MEMS工艺讲义

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1、 MEMS工艺讲义课程内容 第一章 绪言2 第二章 半导体制造技术64 第三章 硅微加工技术62 第四章 光刻技术32 第五章 LIGA技术3 第六章 微机械装配与集成32 第七章 典型微机械系统装置4 第八章 MEMS制造设备3第一章主要内容 MEMS的根本概念及其特点 MEMS的开展概况 MEMS的应用领域 MEMS工艺的根本概念 MEMS工艺的国内外情况及开展趋势 微机电系统微机电系统MEMS的定义的定义什么是MEMS微机电系统MEMS是指用微机械加工技术制作的包括微传感器、微致动器、微能源等微机械根本局部以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。各个国家不同的定义 美国：微型机电

2、系统美国：微型机电系统 MEMS:Micro electro mechanical system 日本：微日本：微机械机械 Micro machine 欧洲：微系统欧洲：微系统 Micro system什么是微型机电系统例如：1、汽车平安气囊2、煤气报警器 3、声光控开关 MEMS中的核心元件一般包含两类：一个传感或致动元件和一个信号传输单元。以下图说明了在传感器中两类元件的功能关系。为什么要学习MEMS？主要特点 器件微型化、集成化、尺寸到达微米数量级 功能多样化、智能化 功能特殊性 能耗低、灵敏度高、工作效率高MEMS与传统机械有什么区别？微尺寸效应 外表与界面效应 量子尺寸效应 加工方式

3、第一章主要内容 MEMS的根本概念及其特点 MEMS的开展概况 MEMS的应用领域 MEMS工艺的根本概念 MEMS工艺的国内外情况及开展趋势 MEMS的国内外概况 MEMS开展历史回忆1947年：创造晶体管-技术根底压力传感器：54年：Si、Ge压阻效应66年：机械研磨做硅腔70年：各向同性腐蚀硅腔76年：KOH 腐蚀，MEMS加工手段80年代：集成式压力传感器目前：新机理压力传感器82年：美国U.C.Bekeley，外表牺牲层技术 微型静电马达成功 MEMS进入新纪元 九十年代初九十年代初ADI的气囊加速度计实现产业化的气囊加速度计实现产业化90年代中：ICP的出现促进体硅工艺的快速开展九

4、十年代末九十年代末Sandia实验室实验室5层多晶硅技术代表最高层多晶硅技术代表最高水平水平国内MEMS的开展 20世纪世纪90年代初清华大学等高校开始研究。年代初清华大学等高校开始研究。目前有目前有100个左右的研究小组从事本领域研究，个左右的研究小组从事本领域研究，研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅微加工技术、微系统等领域。微加工技术、微系统等领域。主要加工基地有信息产业部电子主要加工基地有信息产业部电子13所，北大微电所，北大微电子所，清华大学微电子所，上海交通大学和上海子所，清华大学微电子所，上海交通大学和上海冶金所等。冶金所等。第一章

5、主要内容 MEMS的根本概念及其特点 MEMS的开展概况 MEMS的应用领域 MEMS工艺的根本概念 MEMS工艺的国内外情况及开展趋势 SEMI发布名为“全球微机电/微系统市场和机遇的市场研究报告中指出，2005年该产业总规模到达480亿美元，期待到2021年将增长到950亿美元。这些系统的核心微机电器件在2005年产业规模到达53亿美元，由于消费电子微机电器件使用量增加，预计到2021年产业规模将增长到99亿美元，年复合增长率为13%。MEMS技术的开展与应用MEMS应用 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、玩具几个商业化了的MEMS产品(1)(1

6、)压力传感器压力传感器 最成熟、最早开始产业化 压阻式和电容式 压阻式微压力传感器的精度：，年稳定性达，温度误差为2ppm，耐压可达几百兆帕，过压保护范围可达传感器量程的20倍以上。(2)(2)微加速度计微加速度计 微加速度计是微型惯性测量组合的关键微加速度计是微型惯性测量组合的关键根底元件根底元件汽车平安气囊系统：体积小、本钱低、汽车平安气囊系统：体积小、本钱低、集成化等特点集成化等特点美国美国ADAD公司的公司的ADXLADXL美国摩托罗拉公司批量生产汽车用美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40GMMAS40G电容式微加速度计电容式微加速度计美国美国EG&G ICEG&G IC(3)(

7、3)微喷微喷基于基于MOEMSMOEMS技术的微喷已成为技术的微喷已成为MOEMSMOEMS领域的一种典型领域的一种典型器件，它的应用涉及科学仪器、工业控制以及生器件，它的应用涉及科学仪器、工业控制以及生物医疗等多个领域，目前主要的应用方向有喷墨物医疗等多个领域，目前主要的应用方向有喷墨打印、芯片冷却、气流控制以及微推进系统，应打印、芯片冷却、气流控制以及微推进系统，应用于药物雾化供给的微喷研究也正在兴起。用于药物雾化供给的微喷研究也正在兴起。喷墨打印机的喷墨打印头，年产值数亿美元喷墨打印机的喷墨打印头，年产值数亿美元(4)(4)数字微镜器件数字微镜器件 与传统的与传统的CRTCRT和和LCD

8、LCD投影显示技术相比：投影显示技术相比：足够的亮足够的亮度，均匀性和稳定性度，均匀性和稳定性反射显示：德州仪器设计的数字驱动微简易阵列芯反射显示：德州仪器设计的数字驱动微简易阵列芯片片DMDDMD，Digital Micromirror Device)Digital Micromirror Device)，实际，实际上是反射式微光开关阵列。上是反射式微光开关阵列。每一个微镜对应图象的一个像素，一个微镜的尺寸每一个微镜对应图象的一个像素，一个微镜的尺寸仅为仅为16m16m16m16m。DMDDMD可以承受可以承受1500g1500g的机械冲击、的机械冲击、20g20g的机械振动，的机械振动，设

9、备的使用寿命超过了设备的使用寿命超过了100,000100,000小时。小时。一块完整的一块完整的DMDDMD半导体芯片：镜面是由一百三十万半导体芯片：镜面是由一百三十万个微反射镜组成的长方形阵列，每个微镜对应于个微反射镜组成的长方形阵列，每个微镜对应于投影画面中的一个光学像素。投影画面中的一个光学像素。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 平安、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 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

10、机电信号处理 用于军需跟踪、环境监控、平安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 武器平安、保险和引信 用于有条件保养的嵌入式传感器和执行器 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、共型外表。惯性惯性 MEMS航空、航天 航空：改进飞机性能、保证飞机平安舒适、减少躁声 航天：天际信息网、微重力测量FLUDIC MEMS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

11、分插复用器OADM和波分复用器 无线 ；MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS滤波器、RF MEMS振荡器、MEMS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MEMS的应用环境保护 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OPTIC-MEMS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

12、测的微型仪器BIO MEMS典型MEMS系统微型机器人典型MEMS系统微汽车车长车速10mm/s典型MEMS系统微型卫星清华一号清华一号美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，全由硅片构成，直径仅电池外，全由硅片构成，直径仅15cm典型MEMS系统微型飞行器第一章主要内容 MEMS的根本概念及其特点 MEMS的开展概况 MEMS的应用领域 MEMS工艺的根本概念 MEMS工艺的国内外情况及开展趋势 工艺的概念 工艺：劳动者利用生产工具对各种原材料，半成品进行加工和处理,改变它们的几何形状，外形尺寸，外表状态，内部组织，物理和化学性能以及相

13、互关系，最后使之成为预期产品的方法及过程。工艺技术：是人类在劳动中逐渐积累起来并经过总结的操作技术经验，它是应用科学，生产实践及劳动技能的总和。MEMS的典型生产流程膜越厚，腐蚀膜越厚，腐蚀 次数越少。次数越少。去除下层材料，去除下层材料，释放机械结构释放机械结构 采用特殊的检测和划采用特殊的检测和划片工艺保护释放出来的机片工艺保护释放出来的机械结构械结构封装时暴露局部零件封装时暴露局部零件机、电系统机、电系统全面测试全面测试DEPOSITION OF MATERIALPATTERN TRANSFERREMOVAL OF MATERIAL 屡次循环屡次循环 PROBE TESTINGSECTI

14、ONINGINDIVIDUAL DIEASSEMBLY INTO PACKAGEPACKAGE SEALFINAL TEST成膜成膜光刻光刻腐蚀腐蚀集成电路：Integrated Circuit，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成在一块半导体单晶片如硅或砷化镓上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能MEMS与集成电路工艺的相同 微机电系统是在微电子技术的根底上开展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术。这说明微电子技术是MEMS技术的重要根底，微电子加工手段是MEMS的重要加工手段之一，

15、微电子中的主要加工手段均在MEMS制备中发挥极大作用。包括：Si材料制备、光刻、氧化、刻蚀、扩散、注入、金属化、PECVD、LPCVD及组封装等MEMS工艺 硅工艺 体硅工艺 外表工艺 两者结合 非硅工艺 LIGA工艺 DEM工艺 其他工艺：超精密加工、非切削加工、特种加工技术MEMS与集成电路工艺的不同 集成电路与MEMS器件特点比较：集成电路：薄膜工艺；制作各种晶体管、电阻电容等 重视电参数的准确性和一致性 MEMS：工艺多样化 制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、锥、针尖、弹簧及所构成的复杂机械结构 更重视材料的机械特性，特别是应力特性特点的不同导致对工艺的要求不同第一章主要内容 MEMS的

16、根本概念及其特点 MEMS的开展概况 MEMS的应用领域 MEMS工艺的根本概念 MEMS工艺的国内外情况及开展趋势 MEMS工艺的国内外情况 硅工艺 体硅工艺 外表工艺 两者结合 非硅工艺 LIGA工艺 DEM工艺 其他工艺：超精密加工、非切削加工、特种加工技术 裸片淀积氧化层体微加工流程体微加工流程图形化氧化层腐蚀(Si)除去氧化层MEMS 器件的加工MEMS 器件的加工 裸片 淀积薄膜 利用光刻图形化利用光刻图形化 淀积牺牲层膜 图形化牺牲层 淀积机结构械薄膜 图形化释放结构表面微机械加工流程表面微机械加工流程LIGAMEMS工艺的开展趋势微机电系统的开展对微机械加工技术的要求：有较强的

17、加工能力，可以制作灵活多样的高深宽比的微结构，能实现三维或准三维的设计加工；工艺简洁、设备成熟、可以高效率和低本钱的批量生产；与集成电路工艺的兼容性好；便于器件的封装，最好能实现片上封装以硅为主，但能便于同时采用多种具有其他特性的结构材料MEMS工艺的开展趋势 继续保持与硅集成电路的紧密联系充分利用硅材料、广泛利用为集成电路开发的现有设备和技术、并且相着不断把信号检测和控制电路与微结构单片集成的方向开展；体硅技术、外表加工技术与LIGA加工技术三种技术在其开展过程中更加紧密的融合在一起，相互之间的界限更加模糊。MEMS的相关资讯参考书：参考书：MEMS和微系统和微系统设计与制造设计与制造 王晓

18、浩、熊继军等译王晓浩、熊继军等译，机械工业出版社，机械工业出版社微机电系统设计与制造微机电系统设计与制造 刘晓明刘晓明 等编著，国防工业出版社等编著，国防工业出版社微传感器与微执行器微传感器与微执行器 张文栋等译，科学技术出版社张文栋等译，科学技术出版社?微机械加工技术微机械加工技术?黄庆安，东南大学出版社黄庆安，东南大学出版社?微机电系统技术微机电系统技术?石庚辰著，国防工业出版社石庚辰著，国防工业出版社?微机械电子系统及其应用微机械电子系统及其应用?刘广玉等著，北京刘广玉等著，北京 航空航天大学出版社航空航天大学出版社?硅微机械传感器硅微机械传感器?陶家渠等，陶家渠等，中国宇航出版社中国宇航出版社