章 新一代制造技术,2021/4/19,2,4.1MEMS与微制造,2021/4/19,3,六英寸的飞机,2021/4/19,4,44克的小飞机,2021/4/19,5,六英寸直升机（HR-1)_1,2021/4/19,6,微型涡喷发动机_1,2021/4/19,7,微型涡喷发动机_2,2021/4/19,8,大小：55 10mm,2021/4/19,9,4.1MEMS与微制造,MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的缩写。即微 机电系统,它是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技

2、术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它包括感知和控制外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的电路。,美国：MEMSMicroElectroMehanical System 欧洲：Micro System 日本：Micro Machine 其它：Micro 处理电路对信号进行放大、转换、计算等处理,并对微执行器发出指令;微执行器根据指令对外部发生动作。,2021/4/19,24,Figure 2. (a) A MEMS silicon motor together with a strand of human hair , and (b)the legs

3、of a spider mite standing on gears from a micro-engine.,2021/4/19,25,4.1.2MEMS的特征,MEMS的制作主要基于两大技术：IC技术和微机械加工技术。与传统的微电子和机械加工技术相比，MEMS技术具有以下几个显著的特点： （1）微型化 MEMS技术已经达到微米乃至亚微米量级，利用MEMS技术制作的器件具有体积小、耗能低、惯性小、频率高、响应时间短等特点，可携带性得以提高。 （2）集成化 微型化利于集成化，把不同功能、不同敏感方向和制动方向的传感器、执行器集成于一体，形成传感器阵列，甚至可以与IC 一起集成为更复杂的微系统。

4、,2021/4/19,26,（3）以硅为基本材料 主要有晶体硅和氮化硅等。力学特性良好，具有高灵敏性，强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度同铝，仅为钢的三分之一，热传导率接近铜和钨。 （4）生产成本低 在一个硅片上可同时制作出成千上万的微型部件或MEMS，制作成本大幅度下降，有利于批量生产。,4.1.2MEMS的特征,2021/4/19,27,4.1.3MEMS的研究领域,微电子机械系统(MEMS) 技术基于微电子和微机械的有机集成,涉及微电子学、微机械学、微材料学、微摩擦学、微电磁学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学、自动控制、物理、化学及生物医学等多个学科的研究领域 ,集约了各学科前沿

5、领域研究的新技术、新成果,和纳米科学技术(NST) 一起被列为21 世纪关键技术之首。,概括起来，MEMS研究可以分为理论基础、技术基础以及应用领域3个主要组成部分。,2021/4/19,28,基础理论 在微观领域，许多物理现象同宏观领域相悖，这可由尺寸效应来解释。 尺寸效应：当物体的尺寸L改变时，种种的物理量比例于而变化的现象。 例，蒲公英的种子或灰尘的下落； 潜水艇的反作用的惯性力的推动。 热交换和化学反应 煮萝卜，铁粉的燃烧。 微机械常用材料、微构造的机械特征、微构造的振动特性、微构造的热特性、微机械的驱动原理等。,2021/4/19,29,2.技术基础 (1)微系统设计技术；计算机辅助

6、设计（CAD）是微系统设计的主要工具。 (2)微细加工技术；是微机电系统技术的核心技术。 (3)微机械材料；包括用于敏感元件和致动元件的功能的材料、结构材料，具有良好电气、机械性能，适应微型加工要求的材料。 (4)微系统测量技术；涉及材料的缺陷、电气机械性能、微结构、微系统参数和性能测试。在测量的基础上，建立数学、力学模型 (5)微系统的集成和控制。包括系统设计、微传感器和微执行器与控制、通信电路以及微能源的集成等。,2021/4/19,30,3.应用领域 微传感器、微致动器是构成微机电系统的基础。 1.微传感器 微传感器是MEMS最重要的组成部分。1962年第一个硅微型压力传感器后，微传感器

7、得到了迅速的发展，同时MEMS技术的应用又使传感器的性能提高了几个数量级。如今，微传感器主要包括以下几种：面阵触觉传感器、谐振力敏传感器、微型加速度传感器以及真空微电子传感器等。已经研究或形成的器件主要有：力、加速度、速度、位移、pH值、微陀螺、触觉传感器等。其中，微压力传感器是利用机械结构的固有频率在外力作用下其频率发生变化来检测外力的，它将被用在未来机器人的人造皮肤上，使机器人具有敏锐的触觉，机器人的四肢将变得和人的四肢一样灵巧。微型加速度传感器采用电阻热激振、压阻电桥同步枪测的方法来获得信号输出。汽车安全气囊的核心部件就是微型加速度传感器，另外，未来机器人的运动平衡系统也将用到这种传感器

8、，使其运动像人一样稳健和灵活。,2021/4/19,31,传感器,位置传感器 電位計,直線式電位計,2021/4/19,32,传感器 (續),位置传感器 電位計,轉動式電位計,2021/4/19,33,传感器 (續),位置传感器 編碼器,直線式編碼器,2021/4/19,34,位置传感器 編碼器,轉動式編碼器,传感器 (續),2021/4/19,35,溫度传感器 熱敏電阻,橋式溫度感測電路,传感器 (續),2021/4/19,36,溫度传感器 半導體溫度感測器,電流型之積體電路溫度感測電路,传感器 (續),2021/4/19,37,力量传感器 典型之力量量測通常以4個應變規(strain ga

9、ge)貼於如圖所示之待測物件上。,力量传感器,传感器 (續),2021/4/19,38,力量传感器,力量传感器等效電路,传感器 (續),2021/4/19,39,光度传感器 最常用之光度感測元件為光電晶體，輸出電流IC與入射光之能量成正比，而入射光之能量又可以LED之光電流IP來表示，量測IC即可求出光之照度。,传感器 (續),光電晶體等效電路,2021/4/19,40,2.微致动器 电子式能量转换器之一，其功能是将电能转换成物理量。 微致动器主要种类有:微机电、微开关、微谐振器、微阀门和微泵等。微执行器的驱动力主要有静电、压力、电磁和热。如以静电作为动力的微执行器,用静电间的吸引力,改变极间

10、的电压就可以推动某一板做机械运动。进一步将微型执行器分布成阵列,系列化可以做很多事,如物体的搬运、定位等。 2003 年MEMS 会议上,瑞士的L. Dellman 报道了一种用于手表的微型机械加工压电弹力电机,力距高达1N. m ,而功率仅10W。,2021/4/19,41,常用物理量与致动器之对照表,2021/4/19,42,2021/4/19,43,步進馬達 當CC激能時，轉子順時針轉15，若DD接著激能，則轉子再順時針轉15。,致動器 (續),四相單極步進馬達,2021/4/19,44,4.1.4MEMS的设计技术,微机电系统的设计加工与传统的设计加工不同，传统的设计加工思路是从零件到

11、装配最后到系统，是自下而上的方法；微机电系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的，是一种自上而下的方法。 微系统的设计技术主要是设计方法的研究，其中计算机辅助设计（CAD）是微系统设计的主要工具。,2021/4/19,45,Unfortunately, to date there is a lack of adequate advanced software based design tools to fully model, analyse and simulate MEMS microstructures as we

12、ll as integrated MEMS/IC devices. This has acted as a barrier to the development of MEMS devices and systems.,One of the most successful and commercially available software design tools today is MEMCAD, a package fro Microcosm Technologies in North Carolina, USA.,2021/4/19,46,MEMS的迅猛发展对其测试系统提出了很高的要求

13、，MEMS器件除了电子系统外，还包含了非电子系统。对MEMS除了进行相关的电子学测试外，还应包括微机械结构和形貌测试，微机械力学与动态特性测试，微机械系统中热学特性测试，微机械光学特性测试等。因此，MEMS的测试要比集成电路测试更为复杂。MEMS测试系统对精密光学制造，高精度的光电传感器，精密机械的加工，精细控制，微弱信号的变换与检测等提出了很高的要求。 目前，MEMS测试技术的研究在国际上已引起了高度重视，针对不同的MEMS器件和应用目的，已经研制开发出一些有实用价值的测试仪器，如美国Sandian国家实验室研究的MEMS器件可靠性测试系统，麻省理工学院的Freeman教授领导研究的基于计算

14、机视觉的MEMS测试系统。,4.1.5MEMS的测量技术,2021/4/19,47,4.1.5MEMS的测量技术,涉及几何量、力学量、电磁量、光学量和声学量的检测。 1. MEMS用材料性能测试； 包括MEMS用结构与功能材料性能的测试，应研究的方向包括：评估方法怀标准，功能材料专项性能测试技术，关键功能材料性能测试仪器与手段。 2.MEMS产品加工过程参数测试； 包括相关的电路测试技术研究，三维结构形貌与尺寸测试技术，微观机械特性测试技术，表面膜结构与性能测试技术。 3.MEMS芯片基本功能测试。 包括芯片级微机械动态船尾测试技术、微机械光学测试技术、微机械力学特性测试技术、微机械结构分析技

15、术等专用测试技术。,2021/4/19,48,4.1.6MEMS的加工,传统的制造业依赖大量的关键机械设备和有关的工艺，这些设备和工艺已有几十年甚至上百年的历史了。例如铸造、锻造、车削、磨削、钻孔和电镀等均是一个综合的制造环境所必不可少的。这些设备和工艺与大量的其它物理和化学手段及工艺均用作制造环境的基础，它们在半导体产业中均具有其相应的替代技术。 光学光刻，耦合等离子刻蚀，金属的溅射涂覆，金属的等离子体增强化学汽相淀积和介质隔离以及在掺杂工艺中的离子注入和衬底处理，现都已成为集成电路制造中的常规工艺。基于电子束制版和光学投影光刻及电子束直写光刻这种基本的图形加工技术现已成为先进的纳米尺寸作图

16、技术的主要角色。上述的这些设备和技术以及一些还未流行的设备的工艺目前正被用于MEMS的纳米技术制造，且成为微时代的微机械加工设备，,2021/4/19,49,电子束光刻大规模集成电路加工过程, 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）,2021/4/19,50,从工艺上讲，MEMS的制造技术分为部件及子系统制造工艺和封装工艺，前者包括半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等；后者包括硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯片组件工艺等。 MEMS与微电子系统比较，区别在于其包含有微传感器、微执行器、微作用器、微机械器件等的子系统，相

17、对静态微器件的系统而言，MEMS的加工技术难度要高。 MEMS加工技术是在硅平面技术的基础上发展起来的，虽然历史不长，但发展很快，已成为当今最重要的新技术之一。从目前应用来看，其加工技术主要可分为硅基微机械加工技术和非硅基微机 械加工技术。,2021/4/19,51,制作MEMS的技术主要有三种。第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造出小机器，再利用小机器制造出微机器的方法；第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件；第三种是以德国为代表的LIGA(LIGA是德文Lithograpie光刻、Galvanoformung电铸和

18、Abformung塑铸三个词的缩写)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。,2021/4/19,52,第二种方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。由于利用LIGA技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，而且利用该技术可以得到高深宽比的精细结构，它的加工深度可以达到几百微米，因此LIGA技术也是一种比较重要的MEMS加工技术。,2021/4/19,53,硅微机械加工工艺有很多种，传统上往往将其分为体硅加工(bulk micromachining)工艺和表面硅加工(surface micr

19、omachinig)工艺两种。前者一般是对体硅进行三维加工，以衬底单晶硅片作为机械结构；后者则利用集成电路工艺相似的平面加工手段，以硅(单晶或多晶)薄膜作为机械结构。然而，由于当前硅微机械加工工艺飞速发展，不断有新的工艺方法出现，许多工艺方法可以同时用于体加工和平面加工，有些方法则兼具体加工和表面加工的特点，很难给予确切的分类。,硅基微机械加工技术,2021/4/19,54,目前正在使用的硅基微机械加工技术有三种：体硅体微机械加工、表面微机械加工、复合微机械加工。,硅基微机械加工技术,（1）体硅微机械加工 体硅微加工技术是以整体的单晶硅材料作为加工对象，采用除去加工（腐蚀）、附着加工（镀膜）、

20、改质加工（掺杂）和结合（键合）加工等工艺，在硅体上有选择性地去除或附着一部分材料，从而获得所需的微结构。 硅体微机械加工最为常用的方法是利用硅的各向异性的特点所进行的腐蚀技术。腐蚀技术是加工传感器的最基础、最关键的技术，它通常有两种：干法腐蚀和湿法腐蚀。,2021/4/19,55,湿法腐蚀是最早应用于IC 和MEMS的技术1970,各向同性腐蚀各方向上有相同的腐蚀速率 HNA：HF+HNO3+H2O +HAC（CH3COOH）,各向异性腐蚀腐蚀速率依赖于单晶晶向 KOH+肼（联胺） 乙二胺+邻苯二酚（EDP） 沿特定晶向腐蚀,通常腐蚀是在有掩膜条件下进行，或结合自停止腐蚀技术完成，以获得所需图

21、形,（1）体硅微机械加工 湿法腐蚀工艺,2021/4/19,56,机理：电化学反应（氧化还原反应） 硅片表面存在微观的阴极、阳极； 在阳极发生氧化，阴极还原,腐蚀机理 空穴到达半导体表面；Si+2H+Si2+ 吸附来自水中的OH-： Si2+ + 2OH-Si（OH）2 Si（OH）2与溶液中的络和剂反应 副产物在腐蚀剂中溶解,2021/4/19,57,硅的各向同性腐蚀：,作用：去除表面损伤 在单晶硅上构造结构 清洗炉管,常用腐蚀剂：HNA HF+HNO3+H2O（HAC）,2021/4/19,58,反应过程：,Si+2H+Si2+ Si2+ + 2OH-Si（OH）2 氢被释放形成SiO2

22、HF溶解SiO2形成水溶液H2SiF6,Si+HNO3+6HF=H2SiF6+H2NO2+H2O+H2,2021/4/19,59,H2O、HAC的作用：稀释剂或缓冲剂,HAC的作用是控制HNO3的溶解度，在使用时间内使氧化速率保持常数（H+的固容度一定）,2021/4/19,60,不同组分对腐蚀速率的影响：,HF高、HNO3低 腐蚀速率由HNO3浓度控制 开始阶段困难，易变，在一定周期内硅表面缓慢生长氧化层，腐蚀受氧化-还原反应控制，趋于依赖晶向,HF低、HNO3高： 腐蚀速率受HF溶解形成的SiO2的速率控制 反应有自钝化特点，表面覆盖SiO2（3050A） 基本限制来自去除硅的复合物 腐蚀

23、各向同性、抛光作用,2021/4/19,61,HF：HNO3=1：1,与稀释剂有关 稀释剂低于10%，对其不敏感 稀释剂10%30%，随稀释剂速率增加降低 稀释剂高于30%，微小的浓度变化导致腐蚀速率很大变化,多种比例可供选择，用于腐蚀硅,HF溶液对硅也有溶解作用，但速率很慢，小于1A/Min,2021/4/19,62,各向异性化学腐蚀,对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率,有机腐蚀剂： EPW（乙二胺+邻苯二酚+H2O），联胺 无机腐蚀剂： 碱性腐蚀液（KOH，NaOH，LiOH，CsOH，NH4OH）,重点KOH，EPW，TMAH,2021/4/19,63,KOH腐蚀系统：KOH+H2O+IP

24、A（CH3）2CHOH,腐蚀原理：,无IPA：Si+H2O+2KOH=K2SiO3+2H2,有IPA：KOH+H2O=K+2OH-+H+ Si+ 2OH-+ H2O=Si（OH）6-2氧化为含水化合物 Si（OH）6-2+6 （CH3）2CHOH =Si（OC3H7）6-2+6H2O 络化反应,即：KOH将硅氧化成含水硅化物；与IPA反应生成可溶硅络合物,2021/4/19,64,EPW腐蚀系统：乙二胺（NH2（CH2）2NH2） E 邻苯二酚（C6H2（OH）2） P 水 W,反应： 电离： NH2（CH2）2NH2+H2ONH2（CH2）2NH3+（OH)- 氧化还原：Si+2 (OH)-

25、 +4H2OSi(OH)6=+2H2 络合过程： Si(OH)6=+ C6H2（OH）2Si(C6H4O2)3=+6H2O,乙二胺，水：氧化； 邻苯二酚：络合,2021/4/19,65,反应装置：,反应温度：115度，低温下将在硅表面产生不可溶解的残留物，使表面粗糙 带回流：防蒸发 带搅拌 有毒,2021/4/19,66,择优机理：,与晶体结构有关 与不同晶向的悬挂键有关 与背键有关,通常111面腐蚀速率最慢， 与100比可达100：1,2021/4/19,67,湿腐蚀,Figure 19. Isotropic etching with (a) and without (b) agitatio

26、n, and anisotropic wet etching of (100) and (110) silicon (c and d respectively) .,2021/4/19,68,干法腐蚀工艺 是靠腐蚀剂的气态分子与被腐蚀的样品表面接触来实现腐蚀功能的。,2021/4/19,69,器件加工对刻蚀工艺的需求,MEMS器件的特点要求获得尺寸精确的大质量块 湿法腐蚀的缺陷 有毒、腐蚀性腐蚀液，污染废料 操作周期长（腐蚀+清洗） 侧向钻蚀，难于精确控制 难获得任意图形垂直侧壁 对掩膜要求高，限制了使用范围,干法腐蚀工艺 是靠腐蚀剂的气态分子与被腐蚀的样品表面接触来实现腐蚀功能的。,2021

27、/4/19,70,等离子体腐蚀：低压（10-41Torr）放电所产生的离子、电子和中子组成的部分离化的气体及自由原子团，同固体表面所产生的物理、化学作用,等离子体刻蚀的种类： RIE、离子束铣等,反应气体： RIE：SF6、CCl4、Cl2、BCl3等 离子铣：Ar+等惰性气体,2021/4/19,71,等离子体的产生：,气体加电场后击穿，自由电子获得能量后与气体分子碰撞（弹性或非弹性）： （1）气体分子电离，发射二次电子，继续碰撞 （2）没有使气体电离，而是使分子分裂或使分子（原子）中的电子激发到较高的状态，向较低电子态驰豫时发射光子，产生辉光 分子分裂物常为高活性的原子或自由原子团游离基

28、同时存在电子与离子的复合过程，达到平衡，放电就达到自持稳定 等离子体就是由正离子、负离子、自由电子等带电粒子，以及不带电的中性粒子如激发态分子、自由基等组成的气体。可看作由冷介质内活性很高的粒子组成，在固体表面进行物理、化学反应完成腐蚀 等离子体正负电荷相等，等离子体导电,2021/4/19,72,深反应刻蚀：,高深宽比刻蚀（DRIE）依赖于高密度等离子源以及刻蚀、钝化工艺交替来实现。高密度等离子源产生于电感耦合或ECR 可实现的指标： 深宽比： 30：1（902o） 对胶选择比： 50100：1 对SiO2选择比： 120200：1 腐蚀速率： 23微米/分,2021/4/19,73,Fig

29、ure 20. Deep Reactive Ion Etching (DRIE).,2021/4/19,74,干法深刻蚀工艺,2021/4/19,75,干法深刻蚀工艺,2021/4/19,76,（2）表面硅微机械加工技术 这种技术是利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置，被加工的微机械装置一般包括一层用作电连接的多晶硅层和一层或多层的机械加工多晶层，由它们形成各种机械部件，如悬臂梁、弹簧、联动杆等。由于整个工艺都基于集成电路制造技术，因此可以在单个直径为几十毫米的单晶硅基片上批量生成数百个微机械装置。 这种技术的最大优点是在与IC工艺完全兼容，但是，它制造的机械结构基本上都是二维的，若利用多

30、层加工，也可制造结构复杂，功能强大的MEMS系统，但是微型元件的布局平面化和残余应力等问题必须在设计中予以考虑。,2021/4/19,77,Figure 21. Surface micromachining of a cantilever beam using a sacrificial layer.,2021/4/19,78,Figure 22. Surface micromachining of a MEMS micromotor using the Multi-User MEMS Process (MUMPS).,2021/4/19,79,（3）固相键合技术 固相键合技术是指不用液态粘连

31、剂而将两块固体材料键合在一起，而且键合过程中材料始终处于固相状态的一种加工方法，主要包括静电键合和直接键合两种。静电键合（又称阳极键合）主要用于硅玻璃键合，可以使硅与玻璃两者表面之间的距离达到分子级。直接键合技术主要用于硅硅键合，它可以将两种高度抛光的硅晶片在没有外加电场的情况下进行永久性键合。,2021/4/19,80,键合工艺,键合：静电键合、热键合、“复合”键合,键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接”,不同的键合方式，键合原理不同,2021/4/19,81,键合工艺,静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、合金、半导体与玻璃键合,原理： 硼硅玻璃

32、、磷硅玻璃在一定温度下软化，行为类似电解质，外加电压下，正离子（Na）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区，外加电压落于空间电荷区，漂移停止 如硅接阳极，玻璃接阴极，硅玻璃接触，在界面形成的负空间电荷区与硅发生化学反应，形成化学键Si-O-Si，完成键合 可通过检测电流监测键合是否完成,2021/4/19,82,键合工艺,工艺及工艺参数的影响,温度： 低温：没有导电电流，键合无法进行 高温：玻璃软化，无法键合 一般：180500度,电压： 低压；静电力减弱，无法键合 高压：击穿玻璃 一般：2001000伏,2021/4/19,83,键合产生的应力：热膨胀系数相近、热匹配 电极形状：点接触、平行板电

33、极 非导电绝缘层的影响；减弱静电力，460nm后，键合失效 表面粗糙度的影响 极化区中残余电荷的作用；键合完成后在极化区内残余的电荷形成静电力，加强键合,2021/4/19,84,键合工艺,热键合：高温处理后，硅片直接键合在一起。Lasky提出 硅直接键合（SDB） 硅熔融键合（SFB） 直接样品键合（DWB）,工艺： OH-浸泡处理 表面帖合 高温处理,2021/4/19,85,原理：三个阶段,室温200度：表面吸附的OH根在接触区产生氢键，随温度增高，OH根得到热能增大迁移率，氢键增多，硅片产生弹性形变，键合强度增加。在200400度间，形成氢键的两硅片的硅醇键聚合反应，产生水合硅氢键，键

34、合强度迅速增大 Si-OH+HO-SiSi-O-Si+H2O 500800度：水基本不扩散，OH根破坏桥接氧原子的一个键，使之转换为非桥接氧原子，使键合面带负电荷 HOH+ Si-O-Si2H+2Si-O- 800度以上：水扩散显著，间隙和空洞中的水扩散到氧化硅中，产生局部真空空洞，硅片发生塑性形变消除空洞。SiO2产生粘滞流动，消除微间隙。大于1000度后，临近原子相互反应产生共价键，键合完成,2021/4/19,86,键合工艺,工艺及参数影响,表面处理的作用：吸附OH根很关键 NH4OH、H2SO4、等离子体处理 温度的影响； 与温度有关的孔洞；沾污碳氢化合物随温度生高（200800度）释

35、放产生孔洞，大于1100高温退火或先800度退火处理可消除 键合强度：随温度生高增加 界面氧化层的稳定：三种机制解释 表面平整度： 沾污粒子：1微米粒子产生4。2mm孔洞,足够清洗、超净环境、平整表面、高温处理、,2021/4/19,87,Figure 23. Formation of sealed cavity using fusion bonding,2021/4/19,88,LIGA工艺,LIGALithographie Galvanoformung Abformung X射线曝光、微电铸、微铸塑,起源：1986年，德国,特点：高深宽比（1微米宽，1000微米深） 需要功率强大的回旋加速

36、器产生的软X射线作光源 掩膜版要求高、成本高 难于与IC集成制作,2021/4/19,89,1）以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体； 2）用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型； 3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。,LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序（图7-58）：,2021/4/19,90,图7-59 LIGA工作现场,2021/4/19,91, LIGA特点,用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等 可以制作高度达0.10.5mm，高宽比大于200的三维微

37、结构（图7-60），形状精度达亚微米, LIGA代表产品及应用,微传感器、微电机、微机械零件、微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械等 广泛应用于加工、测量、自动化、电子、生物、医学、化工等领域,可以实现大批量复制，成本较低,2021/4/19,92,2.LIGA加工技术 LIGA加工技术包括三个基本步骤，即借助于同步辐射X光实现深层光刻，将样品浸入电解液中在凹槽处电镀金属以及去除光刻胶和隔离层，制造微塑注模进行微复制注塑成形的微电铸技术。这种技术能实现高深宽比的三维结构，其关键是深层光刻技术。为实现高深宽比，纵向尺寸达到数百微米的深度刻蚀，并且侧壁光滑，垂直，一方面需要高强度，平行

38、性很好的光源，这样的光源只有用同步辐射X光才能满足；另一方面要求用于IIGA技术的抗蚀剂必须有很好的分辩力，机械强度，低应力，同时还要求基片粘附性好。LIGA技术的最大优势在于： (1)深宽比大，准确度高。所加工的图形准确度小于05 u m，表面粗糙度仅10 nm，侧壁垂直度899。，纵向高度可达500 u m以上： (2)用材广泛。从塑料(PMMA、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等)到金属(Au、Ag、Ni、Cu)到陶瓷(ZnO)等，都可以用IJGA技术实现三维结构： (3)由于采用微复制技术，可降低成本，进行批量生产。,2021/4/19,93,LIGA技术采用深度X射线光刻、微电铸成型和塑料铸

39、模等技术相结合的一种综合性加工技术，它是进行三维立体微细加工最有前途的方法之一，同时也是制作非硅材料微机电系统的首选工艺。 利用LIGA技术制作微金属图形主要由两步关键工艺组成，即首先利用同步辐射X射线光刻技术光刻出所要求的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构，具体的工艺步骤如图8.19所示。,2021/4/19,94,LIGA工艺,2021/4/19,95,LIGA工艺,LIGAlike工艺,DEM工艺,A：曝光,B：ICP,C：电镀,D：去硅,E：铸塑,衬底,掩膜,胶,金属,铸塑 材料,2021/4/19,96,LIGA加工工艺过程,2021/4/

40、19,97,3.激光微机械加工技术,LIGA技术虽然具有突出的优点，但是它的工艺步骤比较复杂，成本费用昂贵。为了获得x光源，需要复杂而又昂贵的同步加速器。相对于LIGA加工技术而言，激光微机械加工技术具有工艺简单、成本低等优点，它代表未来MEMS加工技术发展的方向。 激光微机械加工技术依靠改变激光束的强度和扫描幅度对涂在基片上的光刻胶进行曝光，然后进行显影，最后采用反应离子刻蚀技术，按激光束光刻胶模型加工成微机械结构。显然，激光光刻技术比x射线光刻的工艺要简单的多。将其与各向异性腐蚀工艺结合就可用于加工三维结构。,2021/4/19,98,4.深等离子体腐蚀技术；,深等离子刻蚀一般是选用硅作为

41、刻蚀微结构的加工对象，也即高深宽比硅刻蚀(HARSE)，它有别于VLSI中的硅刻蚀，因此又称为先进硅刻蚀(ASE)工艺。该技术采用感应耦合等离子体(ICP)源系统，与传统的反应离子刻蚀(RIE)，电子回旋共振(ECR)等刻蚀技术相比，有更大的各向异性刻蚀选择比和更高的刻蚀速率，且系统结构简单，使高密度硅离子刻蚀技术真正发展成了一项实用的刻蚀技术。这一技术的最大优越性是只采用氟基气体作为刻蚀气体和侧壁钝化用聚合物生成气体，从根本上解决了系统腐蚀和工艺尾气的污染问题。这一技术的关键是采用了刻蚀与聚合物淀积分别进行而且快速切换的工艺过程。同时还采用了射频电源相控技术使离子源电源和偏压电源的相位同步，

42、以确保离子密度达到最高时偏压也达到最高，使高密度等离子刻蚀的优势得到充分发挥。ICP刻蚀技术可以达到很高的深宽比(25：1)，选择性好，可以完成接近90。的垂直侧壁。,2021/4/19,99,5.紫外线厚胶腐蚀技术；,由于MEMS结构的特殊性，在传统的IC工艺基础上研究与之相适应的新工艺是MEMS持续发展的基础。深度光刻是其核心技术之一，其中紫外线厚胶光刻工艺作为高深宽比微机械制造的关键工艺，成为微机械工艺研究中的热点。使用紫外光源对光刻胶曝光，其工艺分为两个主要部分，厚胶的深层紫外光刻和图形中结构材料的电镀。其主要困难在于稳定、陡壁、高精度厚胶模的形成。对于紫外厚胶光刻适用光刻胶的研究，做

43、得较多的是SV一8系列负性胶2这种胶在曝光时，胶中含有少量的光催化剂发生化学反应，产生一种强酸，能使SV一8胶发生热交联。SV一8胶具有高的热稳定性，化学稳定性和良好的力学性能，在紫外光范围内光吸收度低，整个光刻胶层可获得均匀一致的曝光量。因此将SV一8胶用于紫外光刻中，可以形成图形结构复杂，深宽比大，侧壁陡峭的微结构。,2021/4/19,100,4.1.7MEMS的封装,MEMS的正常运行，十分关键地取决于一个“清洁”的环境，而这个环境是由封装提供的。封装得好，也能提高MEMS的商业化程度。微传感器的封装也是它的一个专门的问题。要有一个好的与环境的接口，同时对环境提供保护且要利于操作。,S

44、chematic illustration of the packaging role of a MEMS microsensor .,2021/4/19,101,Although there is no generic package for a MEMS device, the package should: Provide protection and be robust enough to withstand its operating environment Allow for environmental access and connections to physical doma

45、in (optical fibres,fluid feed lines etc) Minimize electrical interference effects from inside and outside the device Dissipate generated heat and withstand high operating temperatures (where necessary) Minimize stress from external loading Handle power from electrical connection leads without signal

46、 disruption,2021/4/19,102,Types of traditional IC packaging .,2021/4/19,103,虽然MEMS封装的基本技术都是和微电子封装密切相关的，但是由于MEMS使用的广泛性，特殊性和复杂性，它的封装形状和微电子封装有着很大的差别。对于微电子来说，封装的功能是对芯片和引线等内部结构提供支持和保护，使之不受外部环境的干扰和腐蚀破坏；而对于MEMS封装来说，除了要具备以上功能以外，更重要的是MEMS器件要和测试环境之间形成一个接触界面而获取非电信号，而外部环境对灵敏度极高的MEMS敏感元件来说都是非常苛刻的，它要有承受各方面环境影响的能力

47、，比如机械的(应力，摆动，冲击等)、化学的(气体，温度，腐蚀介质等)、物理的(温度压力，加速度等)等；并且大部分MEMS器件都包含有可活动的元件；同时，由于MEMS器件体积小，因此都必须采用特殊的技术和封装。正是这些特殊的要求，大大增加了MEMS封装的难度和成本，成了MEMS封装技术发展的瓶颈，严重制约着MEMS封装技术的迅速发展和广泛应用。一般的MEMS封装比集成电路封装昂贵得多，仅封装成本就占总成本的10甚至以上。目前，这一问题正在引起世界各国的极大关注。,2021/4/19,104,4.1.7MEMS的封装,MEMS器件的封装要求 (1)封装应对传感器芯片提供一个或多个环境通路(接口)；

48、 (2)封装给传感器带来的应力要尽可能的小； (3)封装与封装材料不应对应用环境造成不良影响； (4)封装应保护传感器及其电子器件免遭不利环境的影响； (5)封装必须提供与外界的通道。,2021/4/19,105,MEMS封装经过十几年的发展，其工艺已经比较成熟，出现了不少比较完善的封装形式。目前比较常用的MEMS封装形式有无引线陶瓷芯片载体封装，金属封装，金属陶瓷封装等，在微电子封装中倍受青睐的倒装芯片封装，球栅阵列封装和多芯片模块封装已经逐渐成为MEMS封装中的主流。其封装形式可以分为单芯片封装，晶片级封装，多芯片模块和微系统封装三个级别。,2021/4/19,106,2.MEMS封装方法

49、,(1)晶片级封装方法,晶片贴合技术,具有玻璃夹层 的Si-Si,玻璃熔化 贴合,易溶材 料贴合,阳极 贴合,Si直接 贴合,粘合剂 贴合,玻璃Si,晶片贴合方法,2021/4/19,107,晶片级封装工艺是指带有微结构的晶片与另一块经腐蚀带有空腔的晶片键合而成。键合后，在微结构体的上面形成了一个带有密闭空腔的保护体(硅帽)，这种方法使得微结构体处于真空或惰性气体环境中，提高了器件的品质因数Q值。晶片级封装可以通过阳极键合工艺获得，键合后可以避 免划片时器件遭到损坏。保护体是在微机械加工过程中经键合而成的，这对于保证晶片的清洁和结构体免受污染是很有效的方法。,2021/4/19,108,(2)

50、单芯片封装方法 倒装片封装 倒装片封装不仅在微电子领域，而且在MEMS领域都是系统封装和集成的关键技术，它被广泛应用在微电子、通信和MEMS中。倒装片封装是指通过芯片和衬底之间的电气连接，可以直接把裸片和衬底封装在一起。倒装片封装具有多种优点，因而可以被用于在线键合工艺，使其具有小体积，高性 能，短连线(芯片和衬底)。这种技术的芯片与衬底之间的距离成间隙，可以通过倒装片凸点的高度来精确控制。当上下芯片连接好后，下一步就要选择底部填充物。通常底部填充物是用来完全填充芯片间隙。但对MEMS器件来说，填满间隙会影响活动部件的运动。现在这种封装一般使用传统的压模封 装技术或液体密封。,2021/4/1

51、9,109,微球栅陈列(ILBGA) 球栅陈列封装是利用球状焊盘作为连接点进行表面安装的芯片封装技术。这种封装的特点是结构紧凑，多引脚和低的感应参数，这就允许使用较低的电源电压。BGA能用可控塌陷芯片法焊接技术，从而可以改善它的电热性能。ll：BGA是真正意义的芯片级封装，它采用薄的柔性电路体作为它的衬底，低应力的弹性体作为模片固定。安装时模片面朝下，并且电路的焊盘与衬底相连接进行键合。键合后引线用环氧材料密封进行保护，焊锡球附着在衬底上的焊盘上形成矩形阵列，模片的背面裸露以利于散热。,2021/4/19,110,(3)多芯片模块与微系统封装方法 单片系统(System 0n Chip)实际上

52、并不能被划分成一种封装形式。它主要是指在晶片的制造过程中，把很多单个的功能单元集成在一块芯片上。这些单元的加工技术与MEMS工艺相兼容。大多数SoC芯片包含微处理芯片，存储器，信号处理电路 和MEMS器件等。 用现有的商用预成型塑料有引线载体(PLCC)封装垂直叠加起来，用于安装集成电路。 采用一个装有电子器件的平台芯片，用引线键合或倒装技术将传感器/致动器芯片安装起来。 在玻璃衬底上的凹槽中安装裸芯片。,2021/4/19,111,概述 军事领域 信息领域 航空、航天 生物、医疗 汽车 工业控制 环境保护 消费类、玩具,4.1.8MEMS的应用,2021/4/19,112,概述,2021/4

53、/19,113,2021/4/19,114,2021/4/19,115,2021/4/19,116,MEMS在军事领域的应用,军事领域是MEMS技术的最早应用点，对推动MEMS技术的进步起到了很大作用,引信安全、炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、侵彻点控制 单兵携带 雷达 战场毒气检测和救护 侦察：小飞机 后勤保障,2021/4/19,117,用于武器制导和个人导航的惯性导航组合 用于超小型、超低功率无线通讯（RF 微米/纳米和微系统）的机电信号处理 用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人值守分布式传感器 用于小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成流量系统 武器安全、保险和引信 用于有条件保养的嵌入式

54、传感器和执行器 用于高密度、低功耗的大量数据存储器件 用于敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件 用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动的、共型表面。,2021/4/19,118,2021/4/19,119,2021/4/19,120,2021/4/19,121,2021/4/19,122,2021/4/19,123,信息领域,全光通信网：光开关和开关阵列、光可变衰减器、光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干探测器、光功率限幅器、微透镜、光交叉连接器OXC、光分插复用器OADM和波分复用器 无线电话； MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS滤波器、RF MEMS振荡器、ME

55、MS移相器、微波收发机MEMS集成化射频前端 计算机；摄像头、鼠标 投影仪、喷墨打印机 数据存储,2021/4/19,124,2021/4/19,125,2021/4/19,126,2021/4/19,127,航空、航天,航空：改进飞机性能、保证飞机安全舒适、减少躁声 航天：天际信息网、微重力测量,2021/4/19,128,2021/4/19,129,2021/4/19,130,2021/4/19,131,2021/4/19,132,2021/4/19,133,生物、医疗,生物芯片 Lab on Chip 血压计 新型喷雾器 可在血管内操作和检测的微型仪器,2021/4/19,134,202

56、1/4/19,135,喷雾给药中的微喷嘴,2021/4/19,136,Medical pressure sensor Another example of an extremely successful MEMS application is the miniature disposablepressure sensor used to monitor blood pressure in hospitals.,Figure 6. Schematic illustration of a piezoresistive pressure sensor.,2021/4/19,137,Figure 7.

57、 (a) Disposable blood pressure sensor connected to an IV line , (b) disposable blood pressure sensors (as shipped) , and (c) intercardial catheter-tip sensors for monitoring blood pressure during cardiac catheterisation, shown on the head of a pin .,2021/4/19,138,汽车工业,每部汽车内可安装30余个传感器： 气囊，压力、温度、湿度、气体

58、等 微喷嘴 智能汽车控制系统,工业控制,化工厂 自动化控制中的探测器等,2021/4/19,139,Automotive airbag sensor Automotive airbag sensors were one of the first commercialdevices using MEMS. They are in widespread use today in the form of a single chip containing a smart sensor, oraccelerometer, which measures the rapid deceleration of

59、avehicle on hitting an object. The deceleration is sensed by a change in voltage. An electronic control unit subsequently sends a signal to trigger and explosively fill the airbag.,2021/4/19,140,Figure 4. (a) The first commercial accelerometer from AnalogDevices (1990); its size is less than 1cm2 (l

60、eft) 12, and (b)capacitive sense plates, 60 microns deep (right) 13.,2021/4/19,141,Figure 5. Modern day MEMS accelerometer (left), and the fully packaged device (right).,2021/4/19,142,环境保护,无人值守大气环境监测网 高速公路环境监测网,消费类、玩具,消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机 虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具,2021/4/19,143,2021/4/19,144,2021/4/19,145,Inkjet