微电子机械系统及硅微机械加工工艺

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摘要：微电子机械系统(MEMS) 是一项21 世纪可以广泛应用的新兴技术。硅微机械加工工艺是近年来随着集成电路工艺发展起来的MEMS 主流技术。介绍了MEMS 的特点、国内外MEMS的发展现状，讨论了MEMS 的三种加工方法，着重探讨了硅微机械加工中常用的腐蚀、键合、光刻、氧化、扩散、溅射等工艺。
关键词：微电子机械系统；体微加工；表面微加工；LIGA

微电子机械系统(MEMS) 代表了一种未来将改变整个工业和带来下一次技术革命的不平凡的技术，可以预测MEMS 技术将是一次新的工业革命。MEMS 利用传统的机械加工工艺、半导体硅微机械加工工艺和软X 射线深层光刻电铸成型工艺等来制作微尺度的机械、流体、电子、光学及其它一些器件。其中硅微机械加工工艺是制作MEMS 的主流技术，越来越多地用于MEMS 的加工中。

1 微电子机械系统

1.1 微电子机械系统的定义

微电子机械系统是指采用微机械加工技术和微电子技术相结合的工艺技术，可以批量制作，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。

微电子机械系统开辟了一个新的技术领域，微电子机械系统的研究不仅涉及元件和系统的设计、材料、测试、控制、集成、能源以及与外界的联接等许多方面，还涉及微电子学、微机械学、微动力学、微流体学、微热力学、微摩擦学、微光学、材料学、物理学、化学、生物学、信息与控制等多个学科领域，是综合性高新技术。微电子机械系统将微电子、精密机械、生化和信息处理等高新技术有机整合，利用半导体加工工艺来制作微尺度的机械、流体、电子、光学及其它一些器件，在单一或多个芯片上集成传感、信号处理、控制及驱动于一体。微电子机械系统中的机械不限于狭义的机械力学中的机械，包括力、热、声、光、磁乃至化学、生物等具有能量转化、传输等功能的效应。

1.2 微电子机械系统的特点

1.2.1 微型化

MEMS 器件体积小、质量轻、功耗低、性能稳定、谐振频率高，响应时间短，可以集成控制、感应和执行等多种功能。

1.2.2 以硅为主要材料

硅的机械电气性能优良，强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似，热传导接近钼和钨。

1.2.3 可批量生产

用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型电子机械装置或完整的MEMS 器件，生产成本低，生产周期短，性能一致性好，对环境的损害小等。

1.2.4 集成化

可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS 器件。

1.2.5 多学科交叉

微电子机械系统涉及电子、机械、材料制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约当今科学技术发展的许多尖端成果。

2 微电子机械系统的发展状况

2.1 国外发展现状

微电子机械系统自20 世纪80 年代末期发展至今，一直受到世界各发达国家的广泛重视，美、日、德、荷兰等国政府将MEMS 技术作为战略性的研究领域之一，投入巨资进行专项研究，美国和日本的MEMS 技术处于领先地位。美国完成《MEMS 的军事应用》研究报告，指出了MEMS 在精确制导武器、灵巧武器、侦察通讯、破坏敌方指挥系统和战斗力等方面的应用前景。美国宇航局已在实施微型卫星(0.1kg～10 kg) 计划，并提出了纳米卫星( < 0.1 kg) 设想。美国的大学、国家实验室和公司已有大量的MEMS 研究小组，并已开发出许多种实用化的MEMS产品进入市场。如AD 公司的加速度计，管芯尺寸为1.5 mm ×1.5 mm ，量程达±50 g ，灵敏度为15mV/g ；Park 公司已开发出用于扫描隧道显微镜(STM) 和原子力显微镜(AFM) 的微型传感器，它由悬臂梁、微针尖以及信号检测和放大的集成电路组成。日本在微机械技术领域的研究十分活跃，近几年已经利用电火花加工技术、IC 技术和光成型技术加工出各种传感器和执行器，研制成功主要用于生物和医疗的微型机器人。德国的LIGA 技术处于国际领先水平，他们已在实验室里制造出了微传感器、微电机、微执行器、集成光学和微光学元件、微型流量计以及直径为数百微米的金属双联齿轮等微机械零件。

2.2 国内发展现状

我国从20 世纪80 年代末开始研究MEMS ，1995年国家科技部实施了攀登计划“微电子机械系统项目”(1996 年～1999 年) 。1999 年实施了国家重点基础研究发展计划“集成微光机电系统研究项目”。已形成了几个研究方向:微型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感器和致动器； 微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅制造工艺。我国在基础理论研究和相关技术方面取得了一些有特色的成果，有些已经达到国际先进水平。开展了包括微型直升机、微传感器(加速度计、微陀螺、压力传感器、流量传感器、气敏传感器、湿敏传感器、红外传感器阵列) 、微泵、微喷、微马达、微光器件、DNA 芯片等MEMS 器件的研究。清华大学于2000 年6 月发射成功进入700 km太阳轨道的“航天清华一号”微小卫星，其质量只有60 kg、体积仅0.07 m3 。北京大学微电子所以IC 加工线为基础，深入开展硅微机械加工工艺研究，形成了成熟的工艺技术。目前MEMS 已从实验室探索走向产业化轨道，潜在市场很大，应用领域很广，已经广泛应用于化工工业、能源动力、信息通讯、国防产业、航空航天和医药及生物工程等领域，而且在家庭服务、人体研究及环境治理等方面也有巨大的应用前景。

3 微电子机械系统的加工方法

3.1 传统机械加工方法

传统机械加工方法以日本为代表， 日本研究MEMS 的重点是超精密机械加工，她更多的是传统机械加工的微型化，这种加工方法利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器，可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，例如微型机械手、微型工作台等。

3.2 半导体硅微机械加工方法

以美国为代表的半导体硅微机械加工方法与传统IC 工艺兼容，利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅基材料进行加工，形成硅基微电子机械系统的器件，可以实现微电子与微机械的系统集成，并适合于批量生产，已经成为MEMS 的主流技术。当前硅基微加工技术可分为体微加工技术和表面微加工技术。