参考mems规模制造技术基础研究

1、项目名称：MEM规模制造技术基础研究首席科学家：王跃林中国科学院上海微系统与信息技术研究所起止年限：2010.9 至 2015.9依托部门：中国科学院海市科委二、预期目标1、总体目标本项目针对我国 MEMS 走向产业化遇到的规模制造能力薄弱的瓶颈问题， 通过产学研用结合的方式， 开展多物理场作用下的微机械结构应力、 微机械结构 特性与工艺精度的关系、多材料多物性的兼容以及工艺质量评价方法等 MEMS规模制造技术基础问题的研究工作。 突破涉及规模制造的一致性、 重复性、 可靠 性等关键基础问题，为 MEMS 的规模制造提供工艺设计、工艺建模、工艺监控 和工艺机理等技术基础，并将项目成果在我国主流

2、 MEMS 企业示范应用，推动 我国 MEMS 规模制造技术平台的建设， 培养一批 MEMS 方面的高水平中青年专 业人才，促使我国 MEMS 规模制造能力的大幅度提升，带动我国 MEMS 和硅 基微纳光机电系统的产业化。具体来说，将产生以下效果：促进我国 MEMS 规模制造能力大幅度提升：项目基础研究成果将移植到三家以上中的核心技术，形成我国的规模制造能力，MEMS 企业示范应用，成为规模制造达到万片级的月产能，降低 MEMS产品公司的创业门坎和风险，带动一批MEMS 市场占有一席之地。MEMS 产品公司的发展，促进我国在13将揭示形成支持规模制造的工艺方法和模型：针对提高制造的一致性、 重

3、复性和可靠性以及降低制造成本的需求， 多物理场作用下应力产生和控制机制以及工艺精度等因素影响器件性能的机制，探明多材料多物性的兼容机理和工艺质量评价机制，发明一系列新的制造方法， 形成相应的工艺模型，提出一系列新的工艺质量评价方法和可靠性测试新方法。发现多物理场作用下微结构力学作用机制：围绕多物理场 （高温场、等离子场和压力场等物理场） 作用下微机械结构应力的研究，将发现在多物理场（特别是高温场、压力场等）作用下微结构力学新 机制，以及在这样的条件下其本构关系、 力学参数等是否与常规条件一致等新的 力学现象，扩大微结构力学的研究范围。2、五年预期目标揭示多物理场作用下微机械结构应力对压阻性能的

4、影响机制， 建立相关 的应力及工艺模型， 提出抑制多物理场作用下产生的微机械结构应力对 压阻特性影响的方法； 建立加工精度与微机械结构特性关系模型， 提出 提高加工精度的制造方法； 提出工艺过程中质量评价方法和终点工艺成 品率评价方法； 优化 MEMS 压阻器件制造工艺流程， 在 MEMS 规模制 造厂进行示范应用，用于指导 MEMS 压阻器件的规模制造，提高规模 制造的一致性、重复性、可靠性和成品率，降低制造成本。结合用户需 求，进行压力传感器、加速度传感器等 MEMS 压阻器件的规模制造， 控制应力一致性在 10%以内，工艺参数偏差小于 10%，压阻器件成品率大于 90%，验证提出的工艺模

5、型、 评价方法和工艺流程的实用性， 促 进形成我国 MEMS 压阻器件规模制造技术平台。完成多种适合规模制造技术应用的微结构键合强度检测方法研究， 提出满足 5-100 微米尺度的在线式微结构键合强度检测结构，控制微结构 键合强度一致性在 10% 以内；完成微结构力学和材料学参数的提取方 法研究，提出基于探针和静电驱动的片上微结构试验机和等效弹性模量 提取结构，参数提取和检测精度一致性控制 10% 在以内；掌握硅表面 非晶化改性处理与 Au-Si 反应的关系，采用表面清洁处理和材料改性处 理使 Au-Si 键合面均匀，无空洞、无结晶图形 ; 结合用户需求，将上述 研究成果在键合深刻蚀释放工艺中

6、应用， 进行压力传感器、 加速度传感 器等MEMS电容式器件的规模制造，实现规模制造成品率85%，验证提出的工艺模型、评价方法和工艺流程的实用性，促进形成我国MEMS 电容式器件规模制造技术平台。揭示复杂材料系统相互作用机制及对表面与界面的电学与力学特性的 影响，探明自组装等加工方法对 MEMS 制造过程中的作用机理，建立 相关模型与质量评价方法， 提出满足制造兼容性的方法。 分析不同微机 械结构、分子自组装与 IC 电路的工艺精度要求，建立工艺精度与结构 特性关系模型及数据库，建立 MEMS 加工与自组装工艺引起的表面 /界面特性的表征与评价方法。 形成圆片级自组装规模制造技术， 在同一 结

7、构中选择性自组装至少两种分子层。 形成单片集成工艺流程 4 套，具 有自主知识产权，部分集成制造工艺流程实现与标准 IC 工艺混线制造。 结合用户需求，进行RF MEMS、胎压智能检测（TPMS）传感器、压力传感器、三轴集成加速度传感器、生化分子检测传感器等规模制造，集成两种传感器的制造成品率达到 85%，典型 MEMS 传感器芯片制造 成本低于 0.1 元，促进形成我国 MEMS 单片集成器件规模制造技术平 台。建立时间、应变率、温度及尺度相关材料数据库，提出描述 MEMS 规 模化封装工艺过程的跨尺度多物理场理论模型及数值模拟方法；建立 MEMS 封装工艺在线 /离线检测方法，实现对封装工

8、艺的监控；建立 MEMS 快速可靠性评估方法，揭示 MEMS 不同封装工艺耦合作用过程 中形变、 应力的演变规律， 发现封装制造过程中各种缺陷和应力产生机 理、演化规律及其对器件性能的影响机制和对器件可靠性影响机理， 建 立 MEMS 封装工艺、力学、器件性能、可靠性的关系模型。封装应力 计算准确度 80%，变形计算准确度 90%。优化基于圆片级工艺和贴片工艺的传感器封装工艺流程，在 MEMS 规模封装厂进行示范应用，结 合用户需求，进行压力传感器、加速度传感器等 MEMS 器件的规模封 装，封装器件性能一致性 5%以内，器件封装成品率大于 98%，将典 型 MEMS 器件封装成本降低一倍，验

9、证提出的模型、方法和工艺流程 的实用性，促进形成我国 MEMS 器件规模封装技术平台。三、研究方案总体思路面向市场需求，牵引基础研究： MEMS 器件的特点是品种繁多，不同的器 件品种可能要用到不同的制造技术。在总体方案上我们充分注意到了 MEMS 的 这一特点，既要考虑到研究内容的覆盖性，保证要覆盖到 MEMS 规模制造的主 要基础问题，又要考虑到研究内容的针对性，避免过泛，与应用脱节。为此，我 们对研究内容选择的出发点是考虑几类市场规模大的 MEMS 器件，围绕这几类 器件的制造需求来牵引 MEMS 规模制造技术基础问题的研究工作，使得基础研 究成果可以尽快移植到 MEMS 企业示范应用。

10、面向产业突破，产学研用结合： 本项目的目标是通过基础研究来促进我国MEMS 的产业化。为了实现这个目标，本项目将通过产学研用结合的方式来实 施，这种方式可以保证基础研究成果尽快为产业突破服务。 科研机构针对企业存 在的规模制造基础问题开展研究工作， 取得突破后可以及时将基础研究成果移植 到国内主流 MEMS 制造厂，在产业突破中发挥作用，促进形成我国 MEMS 规 模制造技术平台，带动一批 MEMS 产品公司成长，并在国际 MEMS 代加工市 场占有一定的份额，推动我国 MEMS 的产业化。上述考虑，即可以解决 MEMS 规模制造技术主要基础问题，又可以使研究成果有具体应用的针对性，便于及时移

11、植到国内主流 MEMS 制造厂中应用。 技术途径本项目的重点是采取产学研用结合的方式，开展 MEMS 规模制造技术基础 问题的研究工作， 解决规模制造的一致性、 重复性和可靠性问题， 目标是提高制 造的成品率，降低制造成本，促进我国 MEMS 的产业化。针对这一目标，拟采 取的技术途径如下所述。1）通过揭示多物理场作用下微机械结构应力机制，提高MEMS 制造成品率MEMS 器件主要是通过微机械结构实现其功能的，大量经验表明， MEMS器件制造的成品率主要由微机械结构制造的成品率决定。 对于微机械结构的制造 来说，揭示微机械结构的应力产生机制以及提出控制应力的方法非常重要， 理清 这些问题可以大

12、幅度提高 MEMS 制造的成品率。为了研究多物理场作用下微机械结构应力机制，我们将利用带真空腔的微 机械结构、气密腔微机械结构、膜、梁和桥等微机械结构作为实验体，研究这些 结构在多物理场作用下的形变情况， 通过测量形变量来分析不同微机械结构应力 与作用的物理场的关系， 研究微机械结构应力与温度及微机械结构释放的相互作 用，结合微结构力学理论，建立相关的力学模型。通过上述方法，比较不同微机 械结构的形变数据， 研究材料屈服强度等力学参数随高温变化的规律， 研究高温 对微结构材料力学参数的影响， 获得相关数据用于指导工艺设计。 通过改变作用 次序，研究在同样的作用条件下微机械结构应力与作用次序的关

13、系， 获得作用次 序对微机械结构影响的模型， 用于指导工艺优化。 通过上述研究积累数据， 归纳 总结出多物理场作用下应力产生的机理及其随作用过程变化的规律， 在此基础上 提出控制应力和优化工艺过程的方案，用于改善 MEMS 制造工艺。基于分层次建模和混合建模两种多尺度建模方法，结合跨尺度数值模拟和实验验证，揭示 MEMS 规模化封装工艺中应力、缺陷产生的机理及演变规律， 提出缺陷控制和工艺优化设计的方案。利用多场耦合数值模拟方法，对 MEMS 规模化封装制造工艺过程的多场耦合问题进行求解，对各 MEMS 封装工艺过程 的形变、应力演变进行有效预测， 研究复杂制造工艺载荷对器件成品率性能的影响机

14、制，提出封装工艺的改进和优化控制方法。 采用多步工艺耦合建模仿真方法，/局部方法综合考虑 MEMS 各封装制造工艺之间的相互影响关系， 揭示 MEMS 各封装制造 工艺相互之间的影响机制。利用界面力学的基本原理，建立基于整体 的多尺度界面应力分析模型， 分析含有微机械结构的材料界面上的力学行为， 揭 示在不同的工艺和载荷条件下界面分层、 裂纹、孔洞等缺陷的产生机制， 预测其 演变过程。利用上述结果，优化封装工艺，形成相关模型，用于指导 MEMS 的 封装。2）通过建立工艺精度与微机械结构特性的关系模型，提高制造的一致性和成 品率。在 MEMS 制造中，由于实际制造工艺精度所限，不可避免的会造成

15、微机械 结构表面的粗糙和断面形状的偏差， 这些表面粗糙区域和形状偏差的体积已经和 结构的总体积可比， 因此对微机械结构的特性影响较大， 是影响制造成品率和一 致性的重要因素。另一方面，通过利用 MEMS 工艺具有高度选择性的特点，可 以改善工艺精度，提高制造的成品率和一致性。结合宏观机械加工精度设计理论，分析研究微机械结构与宏观机械加工结 构特性的差异， 通过设计特定的结构进行工艺比较实验， 获得工艺精度与微机械 结构特性的关系。 根据工艺精度与微机械结构特性的关系， 设计特定的参数提取 结构，通过工艺实验， 寻找微机械结构力学特性和材料力学参数提取方法， 获得 描述微机械结构的力学修正模型。

16、利用修正的模型设计制作特定的微机械结构， 通过工艺实验验证模型的准确性。 最后将这些模型用于指导工艺设计， 进行实际 情况验证，进一步考核模型的准确性。 通过这些工作， 可以在设计的时候就考虑 工艺精度的影响， 在减少反复小规模工艺实验的成本和周期的同时， 提高制造的 成品率和一致性。我们在以往的工作中，特别注意利用 MEMS 工艺具有高度选择性的特点，来发明新的制造技术， 目前我们采用这一思路发明了多项三维微机械结构和纳米 制造技术。 在项目的实施过程中， 我们将继续采用这一思路， 发展利用工艺选择 性特点的三维微机械结构制造技术， 通过工艺自身的选择性来控制加工精度， 解 决通过温度、 浓

17、度和时间等工艺参数难以控制加工精度的问题， 发明三维微机械 结构制造方法，改善三维微机械加工的精度，提高制造的成品率和一致性。3）通过解决多材料多物性兼容问题，实现单片集成，满足多品种制造需求由于 MEMS 没有一个类似于晶体管这样的标准结构， 由此产生了结构兼容、 材料兼容、 衬底兼容等工艺兼容性问题， 这些问题的解决不仅可以提高制造的成 品率，实现 MEMS 与集成电路的单片集成，还可以满足更多的 MEMS 器件制 造需求，扩大 MEMS 制造技术的应用范围。我们将通过在同一芯片上设计不同的特殊微机械结构，在相同物理场作用 下研究分析这些不同结构的应力产生机制和控制应力的方法， 结合多物理

18、场作用 下的微结构力学， 建立相关的工艺模型， 优化出适合不同微机械结构制造的同一 工艺条件。通过在制作了集成电路的芯片上，进一步采用低温 MEMS 工艺（如各向同性和异性干法刻蚀、电镀、湿法腐蚀等工艺）制造微机械结构的方法，分 析制作微机械结构后集成电路性能的变化与制造工艺的关系， 揭示影响电路性能 的机制，优化出合适的工艺条件， 实现微机械结构与集成电路的单片集成。 利用MEMS 工艺高度选择性的特点，寻找三轴微机械结构制造方法，结合多物理场 作用下的微结构力学，建立相关工艺模型，实现三轴微机械结构的集成制造。采用圆片级制造方法，通过工艺实验与界面科学结合，研究分析在微机械 结构上利用自组

19、装、 分子沉积、 界面修饰和物理沉积等手段制造敏感材料、 功能 材料和结构材料的方法， 结合微结构力学与材料物理， 揭示制备机制， 形成工艺 模型，优化出兼容的制造工艺。 在衬底兼容方面， 主要采用键合工艺将不同的衬 底制造在一起，形成多衬底的三维微机械结构。具体方法上，通过揭示 Au 在Si 中的扩散行为和机制，优化 Si 表面的非晶化处理工艺，采用表面活化和表面 清洁等方法，对 Si 表面进行改性。在此基础上，寻找硅 / 硅键合新方法，通过解 决 Au-Si 键合工艺中表面处理对工艺结果的影响问题，提高 Au-Si 键合工艺质 量，解决键合强度均匀性和重复性问题。4) 通过建立工艺质量评价

20、方法，实现在线 / 离线监测，显著降低制造成本如果有简单的方法对每一步工艺质量进行评价，就可以及时发现工艺中存 在的问题和分析产生的原因， 并对工艺加以改进， 中断工艺质量有问题的后续流 片，将会大大降低制造成本，提高制造的成品率。对于 MEMS 的工艺质量评价来说， 重点是监测工艺过程中在微机械结构中 产生的应力和变形、键合强度、形貌等参数，这些参数也是影响 MEMS 制造成 品率的重要因素。 为了监测微机械结构的应力和变形， 我们将以多物理场作用下 的微结构力学、 材料力学等为基础， 设计特定的测试结构， 经过工艺实验制造出 微机械结构， 在测量显微镜下测出结构的变形， 再与微结构应力理论

21、结合， 得出 测试结构变形与应力的关系， 最终优化出简单实用的测试结构， 用于监测微机械 结构的应力和变形， 实现微机械结构应力的在线监测。 针对键合强度的监测， 通 过设计测试结构， 研究微区键合强度的演变情况， 优化出键合强度测试结构， 用 这些结构对键合强度进行检测和监控。 经过进一步实验验证后， 提出相应的监测 模型和监测图形， 将这些监测图形制备在硅衬底上用于对工艺质量的评价， 这样 可以花很少的成本及时发现制造过程中的问题，提高制造的成品率。针对 MEMS 封装工艺监测需求，采用影子云纹( Shadow Moire )变形测 量仪、投影云纹(Projection Moire )干涉

22、形变分析仪、数字成像(Digital ImageCorrelation )测量仪、纳米翘曲测量分析测试台、高速拉剪测试仪、多功能宏 微观莫尔云纹( 4M )干涉测量仪等，研究适合于封装工艺的监测技术，对封装 质量进行监测。采用 MEMS 快速可靠性评估试验方法，研究 MEMS 器件的可 靠性及其失效机理，并结合跨尺度多物理场 MEMS 制造工艺、可靠性试验数值模拟，揭示 MEMS 规模化制造工艺对器件可靠性的影响机制，建立材料性能、 制造工艺、应力演变及 MEMS 器件性能及可靠性的关系。可行性分析本项目根据设定的研究目标和内容， 采取产学研用结合的方式， 凝聚了一支 包括 MEMS 制造技术

23、基础研究、 集成电路制造企业和 MEMS 产品公司方面的主 要优势单位， 共有五个国家重点实验室或部门重点实验室参与研究工作， 研究条 件互补性强。三家集成电路制造企业是国内领先的集成电路企业，拥有多条 寸和 8 寸集成电路生产线，并将为 MEMS 规模制造提供相应的生产线，使本项 目验证性工作和示范应用有了很好的产业基础。 因此，已经基本具备了开展规模 制造技术基础研究的软硬件条件。 而且，各参加单位已经在本项目相关的前期研 究工作中取得了一些创新性成果，在 MEMS 制造技术基础研究、规模制造产业 基础以及应用基础等方面均有很好的前期工作和布局， 可以保证本项目的顺利实 施，高质量地完成预

24、定的任务。多物理场作用下的微机械结构应力方面： 我们在 99 年的 973 项目及后续的研究工作中， 已经进行了前期的一些研究工作。 我们将通过键合形成的真空腔等微机械结构， 进行了不同温度场作用实验， 关系，并用于指导了压力传感器小批量制造， 明，采用上述方法可以获得预期的研究结果， 步深入研究这些问题提供了可行的技术途径。获得了一些微机械结构应力与温度的取得了比较好的效果， 这一结果表 为我们针对规模制造的需求， 进一 我们基于第一原理分子动力学方法和有限元方法，根据各尺度模型信息传递方式的特点提出了分层次建模和混合建并用于分析了 MEMS 规模化封模的基本建模策略，保证信息传递的准确完整

25、，取得了较好的效果， 初步验证了技装工艺中应力、 缺陷产生的机理及演变规律， 术路线的可行性。微机械结构特性与工艺精度的关系方面：我们在近几年的研究工作中，已并进行了初步的研究工作。我们在经注意到这一问题在 MEMS 制造中的地位， 压力传感器的小批量生产中， 利用大量的数据比较分析了器件制造的一致性、 重 复性和可靠性与工艺精度的关系， 得到了一些规律性的结果， 为我们进一步针对 规模制造需求深入研究这一问题提供了可行的技术途径。我们在以往的工作中， 还特别注意利用 MEMS 工艺具有高度选择性的特点，来发明新的制造技术，以提高加工精度，减小这一因素对器件性能的影响。我们在 99 年的 97

26、3 项目以及 后续的 06年的 973项目实施过程中， 采取这一思路，发展了一套基于 MEMS 的 纳米制造技术，已经可以制造出纳米探针（零维纳米结构） 、纳米线（一维纳米 结构）和纳米梁（二维纳米结构）等多种纳米结构。我们还用这一思路发明了双 面梁各向异性自停止腐蚀技术， 可以非常简单地精确控制微机械结构的尺寸， 并 用于了 MEMS 地震传感器的制造，提高了制造的一致性。上述结果表明，采用 这一思路发明高精度制造技术是可行性。多材料多物性兼容问题方面： 我们针对结构兼容、材料兼容、衬底兼容等 工艺兼容性问题，已经开展了前期的研究工作。 我们已经在同一芯片上制作了梁、我们还在制作了集桥和膜结

27、构， 并在同一工艺条件下研究了不同结构的变形情况， 从实验上获得了 一些数据，为我们进一步开展深入研究提供了可行性的思路。成电路的芯片上，采用各向同性干法刻蚀工艺制造了微机械红外热堆，分析了MEMS 工艺后电路性能的变化情况，结果表明性能变化不大，显示了技术上的 可行性。我们还在干法刻蚀工艺制作的悬臂梁侧面制作了传感器，文章发表在IEDM 上，为三轴微机械结构制造提供了可行的技术思路。我们在 06 年的 973项目支持下， 提出了定点定向自组装制作生化敏感材料的方法， 并进行了初步的 实验验证工艺， 结果表明采用圆片级制造方法， 可以在微机械结构上批量制造在 微机械结构上。这些结果表明，我们提

28、出的技术途径是可行的。工艺质量评价方法方面： 我们对键合强度的监测已经开展了前期的研究工 作，设计了一些特殊的监测结构， 发展了监测方法， 进行了数百次键合强度工艺 监测，监测效果较好。我们在 99 年的 973 项目及后续的工作中，还研究了工艺 应力监测方法， 设计了一些片上监测图形， 用于工艺应力的监测， 取得了较好的 效果，初步验证了思路的可行性。 团队有些成员一直致力于微电子封装制造并行工程、工艺力学与快速可靠性建模相结合的全寿命工程框架研究， 提出了多种新 颖的试验工具、试验手段和在线检测手段（六轴微测试仪和纳米/微米级激光干涉仪等）以及加速试验的评估方法，并将其用于各种封装结构形式

29、、封装工艺、MEMS 传感器以及其制造过程产生的应力、变形、缺陷和其他可靠性方面的监 测。这些工作为我们进一步研究工艺质量监测方法积累了经验， 为我们利用跨尺 度多场多工艺耦合方法建立 MEMS 规模化制造工艺、力学、成品率关系提供了 基础。总之，本项目给出的技术路线和研究思路充分考虑了原理与技术的可行性， 既考虑了创新性和预期成果的水平， 又充分考虑了已有工作的基础以保障研究目 标的实现。因此，研究技术路线先进可行，已经具备了取得重大突破的条件。四、年度计划本项目前两年主要进行涉及规模制造的工艺机理研究， 通过结合工艺实验结 果从理论上分析工艺过程中的应力产生机制、 多材料多物性在工艺过程中

30、的兼容 机制、工艺精度对微机械结构特性的影响机制， 在此基础上进行工艺质量评价方 法的研究。同时还将与MEMS代工厂结合，提炼出MEMS代工厂在制造过程中 遇到的工艺机理问题进行研究。第三年将在前两年工作的基础上，将提出的规模 制造工艺机理在MEMS代工厂进行规模制造工艺验证，对工艺机理进一步完善, 使其更适合MEMS代工厂的实际情况，并初步形成适合规模制造的工艺方法和工艺模型。第四年主要是将形成的工艺方法和工艺模型在MEMS代工厂进行规模制造工艺验证，进一步完善这些工艺方法和工艺模型， 并形成工艺流程进行示 范应用。第五年主要是将本项目的工艺机理、 工艺方法、工艺模型等基础研究成 果在MEM

31、S代工厂进行示范应用，促进MEMS代工厂规模制造能力的提升，并对项目进行总结验收。具体年度计划如下:研究内容预期目标研究工艺过程中的应力产生机制、多获得大量工艺实验数据，为提出工艺材料多物性在工艺过程中的兼容机机理和工艺模型提供实验依据。制、工艺精度对微机械结构特性的影 响机制，在此基础上进行工艺质量评 价方法的研究，主要内容如下。研究 膜、桥和梁等典型微机械结构在高温 场等多物理场作用下的应力产生与 控制机制、力学特性参数和本构关系 等问题，以及不同微机械结构在相同 物理场作用下的应力影响情况。研究MEMS器件相关材料性能数据库。研究键合面特性和两种材料相互反 应的程度对键合质量的影响机制。

32、研 究随键合面积减小的键合强度变化研究内容预期目标规律，以及相应在线微结构键合强度检测方法。研究微机械结构表面粗糙及断面形状偏差等与微机械结构特性的关系，研究利用MEMS工艺的选择性特性（如各向异性腐蚀等特性）提高加工精度的方法。研究微机械结构与IC兼容制造机制、不同功能的微机械结构兼容制造机制，以及分子自组装等生化材料与微机械结构兼容制造机制。研究MEMS各种工艺相互之间的影响机制。研究MEMS工艺过程的在线/离线测试方法。提炼和研究MEMS代工厂在制造过程中遇到的工艺机理和工艺方法等问题。继续研究工艺过程中的应力产生机对工艺机理给出理论解释，给出工艺制、多材料多物性在工艺过程中的兼容机制、

33、工艺精度对微机械结构特性验证方案，为下年度在 MEMS代工的影响机制，以及进行工艺质量评价厂进行工艺验证提供基础。方法的研究。在第一年工作基础上, 进行在MEMS代工厂进行工艺验证 的前期准备工作。继续提炼出MEMS代工厂在制造过程中遇到的工艺机理问题进行研究。进行项目中 期评估工作。研究内容预期目标在前两年工作的基础上，将提出的规提出的工艺机理在MEMS代工厂得模制造工艺机理在MEMS代工厂进到验证，给出适合规模制造的工艺方行规模制造工艺验证，对工艺机理进法和工艺模型。揭示工艺次序对制造步完善，使其更适合 MEMS代工过程及结果的影响机制。厂的实际情况，并初步形成适合规模 制造的工艺方法和工

34、艺模型。研究MEMS规模制造关键工艺（如各向异性腐蚀、硅深刻蚀、硅硅键合技术 等工艺）的稳定性、一致性及其过程 控制机制与方法。与常规半导体工艺 结合研究工艺次序对制造过程及结果的影响机制。将形成的工艺方法和工艺模型在进一步完善工艺方法和工艺模型，给MEMS代工厂进行规模制造工艺验出成套工艺流程，并示范应用。证，进一步完善这些工艺方法和工艺 模型，并形成工艺流程进行示范应用。将本项目的工艺机理、工艺方法、工本项目的工艺机理、工艺方法、工艺艺模型等基础研究成果在MEMS代模型等基础研究成果在三家以上工厂进行示范应用，解决在示范应用MEMS代工厂进行示范应用，全面中遇到的问题，并对项目进行总结验达

35、到项目任务书的指标要求，促进研究内容预期目标年收。MEMS代工厂规模制造能力提升， 形成我国MEMS规模制造技术平 台。、研究内容与集成电路制造明显的不同， MEMS 制造的核心是微机械结构的制造，其 制造工艺更为复杂繁琐。表面上看， MEMS 制造涉及到更多的材料，更多的结 构，更多的衬底。对于 MEMS 的制造来说，要涉及到不同的敏感材料、结构材 料和修饰材料等集成电路不常用的材料制造问题， 例如生物传感器就需要在硅片 上制作生物敏感材料。与集成电路具有晶体管这样的标准结构不同， MEMS 将 会涉及到更多的器件结构制造问题， 例如压力传感结构的制造与加速度传感结构 的制造就有所不同。同时

36、，许多 MEMS 器件需要将硅 /硅或者硅 /玻璃等不同衬 底键合在一起形成一个更为复杂的三维结构，这就涉及到更多的衬底问题。因此，本项目的主要研究内容也主要围绕 MEMS 制造涉及到更多的材料、 更多的结构、 更多的衬底等这些与集成电路制造的不同来提炼， 与集成电路制造 相关的基础问题将直接借用集成电路方面的研究成果， 不作为本项目的研究内容 列入。考虑到 MEMS 器件品种繁多，不同的器件品种可能要用到不同的制造技 术。针对这种情况，我们对研究内容选择的出发点是考虑几类市场规模大的MEMS 器件，围绕这几类器件的制造需求来牵引 MEMS 规模制造技术基础问题 的研究工作。另一方面的研究内容

37、是及时将本项目的基础研究成果移植到国内主 流 MEMS 制造厂，促进形成我国 MEMS 规模制造技术平台，从而带动一批MEMS 产品公司成长， 并在国际 MEMS 代加工市场占有一定的份额， 推动我国MEMS 的产业化。这样考虑，即可以解决 MEMS 规模制造技术基础问题，又可 以使研究成果有具体应用的针对性，便于及时移植到国内主流 MEMS 制造厂中 应用。目前我国及国际上 MEMS 市场规模大的产品主要包括压力传感器、加速度 传感器、微陀螺、 DMD 、微喷头和 RF MEMS 器件，正在高速成长的产品主要 是微麦克风，这些器件占了整个 MEMS 市场的 90% 以上。如果从器件原理来看，

38、 这些器件的工作原理主要有两类， 一是利用压阻效应， 即采用压阻原理来制造传 感器，主要产品有压力传感器、加速度传感器等；二是利用电容效应，即通过电 容变化来制造传感器， 或通过静电驱动来完成器件功能， 主要产品有加速度传感 器、微陀螺、压力传感器、 DMD 和 RF MEMS 器件等。近几年，单片集成 MEMS器件发展也非常快，主要产品有加速度传感器、微陀螺、压力传感器、微麦克风、DMD和RF MEMS器件等。MEMS要走向市场，还必须解决器件的封装问题,只有封装好的器件才能满足市场需求。针对上述情况，本项目主要进行MEMS 压阻器件规模制造技术基础、MEMS电容式器件规模制造技术基础、ME

39、MS单片集成器件规模制造技术基础和MEMS器件规模封装技术基础 四方面的研究内容。期望通过这四方面的研究 来牵引我国MEMS规模制造技术基础研究工作，促进建立我国 MEMS规模制造技术平台，形成万片级月产能，带动一批 MEMS产品公司的发展，在MEMS 代加工市场和主流产品市场占有一定的份额，推动我国 MEMS的产业化。其相互之间的关系见下图。在主流产品市场占有份额在代工市场占有较大份额带动一批产品公司形成万片级月产能压阻器件规，模制造技术/MEMS代加工厂电容器件规、模制造技术”集成器件规 模制造技术，器件封装规 模制造技术/MEMS压阻器件规模制造技术基础性兼容多物理场作用下的应力多材料多

40、物微结构与工艺精度关系工艺质量评价万法仃MEMS工艺形针对压阻器件常用的膜、桥和梁等微机械结构，研究由主要 成的多物理场，以及在这些多物理场作用下的膜、桥和梁等微机械结构应力产生 与控制机制、力学特性参数和本构关系等问题，主要包括高温场作用下硅的力学 特性参数与温度的关系，结构形变与温度的关系，微机械结构力学特性与温度的 关系，结构形变对器件电学特性的影响，硅硅高温键合引入的应力对压阻敏感器 件的影响和降低微机械结构的应力方法。 研究这些微机械结构在相同物理场作用下的应力影响情况， 优化实现结构兼容的工艺条件。 通过工艺实验并结合多物理 场作用下的微结构力学，建立相应的工艺模型。研究微机械结构

41、表面粗糙及断面形状偏差等与微机械结构特性的关系， 通过 利用 MEMS 工艺的选择性特性（如各向异性腐蚀等特性）来研究提高加工精度 的方法，通过与工艺验证结合， 分析和研究这些微机械结构与传统机械加工结构 特性的差异， 获得修正模型用于指导器件设计， 使得设计可以考虑工艺精度的影 响，提高设计的准确性。研究 MEMS 压阻器件规模制造关键工艺，如各向异性腐蚀、硅深刻蚀、硅 硅键合技术等的工艺稳定性、 一致性及其过程控制机制与方法， 与常规半导体工 艺结合研究工艺次序对制造过程及结果的影响， 优化出适应面相对较广的 MEMS 压阻器件工艺流程。研究关键 MEMS 工艺质量在线评价检测方法、优化出

42、简单电参数MEMSMEMS实用的检测结构和表征手段等。 研究器件制造完成后， 微机械结构的力、 的批量测试和评估方法，形成简单高效的工艺终点成品率评估方法。通过上述基础研究，提出相关工艺模型、 工艺质量评价方法和优化的 压阻器件制造工艺流程，在 MEMS 规模制造厂进行示范应用，用于指导 压阻器件的规模制造，提高规模制造的重复性、一致性、可靠性和成品率，降低 制造成本。结合用户需求，进行压力传感器、加速度传感器等 MEMS 压阻器件 的规模制造， 验证提出的工艺模型、 评价方法和工艺流程的实用性， 促进形成我 国 MEMS 压阻器件规模制造技术平台。MEMS 电容式器件规模制造技术基础键合和硅

43、深刻蚀工艺方法的引入，显著增强了硅基 MEMS 工艺能力，使复 杂三维硅微结构的制造成为可能。 基于键合深刻蚀释放的标准工艺使一批电容取 样的微结构、静电驱动执行器、电热驱动执行器等大量应用在各种 MEMS 器件 结构中。在实现微结构的键合工艺过程中， 键合面特性和两种材料相互反应的程 度对键合质量的影响至关重要。 我们将以材料力学和固体物理为基础， 研究分析 材料改性和表面清洁处理方法对 Au 在 Si 中扩散行为对键合质量的影响，解决Au-Si 键合中反应不均匀和存在空洞的问题，提高键合质量和可靠性。结合工艺特点、微结构特点和微结构应用，以结构力学和材料力学为基础，针对微小键合面边缘面积与

44、总面积的比值增加情况， 研究随键合面积减小的键合 强度变化规律， 提出使用探针和显微镜等简单设备的有效、 快速、准确和低成本 在线微结构键合强度检测方法， 用于准确有效检测微结构键合强度， 监测键合工 艺质量、指导键合工艺优化、为微结构设计提供准确的设计参数。由于深刻蚀和光刻工艺都会在微结构图形边缘和侧壁造成粗糙， 使微结构的 加工结果不同于设计形貌。 针对这些工艺方法造成的粗糙难以通过简单的计算修 正得到准确设计结果的问题， 我们将以结构力学和材料力学为基础， 研究微结构 弹性模量和断裂强度的提取方法， 为微结构工艺设计提供准确设计参数， 利用设计的检测结构获得工艺相关的微结构等效参数，为微

45、结构设计提供合理设计依 据，提高 MEMS 器件的一次设计成品率。MEMSMEMS通过上述基础研究，提出相关工艺模型、 工艺质量评价方法和优化的 电容式器件制造工艺流程， 在 MEMS 规模制造厂进行示范应用， 用于指导 电容式器件的规模制造，提高规模制造的一致性、重复性、可靠性和成品率， 低制造成本。结合用户需求，进行 MEMS 电容式器件的规模制造，验证提出的 工艺模型、评价方法和工艺流程的实用性，促进形成我国 MEMS 电容式器件规 模制造技术平台。MEMS 单片集成器件规模制造技术基础MEMS 单片集成制造涉及较多的是结构兼容和材料兼容等问题，主要包括 四种典型的形式。 一是微机械结构

46、与处理电路间的单片集成； 二是不同功能的微 机械结构的单片集成； 三是三轴微机械结构的单片集成； 四是分子自组装材料与 微机械结构的单片集成。针对微机械结构与处理电路的集成， 研究 MEMS 工艺与 IC 工艺的兼容性问 题，包括研究微机械结构与工艺对 IC 特性的影响机制， 利用标准 IC 工艺制造微 机械结构的方法等。 针对具有不同功能的微机械结构的集成， 研究制造过程中的 复杂材料系统相互作用机制， 提出满足制造兼容性的方法。 针对三轴微机械结构 的集成，研究平行于硅片运动的微机械结构与垂直运动微机械结构间的加工兼容 性，研究横向与纵向加工精度不一致对三轴微机械结构特性的影响机制并建立相

47、 关模型，形成实现横向与纵向精度匹配的加工技术。 针对分子自组装与微机械的集成，研究自组装等方法对微机械结构的影响机制， 解决连续性固体表面上修饰 无机/有机分子的工艺兼容性问题，形成微机械结构上圆片级自组装规模制造方 法。针对片上集成结构的复杂性， 研究不同功能微机械结构与电路间加工尺度与 精度要求不同引起的相互影响模型及相关评价方法，研究 MEMS 加工与自组装 工艺的在线 /离线检测方法，实现 MEMS 加工与自组装工艺引起的表面 / 界面特 性的表征与评价方法，实现达到分子精度的自组装效果评价方法。在此基础上， 提出相关兼容制造工艺模型、 工艺质量评价方法和相应的圆片 级规模集成制造工

48、艺流程，形成自主知识产权，在 MEMS 规模制造厂进行示范 应用，部分集成制造工艺流程实现与标准 IC 工艺混线制造，提高规模制造的一 致性、重复性、可靠性和成品率。结合用户需求，进行 RF MEMS 、胎压智能检测（TPMS）传感器、压力传感器、三轴集成加速度传感器、生化分子检测传感 器等 MEMS 器件的规模制造，验证提出的工艺模型、评价方法和工艺流程的实 用性，促进形成我国 MEMS 单片集成器件规模制造技术平台。MEMS 器件规模封装技术基础MEMS 器件封装与集成电路最大的不同是如何进行可动结构保护以及保证 器件密封的情况下仅使敏感部分暴露在环境中，这也是 MEMS 器件封装最难的

49、问题，其封装成本也主要由这一因素决定。 为了解决这一难题， 目前采取的方法 是圆片级封装，通过圆片级封装方法可以将可动结构保护在一个密闭的空腔内， 提高封装的效率，降低封装成本。有些 MEMS 传感器其敏感部位需要与外部环 境接触，这时就较难利用圆片级封装技术， 必须采用基于贴片工艺的传感器封装 技术。我们将针对上述两种情况进行 MEMS 器件规模封装技术基础研究。围绕材料性能问题，测试 MEMS 器件中相关材料时间、应变率、温度相关的力学性能，并建立相应的力学本构模型；通过微纳尺度材料力学性能的测量， 研究薄膜材料应力应变行为， 揭示薄膜材料的尺度效应， 通过分子动力学方法及 测试建立材料的

50、高温下本构关系；建立相关材料 / 界面的失效准则；在此基础上 建立 MEMS 器件相关材料性能数据库，同时开发相应的接口程序，以便于相关 分析软件的调用。围绕封装中的应力问题，建立描述 MEMS 规模化封装工艺过程的跨尺度多 物理场理论模型及其数值模拟方法；研究 MEMS 器件在规模化封装工艺过程中 在各种复杂载荷（热、力、电和化学）作用下产生的形变、应力的演变规律，探 索 MEMS 器件中分层、裂纹、孔洞等各种缺陷的产生机理和发展规律及其对51MEMS器件性能的影响机制；综合考查 MEMS不同封装工艺之间的耦合作用, 揭示MEMS各封装工艺相互之间的影响机制。研究MEMS规模封装工艺过程的在

51、线/离线测试方法，实现对 MEMS器件的翘曲、变形、不平度、缺陷、可靠性进行在线/离线测量和分析，研究 器件快速可靠性评估方法，研究MEMS封装工艺中导致的应力及缺陷对MEMSMEMS器件可靠性影响机理，揭示 MEMS器件失效机制。通过上述基础研究，提出相关封装工艺模型、封装质量评价方法、MEMS器件可靠性评估方法、优化基于圆片级封装工艺和贴片工艺的传感器封装工艺流程，并在MEMS规模圭寸装厂进行示范应用，用于指导 MEMS传感器的规模圭寸装，提高封装的一致性、重复性、可靠性和成品率，降低制造成本。结合用户需求，进行压力传感器、加速度传感器等 MEMS器件的规模封装，验证提出的模型、方法和工艺

52、流程的实用性，促进形成我国 MEMS器件规模封装技术平台。参考:毕业论文（设计）工作记录及成绩评定册目:学生姓名:号:业:级:指导教师:职称:助理指导教师:职称:实验中心制使用说明一、此册中各项内容为对学生毕业论文（设计）的工作和成绩评定记录，请 各环节记录人用黑色或蓝色钢笔（签字笔）认真填写（建议填写前先写出相应草 稿，以避免填错），并妥善保存。二、此册于学院组织对各专业题目审查完成后， 各教研室汇编选题指南，经 学生自由选题后，由实验中心组织发给学生。三、学生如实填好本册封面上的各项内容和选题审批表的相应内容，经指导教师和学院领导小组批准后，交指导教师；指导老师填好毕业论文（设计）任 务书

53、的各项内容，经教研室审核后交学生签名确认其毕业论文（设计）工作任 务。四、学生在指导老师的指导下填好毕业论文（设计）开题报告各项内容， 由指导教师和教研室审核通过后，确定其开题，并将此册交指导老师保存。五、指导老师原则上每周至少保证一次对学生的指导，如实按时填好毕业 论文（设计）指导教师工作记录，并请学生签字确认。六、中期检查时，指导老师将此册交学生填写前期工作小结，指导教师对其任务完成情况进行评价，学院中期检查领导小组对师生中期工作进行核查，并对未完成者提出整改意见，后将此册交指导老师保存。七、毕业论文（设计）定稿后，根据学院工作安排，学生把论文（打印件） 交指导老师评阅。指导老师应认真按毕

54、业论文（设计）指导教师成绩评审表 对学生的论文进行评审并写出评语，然后把论文和此册一同交教研室。八、教研室将学生的论文和此册分别交两位评阅人评阅后交回教研室保存。九、学院答辩委员会审核学生答辩资格， 确定答辩学生名单， 把具有答辩资 格学生的论文连同此册交各答辩小组。十、学生答辩后由答辩小组记录人填好毕业论文（设计）答辩记录表中 各项内容， 然后把学生的论文和此册一同交所在答辩小组， 答辩小组对其答辩进 行评审并填写评语后交教研室。十一、学院答辩委员会进行成绩总评定，填好毕业论文（设计）成绩评定 表中各项内容，然后把论文（印刷版和电子版（另传） ）和此册等资料装入专 用档案袋中，教教研室后由实

55、验中心统一保存。目录1毕业论文设计）选题审批表2. 毕业论文设计）任务书3毕业论文设计）开题报告4. 学生毕业论文（设计）题目更改申请表5毕业论文设计）指导老师工作记录6毕业论文设计）中期检查记录7毕业论文设计）指导教师成绩评审表8毕业论文设计）评阅人成绩评审表9. 毕业论文（设计）答辩申请表10毕业论文设计）答辩记录表11毕业论文设计）答辩成绩评审表12毕业论文设计）成绩评定表毕业设计（论文）选题审批表题目名称基于单片机的超声波测距题印性质题目来源工程设计理论研究实验研究计算机软件综合论文其它科研题目生产现场教学其它自拟题目选题理由：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，

56、因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，精度也能 达到使用要求，超声波测距应用于各种工业领域， 如工业自动控制，建筑工程测量和机器人 视觉识别等方面。超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界 因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用。这些 特点可使测量仪器不受被测介质的影响， 大大解决了传统测量仪器存在的问题， 比如，在粉 尘多情况下对人引起的身体接触伤害， 腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀， 触电接触不良造 成的误测等。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还 降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。因此，利用超声波检测既迅速、方便、计算简单, 又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。指导教师意见:签名:院（系）领导小组意见:签名:注：此表