1、微機(jī)械電子系統(tǒng)微機(jī)械電子系統(tǒng)（MEMS）（也寫(xiě)為微機(jī)電，微機(jī)電或微電子和微機(jī)電系統(tǒng)） 是山電力驅(qū)動(dòng)的非常小的機(jī)械裝置技術(shù)。它在納米尺度融合了納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS） 和納米技術(shù)。微機(jī)電系統(tǒng)也被稱(chēng)為微型機(jī)械（在日本），或微系統(tǒng)技術(shù)MST （在 歐洲）。朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音MEMS是獨(dú)立的，與分子納米技術(shù)或分子電子學(xué)不同。MEHS由1至100微米 （即0.001至0.1毫米）之間大小的部件組成，通常MEMS設(shè)備的尺寸范圍是20 微米（0.000002米）至1毫米。它們通常由處理數(shù)據(jù)的中央單元，微處理器和 其它若干個(gè)用來(lái)連接外設(shè)的部件，例如微傳感器，組成。在這種大小

2、尺度，經(jīng)典 物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)并不總是有用的。111于MEMS的表面積與體積比，表面效應(yīng)如 靜電，如慣性或熱質(zhì)量的潤(rùn)濕主宰體積效應(yīng)，都較大。非常小的設(shè)備的潛能在技術(shù)存在之前就已得到贊賞，這可以讓人們看到，例 如，理查德費(fèi)曼1959年著名的演講，有底部的空間。一旦能使用通常用來(lái)制造 電子產(chǎn)品的改性半導(dǎo)體設(shè)備制造技術(shù)制造，MEMS將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這些制造技術(shù)包 括成型和電鍍，濕法刻蝕（KOH, TMAH）和干蝕刻（RIE and DRIE）,電火花加工 （EDM ）以及其它小型設(shè)備的制造技術(shù)。MEMS設(shè)備的一個(gè)早期的例子是 resonistor, 一種機(jī)電單片諧振器。1. MEMS描述根據(jù)U標(biāo)設(shè)備和市場(chǎng)

3、部門(mén)，MEMS技術(shù)可以采用不同材料和制造技術(shù)。2. MEMS制造材料2. 1硅在現(xiàn)代世界上，硅是創(chuàng)建消費(fèi)電子產(chǎn)品的最集成電路的材料。規(guī)模經(jīng)濟(jì)，隨 時(shí)可得的廉價(jià)優(yōu)質(zhì)的材料和電子功能整合能力，使硅在MEMS應(yīng)用中有廣泛的吸 引力。硅還通過(guò)其材料性能產(chǎn)生顯著的優(yōu)勢(shì)。在單晶形式，硅是一種近乎完美的 胡克材料，這意味著當(dāng)它彎曲時(shí)，兒乎沒(méi)有遲滯，因此兒乎沒(méi)有能量損耗。以及 高重復(fù)制造，這也使得硅非?？婶愕?。它很少疲勞，可以在十億至萬(wàn)億范圍內(nèi)不 中斷服務(wù)的服務(wù)周期。生產(chǎn)所有基于硅的MEMS設(shè)備的基礎(chǔ)的技術(shù)是材料層的沉 積，圖案光刻到這些層上，然后刻蝕制造所需形狀。2. 2聚合物盡管電子行業(yè)為硅行業(yè)提供了一個(gè)

4、經(jīng)濟(jì)規(guī)模，但是生產(chǎn)上，晶體硅仍是一個(gè) 復(fù)雜和相對(duì)昂貴的材料。另一方面，聚合物可以生產(chǎn)數(shù)量巨大，具有種類(lèi)繁多的 材料特性。MEMS器件可通過(guò)，諸如注塑成型，壓花或光固化由聚合物制成，特 別適合于微流體應(yīng)用，如一次性血液測(cè)試盒。2. 3金屬金屬也可用于創(chuàng)建MEMS元素。而金屬不具備硅在機(jī)械性能中展現(xiàn)的某些優(yōu) 勢(shì)，當(dāng)在其限制內(nèi)使用時(shí)，金屬可以表現(xiàn)出非常高的可靠性程度。金屬可以通過(guò)電鍍，蒸鍍，濺鍍的過(guò)程沉積。常用的金屬包括黃金，銀，鋁，銅，輅，鈦，鉤，鈕，銀。有強(qiáng)大MEMS的公司，規(guī)模上有大有小。規(guī)模大的公司為終端市場(chǎng)，如汽車(chē), 生物醫(yī)藥，電子等，專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)大量廉價(jià)的組件或打包解決方案。成功的小企業(yè)提

5、供創(chuàng)新解決方案的價(jià)值和吸收有高銷(xiāo)售額與利潤(rùn)的定制制造的費(fèi)用。此外，大型 和小型公司從事研究與開(kāi)發(fā)工作來(lái)探索MEMS技術(shù)。3. MEMS基木過(guò)程3. 1沉降過(guò)程在MEMS加工的基本基石之一是具有存厚度放在兒納米至大約100微米的薄 膜材料的能力。3. 1. 1物理沉積有兩種類(lèi)型的物理沉積過(guò)程。物理氣相沉積（PVD）:1）濺射2）蒸發(fā)3.1. 2化學(xué)沉積有兩種類(lèi)型的化學(xué)沉積。化學(xué)氣相沉積：1）LPCVD：低壓化學(xué)氣相沉積2）PECVD反應(yīng)：等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積3. 2掩膜制造MEMS中的掩膜制造是材料上圖案的轉(zhuǎn)移。3. 2. 1光刻在MEMS中光刻技術(shù)通常是通過(guò)選擇性暴露在輻射源，例如光源將光敬

6、材料 的圖案轉(zhuǎn)移。光敏材料是這樣一種材料，當(dāng)其暴露在輻射源下，其物理性將會(huì)改 變。接觸到的輻射來(lái)源。如果一個(gè)光敬材料是有選擇性地暴露在輻射中（例如， 通過(guò)屏蔽部分的輻射），輻射物質(zhì)上的圖案轉(zhuǎn)移到曝光材料上，作為暴露和非暴 露區(qū)域的不同的屬性。這暴露區(qū)域可以被刪除或處理為基礎(chǔ)基板提供一個(gè)面具。光刻通常用金屬或 其他薄膜沉積，干濕蝕刻。1）電子束光刻電子束光刻技術(shù)（通常稱(chēng)縮寫(xiě)為電子束光刻）是在表面覆蓋有薄膜（稱(chēng)為抗 蝕劑）上以圖案掃描一束電子，（“曝光”抗蝕劑）和選擇性地移除在抗蝕劑上曝 光或非曝光的區(qū)域（顯像）的過(guò)程。其目的，與光刻一樣，是在抗蝕劑上建立在 非常小的結(jié)構(gòu)，可以隨后通過(guò)蝕刻被轉(zhuǎn)移到

7、基板材料上。它在制造集成電路，也 在建立納米技術(shù)架構(gòu)中使用。電子束光刻技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是，它是超過(guò)光的衍射極限，并在納米制度建立 特征的方法之一。這種無(wú)掩膜光刻在用于光刻的掩模制造，半導(dǎo)體元件小批量制 造和研發(fā)中廣泛應(yīng)用。電子束光刻技術(shù)的主要限制是呑吐量，即它對(duì)整個(gè)硅晶片或玻璃基板的曝光 需要很長(zhǎng)的時(shí)間。長(zhǎng)時(shí)間的曝光，使光束漂移或不穩(wěn)定在曝光過(guò)程中容易發(fā)生。 此外，如果笫二次圖案不改變，掉頭進(jìn)行返工或重新設(shè)計(jì)時(shí)間將被不必要延長(zhǎng)。2）離子束光刻據(jù)了解，聚焦離子束光刻能夠?qū)懗龇浅：玫募?xì)紋（已經(jīng)可以愛(ài)到小于50納 米的線和空間），而沒(méi)有鄰近效應(yīng)。但是，因?yàn)殡x子束光刻寫(xiě)作領(lǐng)域相當(dāng)小，所 以大面積的圖案必

8、須拼接小領(lǐng)域來(lái)創(chuàng)建。3）X射線光刻X射線光刻是用于電子工業(yè)中有選擇地去除薄膜部分的過(guò)程。它釆用X射線 傳輸掩膜上的兒何圖案到基板上的感光化學(xué)光阻，或簡(jiǎn)單的稱(chēng)為“抗蝕劑”。通 過(guò)一系列的化學(xué)處理，刻到在光致抗蝕劑下面的光阻材料上。3. 3刻蝕過(guò)程有兩個(gè)基本類(lèi)型的蝕刻工藝：濕法刻蝕和干法刻蝕。前者，浸泡在化學(xué)溶液 中的材料不溶解。后者，是有些過(guò)時(shí)的MEMS刻蝕技術(shù)概述，利用反應(yīng)離子或氣 相腐蝕劑濺射或解散材料。3. 3. 1濕法刻蝕濕法化學(xué)刻蝕通過(guò)將基板浸入可以溶解要去除材料的溶液中，選擇性去除材 料。此蝕刻過(guò)程中的化學(xué)性質(zhì)提供了一個(gè)良好的選擇性，這意味著，如果仔細(xì)挑 選，目標(biāo)材料的刻蝕率將大大高

9、于掩膜材料。1）各向同性刻蝕在刻蝕的進(jìn)展，在各個(gè)方向有相同的速度。掩膜上長(zhǎng)窄的孔洞將在硅上產(chǎn)生 V形溝槽。如果刻蝕進(jìn)行的正確，尺寸和角度非常準(zhǔn)確，那么這些溝槽的表面是 原子級(jí)光滑的。2）各向異性刻蝕有些單晶材料，如硅，基于基材晶體取向?qū)⒂胁煌目涛g率。這就是所謂的 各向異性刻蝕，最普遍的例子之一是在KOH （氫氧化鉀）溶液中刻蝕硅，硅111> 面蝕刻比其他方向（結(jié)晶取向）約慢100倍。因此，在（100）硅晶體蝕刻在一 長(zhǎng)方空，將得到一個(gè)54.7。金字塔形的墻，而不是一個(gè)以各向同性蝕刻側(cè)壁彎 曲的洞。3）刻蝕液氫氟酸是一種常用的二氧化硅（囤，也被稱(chēng)為BOX的SOI）的一水溶液蝕刻劑，通常用

10、在49%集中形式，5:1, 10:1或20： 1的BOE （緩沖氧化層蝕刻）或BHF（緩沖高頻）。他們首先用在玻璃刻蝕中世紀(jì)時(shí)代。它被用來(lái)在集成電路制作的 圖案柵氧化層，直到該進(jìn)程的步驟是利用活性離子取代。氫氟酸被認(rèn)為是比較危險(xiǎn)的潔凈室氨基酸之一。它通過(guò)接觸滲透皮膚，直接 擴(kuò)散到骨頭。因此，直到為時(shí)已晚，才感受到傷害。4）電化學(xué)刻蝕摻雜選擇性去除硅的電化學(xué)刻蝕（ECE）是一種常見(jiàn)的自動(dòng)并有選擇刻蝕的 方法?；钴S的p-n節(jié)二極管是必需的，任一種摻雜類(lèi)型都可以作為抗刻蝕（“刻 蝕停止”）的材料。硼是最常見(jiàn)的刻蝕停止摻朵劑。結(jié)合上述濕法各向異性刻蝕, 電化學(xué)刻蝕已被成功地應(yīng)用于在商業(yè)硅壓阻式壓力傳感

11、器中控制硅膜片厚度。選 擇性摻雜區(qū)域可以通過(guò)注入、擴(kuò)散或硅外延沉積創(chuàng)建。3. 3. 2干法刻蝕1）蒸氣蝕刻氤氟蝕刻二氟化氤（回）是一種對(duì)硅的干氣相各向同性蝕刻，1993年在洛杉磯加州大 學(xué)開(kāi)始應(yīng)用于MEMS。主要被用于削弱金屬硅和絕緣結(jié)構(gòu)，不同于濕法刻蝕，XeF2 有粘滯自由的優(yōu)勢(shì)。它的選擇蝕刻性強(qiáng)，允許光阻，二氧化硅，氮化硅，以及各 種金屬做掩膜的掩蔽刻蝕。硅的反應(yīng)是“plasmaless是純粹化學(xué)和自發(fā)的， 而且往往在脈沖模式下工作。這種刻蝕是可實(shí)現(xiàn)的，大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室和各種商業(yè)工 具使用這種方法提供解決方案。2）等離子體刻蝕反應(yīng)離子刻蝕（RIE）在反應(yīng)離子刻蝕（RIE）,基板放置在一個(gè)反應(yīng)器

12、中，并引入兒種氣體。通過(guò) 射頻電源的能量在氣體混合物中撞擊等離子體，打破氣體分子成為離子。這些離 子加速實(shí)現(xiàn)，并發(fā)生反應(yīng)，材料的表面被腐蝕，形成其他氣態(tài)物質(zhì)。這就是所謂 的化學(xué)反應(yīng)離子蝕刻的一部分。還有一個(gè)物理過(guò)程，類(lèi)似濺射沉積過(guò)程。如果離 子有足夠高的能量，可以敲出材料的原子使發(fā)生無(wú)化學(xué)反應(yīng)的蝕刻。因?yàn)槠胶饣?學(xué)和物理刻蝕有許多參數(shù)要進(jìn)行調(diào)整，所以發(fā)展干法刻蝕是一個(gè)很復(fù)雜的任務(wù)。 通過(guò)改變平衡有可能影響到刻蝕的各向異性，山于化學(xué)部分是各向同性和物理部 分高度各向異性的組合可以形成側(cè)壁從圓形到垂直的形狀。反應(yīng)離子刻蝕RIE 可深（深反應(yīng)離子刻蝕或深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）o反應(yīng)離子刻蝕的一種特

13、殊子類(lèi)（DRIE）越來(lái)越受歡迎。在這個(gè)過(guò)程中，數(shù)以 tHI的微米蝕刻深度可以得到兒乎是垂直的側(cè)壁。該主要的技術(shù)是基于所謂的“博世過(guò)程”，得名于德國(guó)羅伯特博世公司，在這里兩個(gè)不同的氣體組分在 反應(yīng)器中反應(yīng)，該公司提交了原始專(zhuān)利。口前，深反應(yīng)離子刻蝕DRIE有兩種變 化。第一個(gè)變化分為三個(gè)不同的步驟（用于等離子體千卡工具的博世過(guò)程），而 第二個(gè)變化只有兩個(gè)步驟組成（用于STS工具的ASE）。在第一變化中，刻蝕周 期如下：（i）SF6氣體各向同性刻蝕；（ii） C4F8鈍化;（iii）為清理基板的SF6 氣體各向異性刻蝕。在第二變化中，是步驟（i）及（iii）的相結(jié)合。這兩種變化操作類(lèi)似。囤在基板表

14、面上創(chuàng)建一種聚合物，第二種氣體成分 （囤和囤） 刻蝕基板。蝕刻物理部分把該聚合物立刻濺射離開(kāi)，但僅限于水平 表面，而不是側(cè)壁。山于聚合物只在化學(xué)蝕刻的部分很緩慢的溶解，它建立了側(cè) 壁，并保護(hù)他們不被刻蝕。因此，蝕刻50比1的寬高比就可以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程 可以很容易地通過(guò)使用硅襯底刻蝕，而且蝕刻率比濕刻蝕高3-6倍。4. MEMS制造技術(shù)4. 1體微加工體微加工是最古老的硅基微機(jī)電系統(tǒng)。一個(gè)硅晶片的整個(gè)厚度用于建設(shè)微機(jī) 械結(jié)構(gòu)。使用各種不同的硅刻蝕加工過(guò)程。陽(yáng)極鍵合的玻璃鋼板或額外的矽晶圓 是用來(lái)增加特性在笫三維度和為赫爾墨斯封裝。體微加工已基本實(shí)現(xiàn)高性能的壓 力傳感器和改變了這個(gè)傳感器產(chǎn)業(yè)的形態(tài)

15、在80和90年代。4. 2表面微機(jī)械表面微機(jī)械使用沉積在基體表面的沉積層作為結(jié)構(gòu)材料，而不是使用的基板 本身。表面微機(jī)械創(chuàng)建于20世紀(jì)80年代后期，其口標(biāo)是使硅平面集成電路與微 加工技術(shù)的兼容得到提高，結(jié)合在同一個(gè)硅晶片的MEMS和集成電路。最初的表 面微機(jī)械概念是基于多晶硅薄圖案作為移動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和底層氧化層蝕刻犧牲 層來(lái)釋放。義指梳狀電極用于產(chǎn)生平面力，并檢測(cè)平面運(yùn)動(dòng)電容。這種微機(jī)電系 統(tǒng)模式已用于制造低生產(chǎn)成本的加速度訃，例如汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)及其他低性能 或者高范圍應(yīng)用領(lǐng)域。ADI公司已率先將表面微加工產(chǎn)業(yè)化，并實(shí)現(xiàn)了將MEMS 和集成電路的集成。4.3高深寬比（HAR）的硅微加工體硅微

16、加工和表面硅微加工都用于感應(yīng)器，噴墨噴嘴和其他設(shè)備的工業(yè)生 產(chǎn)。但在許多情況下，這兩者之間的區(qū)別已經(jīng)減弱。一個(gè)新的蝕刻技術(shù)，深反應(yīng) 離子蝕刻，使得，將有良好性能的體微加工和梳狀結(jié)構(gòu)，面內(nèi)表面加工結(jié)合在一 起成為可能。常見(jiàn)的表面微加工已經(jīng)能在結(jié)構(gòu)層在2微米的療度范圍內(nèi)，但HAR 硅微加工，厚度可從10到100微米。通常用于HAR硅微加工的材料是通常稱(chēng)作聚外延層的厚厚的多晶硅（SOI）和粘結(jié)絕緣體硅晶片，盡管體微硅片的制 作過(guò)程也被創(chuàng)建（SCREAM）。用玻璃熔塊粘接，陽(yáng)極鍵合或合金粘接來(lái)粘結(jié)第二 個(gè)晶片是用來(lái)保護(hù)MEMS結(jié)構(gòu)的。集成電路通常不結(jié)合HAR硅微加工。該行業(yè)LI 前的共識(shí)似乎是，通過(guò)兩

17、個(gè)職能的分離，靈活性和降低過(guò)程的復(fù)雜性得以實(shí)現(xiàn)， 并將獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)在包裝上小小的懲罰。一個(gè)不同的高深寬比（HAR）微結(jié)構(gòu)技 術(shù)的比較，可以在HARMST文章中發(fā)現(xiàn)。一個(gè)被遺忘的關(guān)于表面微加工的歷史，圍繞多晶硅A或B的選擇。細(xì)粒度 “ （300A的晶粒尺寸，US4897360）,退火后應(yīng)變純多晶硅是由Henry Guckel 教授（美國(guó)威斯康星州）主張，而較大的顆粒，摻雜應(yīng)力控制多晶硅是山加州大 學(xué)伯克利分校集團(tuán)所提倡。5. 應(yīng)用在一個(gè)角度看，MEMS的應(yīng)用是按使用類(lèi)型分類(lèi)：傳感器執(zhí)行器結(jié)構(gòu)在另一個(gè)角度來(lái)看，MEMS的應(yīng)用是按應(yīng)用領(lǐng)域（包括商業(yè)應(yīng)用）來(lái)分類(lèi)：噴墨打印機(jī)，它使用壓電和熱氣泡噴射使油

18、墨沉積在紙張上。在現(xiàn)代汽車(chē)中，加速度計(jì)有很多LI的，包括安全氣囊在碰撞時(shí)的部署。加速度計(jì)，用于在消費(fèi)電子設(shè)備如游戲控制器（任天堂Wii）,個(gè)人媒體 播放器/手機(jī)（蘋(píng)果iPhone,諾基亞手機(jī)的各種型號(hào)，各種型號(hào)的PDA宏達(dá)）和 數(shù)碼相機(jī)（佳能數(shù)字IXUS不同型號(hào)）。也可用于個(gè)人電腦的自由落體檢測(cè)，停 止硬盤(pán)磁頭，以防止損壞和數(shù)據(jù)丟失。MEMS陀螺儀用于現(xiàn)代汽車(chē)和其他應(yīng)用程序來(lái)檢測(cè)偏航，例如，部署比桿 輕或觸發(fā)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制。硅壓力傳感器，如汽車(chē)輪胎壓力傳感器，一次性血壓傳感器。顯示，例如，在一臺(tái)基于DLP技術(shù)投影機(jī)上的DMD芯片有一個(gè)兒十萬(wàn)微鏡 的表面光學(xué)交換技術(shù)，用于交換技術(shù)和數(shù)據(jù)通信對(duì)齊。生物MEMS在醫(yī)療