微系统技术在汽车覆盖件生产中的应用

微系统技术在汽车覆盖件生产中的应用

0mems的微系统组成微系统是指微电子机械系统或微电机械系统，以下简称ss。实际上,微系统的范围很宽泛,它是以微电子学,微电子机械系统以及微生物,流体学等学科为基础的一门综合性学科,是集成微型机械、微型执行器以及信号处理和执行电路、接口、通信和电源等于一体的系统,其应用拓展到机、光、电、热、化学、生物等很多领域。微系统的组成如图1所示,其中,传感器将外界信息转变成电信号送给处理电路,信号经处理传递给执行器,执行器件再根据收到的信号做出响应。与MEMS的主要区别在于,MEMS产品可以只涉及系统的某个部分或者全部系统,但是微系统一定是整合了各个模块的智能系统。与传统装置相比,微系统器件具有微型化、集成化、智能化、成本低、性能高、可大批量生产等优点,广泛应用于仪器测量、无线通讯、军事国防、生物化学、能源环境等领域,并已产生深远影响。1微机械结构制造技术微系统的发展和MEMS的发展都是随着集成电路制造技术的发展孕育而生的。微系统初期主要研究的是半导体材料及其在物理器件中的应用。1959年,美国著名物理学家Feynman提出了微计算机,微机械和微器件的设想;20世纪60年代,Waggener等人进一步完善了各向异性刻蚀技术使微压力传感器的制造成为可能。伴随着键和技术的出现,Honeywell和Philips公司利用硅玻璃键和技术,结合压阻效应制造出微压力传感器。Nathanson用表面技术实现了静电力驱动SiO2悬臂梁谐振FET和光反射镜;20世纪80年代,表面微加工技术更加完善,反应离子深刻蚀技术和LIGA技术的发明使高深宽比三维结构的制造成为可能,并制造出扭转微镜、原子力显微镜、悬梁壁结构和静电马达等微结构器件;20世纪90年代,微系统进入高速发展时期,表面微加工进一步完善,德国和日本分别研发了干法深刻蚀技术、加速度传感器、微陀螺、光开关等大量微结构器件,推动了很多领域的技术发展。目前,北美洲和欧洲处在微机电系统和微系统工业的最前沿,已形成了一条完整的产业链,其中包括微系统设计公司,微系统设备供应商,设计代工厂和提供设计和模拟的CAD工具厂商。设计公司根据用户需要设计研发新型器件;设备供应商研制出大量功能强大的设备供设计和代工厂使用,例如ElectronicVisions公司的双面掩模对准机,STS公司的深反应离子刻蚀机;代工厂适合大批量的生产产品,同时降低产品成本,比较有名的公司有美国的Cronos集成微系统公司和法国的Memscap公司;CAD公司提供有效微系统设计软件,例如美国的Ansys和CoventorWare等。借助高端技术,大量微型器件被生产并运用在相当广泛的领域,例如射频开关和微镜阵列被应用于笔记本电脑和投影设备;硅麦克风、光开关阵列、波分复用器、射频滤波器等被应用于手机等通讯设备;汽车制造业当中最常用的微器件有微机电系统压力表、微加速计、MEMS陀螺汽车导航仪;医学方面有神经探针、悬浮微块阵列免疫芯片等;而武器制导、超小型低功耗无线通讯设备、军事跟踪、安全勘查、环境监控等领域都需要大量微结构器件,因此,微系统设计和制造技术必然会占领极其重要的地位。国内,清华大学利用半导体制造技术研制出微陀螺。除此之外,北京大学、复旦大学、东南大学等一些高校以及中科院、信息产业部等单位在近些年有不错的发展,例如某研究所发明的多层三维微机械结构一次成型技术可以一次性腐蚀出多层三维微机械结构,在干法刻蚀和芯片封装方面有独创的技术。目前,国内微结构器件主要应用于通讯、电子和汽车制造业,代工厂集中在珠江、长江三角洲以及北京、台湾产业园区,一批新的微系统公司也即将成立,这必然会带动全国高新技术的发展。2微系统制造技术2.1微系统制造工艺集成电路(IC)工艺制造技术是通过多次的薄膜淀积、光刻、扩散注入、刻蚀等基本工艺操作来实现的,制造过程如图2所示。微系统的制造技术在发展前期大量借助IC制造技术,制造小型器件并与电路集成实现微型化。但随着技术的不断进步,为实现更高的技术要求,微系统还需要大量与IC设计工艺不同的制造技术,比如各向异性刻蚀技术,反应离子深刻蚀(DRIE),光刻模铸电镀成型技术(LIGA),双面刻蚀,键合,软光刻技术等。这些工艺主要是解决传统IC制造所不能加工的高深宽比和可动结构的问题。与IC制造过程相比,微系统的制造过程更为复杂,因为IC器件是二维平面器件而微系统中绝大多数为三维器件。此外,微系统结构工作时是运动着的,这就对器件的可靠性提出了更高的要求。2.2电容对声音信号的影响图3为一种电容式微型硅麦克风,多晶硅波纹膜片与硅衬底刻蚀的背板构成电容的两个极板,当声压作用在膜片上时,膜片的变形改变了电容的大小,通过测量电容可以得到声音信号。这种复杂的微结构难以用IC工艺实现,必须采用微加工技术制造。微加工技术包括体微加工技术和表面微加工技术以及特殊微加工技术。体微加工是指沿着衬底厚度的方向对衬底进行刻蚀的工艺,包括湿法刻蚀和干法刻蚀,是实现三维结构的重要方法。当刻蚀速度在各个方向上相同时,刻蚀为各向同性,否则为各向异性。2.2.1氧化剂和碱土湿法刻蚀是一种化学加工方法,它利用刻蚀溶液与被刻蚀材料发生化学反应实现刻蚀,可分为各项同性刻蚀和各向异性刻蚀。(1)各项同性刻蚀常用的各项同性刻蚀溶液是氢氟酸(HF)、硝酸(HNO3)、和乙醇(CH3COOH)的混合物,简称HNA。硝酸是强氧化剂,可以将硅氧化为二氧化硅;氢氟酸提供的氟离子将二氧化硅变为可溶性化合物从而实现刻蚀。总体反应式为:刻蚀的速率依赖于溶液中3种成分的比例并且和硅衬底的掺杂浓度有关,刻蚀速度一般为4~20μm/min。这种方法多用来去除表面损伤,异性刻蚀产生的尖角以减小应力以及在表面微加工中释放悬浮结构,刻蚀平面,薄膜或者较薄结构等。(2)各向异性刻蚀碱金属的氢氧化物溶液、联氨的水溶液、EDP以及TMAH等碱性溶液对硅的刻蚀速度和晶向有关,属于各项异性腐蚀。其中碱性溶液的刻蚀总反应式为:OH-刻蚀的速度与衬底晶向和溶液温度浓度有关,温度的影响比较明显,在80~85℃下刻蚀速度一般为1~1.4μm/min。这种方法可以根据需要腐蚀不同晶向的材料得到复杂的微结构,而且工艺相对简单,已经成功运用在压力传感器、加速度传感器等器件的生产上。2.2.2氟基化合物sf6晶圆刻蚀法干法深刻蚀是指利用反应离子深刻蚀(DRIE)进行的体硅各向异性刻蚀工艺,刻蚀速度是一般湿法各向异性刻蚀的2~15倍,可达2~20μm/min,而且刻蚀的结构不受晶向影响,刻蚀深宽比大于50。目前最常用的是由德国Bosch公司发明的时分复用法和日本Hitachi公司发明的低温刻蚀法,都是利用氟基化合物SF6产生的等离子体轰击衬底进行刻蚀,同时对非刻蚀面产生保护层,防止各向同性刻蚀。低温刻蚀方法设备成本高但制作出的结构表面更光滑;时分复用法的刻蚀速度较快,成本上更占优势。利用干法深刻蚀技术已成功生产出诸如微型惯性仪,微型陀螺,可调微型反射镜,光开关等大批微型器件,成为制造高深宽比,复杂微结构器件不可或缺的技术之一。2.3淀积损失石结构表面微加工技术是采用薄膜淀积,光刻以及刻蚀等工艺手段,通过在牺牲层上淀积结构薄膜,然后去除牺牲层来得到所需结构。其工艺过程如下:首先在衬底上淀积牺牲层,对其光刻形成结构层的支撑锚点,然后在牺牲层上淀积结构材料,刻蚀结构材料,最后腐蚀牺牲层,固化结构。如图4所示,美国Sandia实验室利用微表面技术制作的具有5层多晶硅结构的齿轮转动系统,由静电驱动器驱动连杆带动齿轮转动。表面微加工技术采用薄膜淀积、刻蚀等基本工艺,与IC制造技术兼容性好,但IC设计制造需严格控制器件的电学性能,而表面微加工则对器件的力学特性要求较高,而且需要解决粘连、残余应力、摩擦、驱动等问题。2.4特殊微加工技术2.4.1在玻璃中的应用微加工工艺中有时需要将两块微加工后的芯片粘接在一起以获得复杂构造,实现更多的功能,由此产生键合技术。其方法主要有焊接、融接、阳极结合、扩散结合等。焊接是将焊剂夹入基板间,在一定温度且加压情况下使基板间连接起来。焊剂包括有机薄膜,聚酰亚胺,低融点玻璃等,适于精度要求不高的情况;融接技术是使玻璃基板重叠,在真空中加热到融着温度使二者结合的方法;阳极键合是在硅和玻璃间加上约600~2000V的电压,温度300~400℃情况下,利用二者间的静电引力使其结合;扩散结合是利用压力产生的接触面的轻微变形在一定温度下使原子扩散产生结合力,从而使基板间粘接起来。其中,硅直接键合(SDB)技术比较常用,其原理是在高温下形成硅片之间或者硅与二氧化硅的连接。两硅片通过高温处理可直接键合在一起,中间不需任何粘结剂,也不需外加电场,工艺简单,过程是将两抛光硅片经含OH-的溶液浸泡处理,在室温下将两硅片面对面贴合在一起,在保护气体环境中经数小时的高温处理后就形成了良好的键合。2.4.2x-ct-l-p-n-pb材料该技术利用X光厚胶,X射线发生器和电镀设备来制造高深宽比结构。其基本工艺原理如图5所示。(1)光刻:在导电衬底上涂厚光刻胶,这层光刻胶在MEMS制造中被称为抗蚀剂。它的化学特性是在X射线的照射下某些化学键断裂导致化学抗蚀力的变化,使得被照射的材料可以被显影剂溶解,一般用甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。抗蚀剂采用直接聚合或者焊接的方式与基地金属板连接在一起,厚度可达几毫米。然后对抗蚀剂进行掩模光刻。LIGA技术中的掩模板与传统IC制造有差别,掩模板由吸收体和载体薄片构成(如图5(a)所示),吸收体要求对X射线有很好的吸收性,一般用金做材料。载体薄片需要对X射线有较好的透射率,厚度很薄。经X射线照射的抗蚀剂经显影之后得到图5(b)的结构。(2)电镀:如图5(c)所示,用电镀的方法在图5(b)的微结构上沉积金属,要求在最小的应力下进行,这样不会引起微结构变形,而且在开模的过程中不会粘连以致破坏微结构。一般电镀材料有金、铜、镍以及镍合金等。(3)成型:将图5(c)的结构用X射线照射并显影后得到金属微结构模型,被称为模型型心,如图5(d)所示。通过型心便可以大批量的生产微型器件。不过由于前面步骤工艺复杂,制造出的型心成本高昂,因此需要制造型心模板,原始的模型型心被保留,而使用模板大量生产微结构器件。目前成型的方式一般有两种,一种是注射成型方法,一种是热模压印成型方法。注射成型是选用合适的材料将其融化注入到模型的空隙当中,如图5(e)所示,然后使其冷却凝固,最后脱模成型,如图5(f)所示。这种方式同样要注意注入材料的应力特性,保护型心不被损坏。热模压印成型的方法是利用模型型心在高温条件下对器件材料进行压印,分离冷却后即得到所需结构,即用图5(d)的模板型心在高温条件下对图5(a)材料直接压印得到图5(f)的效果。此方法需要注意的是由于在高温下进行压印,冷却后结构可能有所收缩,进而导致器件损伤或者尺寸不足,所以应尽量选用热膨胀系数小的材料加工。目前,基于LIGA技术研发的成果有微型传感器(温度传感器和加速度传感器)、微电机、微型泵、集成光学和微光学元件、微型马达、涡轮机、微型喷嘴、微型滤波片、微型机械零件、微型医疗器件和装置、流体技术微元件、纳米技术元件及系统等。2.4.3纳米结构的转移纳米压印技术是在LIGA技术中热模压印成型方法基础之上衍生出来的技术,利用具有纳米结构的模具,通过热压、UV曝光等方式将此结构转移至特定材料上,使其达到量产的目的。此技术生产出的器件可达到纳米级线宽,比半导体光学曝光显影技术小很多,而且转印速度快,具有量产优势。2.4.4制造深度和比例结构(1)深宽比结构器件主要是利用反应离子深刻蚀(DRIE)和多晶硅淀积相结合制造高深宽比多晶硅结构。首先在硅衬底上利用DRIE技术刻蚀深槽,之后用LPCVD技术淀积足够厚的氮化硅作为保护层和绝缘层,之后高温LPCVD一层二氧化硅作为牺牲层,对其光刻腐蚀,再淀积多晶硅填充硅深槽,并对多晶硅掺杂使之具有导电性。然后在多晶硅表面淀积金属并刻蚀成为电极。如果需要,还可以在此基础上再进行深刻蚀,然后进行横向刻蚀,使器件具有悬臂式等复杂结构。利用此技术可以制造出200:1的深宽比结构器件,远大于普通刻蚀深宽比。值得一提的是,多晶硅力学特性不是很理想,淀积过程中容易产生缺陷,而单晶硅抗冲击性能好,与衬底可直接连接,因此也有机构用HARPSS相类似的方法制造单晶硅高深宽比结构,并已成功用于制造RF谐振器、RF可调电容、加速传感器、陀螺等器件。(2)drie-drie-锚点镀导电工艺SCREAM是一种利用反应离子深刻蚀(DRIE)各向异性和各向同性相结合的方法制造单晶硅悬空结构的方法。其工艺流程主要有以下几个环节:在硅衬底上生长二氧化硅,光刻使之刻出窗口,DRIE深刻蚀形成深槽,淀积二氧化硅使之将深槽覆盖,然后利用各向异性刻蚀深槽底部的二氧化硅,使底部的硅暴露出来,再将硅刻蚀一定深度之后进行横向刻蚀,最后镀电极成型。该方法主要受淀积二氧化硅方法的共型能力限制,一般可实现超过10:1的深宽比。(3)在合成矿中的应用利用反应离子深刻蚀和绝缘体硅来制造单晶硅的三维微机械结构是目前比较常用的方法。在SOI中间有一层二氧化硅可以直接用来制