微细加工技术.pptx

1、微细加工,技术,2,3,5,MEMS的应用状况,1微细加工技术概述,MEMS的发展趋势,MEMS的研究领域,4,MEMS的加工技术,MEMS是一项国际 公认的战略高技术。,1987年，UC Berkeley 研制 的硅静电马达(转子直径120微 米，电容间隙2 微米)问世，引 起轰动。专家预言，它的意义 可与当年晶体管的发明相比。,1.1 微细加工的概念,1.1 微细加工的概念,MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的缩写。即 微机电系统，它是在微电子技术的基础上发展起来的，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，并应用现代信息技术构成

2、的微型系统。它包括感知和控制外 界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器，以 及进行信号处理和控制的电路。它是指可以批量制作的集微型机构、微型传感器、微型 执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通信电路 和电源等一体的微型器件或系统，其特征尺寸范围为1nm 10mm,美国：MEMSMicro 欧洲：Micro System 日本：Micro Machine,Electro-MehanicalSystem,其它：Micro&ano 技术,1.1 微细加工的概念,1、广义角度MEMS包含了各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方法，如切削加工、磨料加工、电火花加 工、

3、电解加工、化学加工、超声波加工、微波加工、等离子 体加工、外延生长、激光加工、电子束加工、离子束加工、光刻加工、电铸加工等。2、狭义角度MEMS主要指半导体集成电路制造技术，因为微细加工 和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的，它们是大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键技术之一。其 加工方法多偏重于指集成电路制造中的一些工艺，如化学气 相沉积、热氧化、光刻、离子束溅射、真空蒸镀以及整体微 细加工技术,19世纪的照相制版技术，诞生了光制造技术。1959年，诺贝尔物理奖获得者Richard P.Feynman提出微型 机械的概念。196

4、2年，加利福尼亚和贝尔实验室开发出微型硅压力传感器70 年代开发出硅片色谱仪、微型继电器。7080 年代利用微机械技术制作出多种微小尺寸的机械零 部件。1988 年uc2Muller 小组制作了硅静电马达，1989 年NSF 召开研讨会，提出了“微电子技术应用于电(子)机系统”。自此，MEMS 成为一个世界性的学术用语，MEMS 技术的 研究开发日益成为国际上的一个热点。目前，在美、日、欧 三地轮回每年举行一次，名为IEEE 国际微机电系统年会。,1.2 微细加工的发展历程,82年：美国U.C.Bekeley，表面牺牲层技术 微型静电马达成功MEMS进入新纪元,1.2 微细加工的发展历程,90

5、年代中：ICP的出现促进体硅工艺的快速发展,1.2 微细加工的发展历程,九十年代初ADI的气囊加速度计实现产业化,1.2 微细加工的发展历程,九十年代末Sandia实验室5层 多晶硅技术代表最高水平,1.2 微细加工的发展历程,2000年底：MEMSSi宣布研制成功与标准CMOS兼容 的加速度计新动向,一般地说，MEMS具有以下几个非约束性的特征：尺寸在毫米到微米范围之内，区别于一般宏(Macro)，即传统的、大于1 厘米尺度的“机械”，但并非进入物理上的微观层次基于（但不限于）硅微加工(Silicon Microfabrication)技术制造与微电子芯片类同，可大批量、低成本生产，性能价格

6、比传统“机 械”制造技术大幅提高MEMS中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一 切具有能量转化、传输等功能的效应，包括力、热、声、光、磁，乃至化学、生物能等MEMS的目标是微“机械”与I C 集成的微系统有智能的微系统。用以上特征衡量，用微电子技术（但不限于此）制造的 微小机构、器件、部件和系统等都属于MEMS范围，微机 械和微系统只是MEMS发展的不同层次，有关的科学技术 都可统称为MEMS技术。,1.3 微细加工的特点,在微机械中通常使用硅作为功能材料，这是由于硅材料 具有下列的特点：它比铝轻，比不锈钢的拉伸强度高，硬度高，弹性好，抗疲劳；在许多环境下，不生锈，不溶解，耐高温；

7、可借用现有的集成电路加工设备及工艺技术，很容易制作出微米程 度的微构造，从而大大降低MEMS的研制费；利用集成电路技术在可能把微机械同微处理器、传感器 等电路巧妙地集成到一块硅片上；利用光刻技术和自动生产线可廉价大量生产；硅资源很丰富，市场上有大量 的高纯度硅片出售。对微构造而言，由硅制作的膜片、梁或弹簧呈现很好的 弹性且无塑性变形，其机械强度和可靠性比同样形状和尺寸 的金属微结构更为优异。,1.3 微细加工的特点,2.1 MEMS的特征,MEMS的制作主要基于两大技术：IC技术和微机械加 工技术。与传统的微电子和机械加工技术相比，MEMS技术 具有以下几个显著的特点：微型化：MEMS技术已经

8、达到微米乃至亚微米量级，利 用MEMS技术制作的器件具有体积小、耗能低、惯性小、频率高、响应时间短等特点，可携带性得以提高。集成化：微型化利于集成化，把不同功能、不同敏感方向和制动方向的传感器、执行器集成于一体，形成传感器 阵列，甚至可以与IC 一起集成为更复杂的微系统。以硅为基本材料：主要有晶体硅和氮化硅等。力学特性良好，具有高灵敏性，强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度同铝，仅为钢的三分之一，热传导率接近铜和钨。生产成本低：在一个硅片上可同时制作出成千上万的微型部件或MEMS，制作成本大幅度下降，有利于批量生产。,微电子机械系统(MEMS)技术基于微电子和微机械的 有机集成,涉及微电子学、微

9、机械学、微材料学、微摩擦学、微电磁学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学、自动控制、物理、化学及生物医学等多个学科的研究领域,集约了各学科前沿领域研究的新技术、新成果和纳米科学 技术(NST)一起被列为21 世纪关键技术之首。概括起来，MEMS研究可以分为理论基础、关键技术以及 应用领域3个主要组成部分。,2.2 MEMS的研究领域,1.基础理论在微观领域，许多物理现象同宏观领域相悖，这可由 尺寸效应来解释。尺寸效应：当物体的尺寸L改变时，各种物理量比 例于而变化的现象。例：蒲公英的种子或灰尘的下落；潜水艇的反作用的惯性力的推动。热交换和化学反应煮萝卜，铁粉的燃烧。微机械常用材料、微构造的

10、机械特征、微构造的振动 特性、微构造的热特性、微机械的驱动原理等。,2.2 MEMS的研究领域,2.关键技术微系统设计技术：主要指微结构设计数据库、有限元分析、CAD/CAM仿真和拟实技术、微系统建模等，计算机辅助设 计（CAD）是微系统设计的主要工具。微细加工技术：主要指高深度比、多层微结构的硅表面加 工和体加工技术，是微机电系统技术的核心技术。微机械材料：包括用于敏感元件和致动元件的功能的材料、结构材料，具有良好电气、机械性能，适应微型加工要求的材料。,2.2 MEMS的研究领域,2.2 MEMS的研究领域,2.关键技术微系统测量技术：涉及材料的缺陷、电气机械性能、微结构、微系统参数和性能

11、测试。在测量的基础上，建立数学、力学模型微系统的集成和控制：包括系统设计、微传感器和微执行 器与控制、通信电路以及微能源的集成等。微系统组装与封装技术：材料的粘结、硅玻璃静电封装等。,3.应用领域微传感器、微致动器是构成微机电系统的基础。1）微传感器微传感器是MEMS最重要的组成部分。1962年第一个硅微型压力传感器后，微传感器得到了迅速的发展，同时MEMS技术的应用又 使传感器的性能提高了几个数量级。如今，微传感器主要包括以下几种：面阵触觉传感器、谐振力敏传感器、微型加速度传感器以及 真空微电子传感器等。已研究或形成的器件主要有：力、加速度、速度、位移、pH值、微陀螺、触觉传感器等。其中，微

12、压力传感器 是利用机械结构的固有频率在外力作用下其频率发生变化来检测外 力的，它将被用在未来机器人的人造皮肤上，使机器人具有敏锐的 触觉，机器人的四肢将变得和人的四肢一样灵巧。微型加速度传感 器采用电阻热激振、压阻电桥同步枪测的方法来获得信号输出。汽 车安全气囊的核心部件就是微型加速度传感器，另外，未来机器人 的运动平衡系统也将用到这种传感器，使其运动像人一样稳健和灵 活。,2.2 MEMS的研究领域,2）微致动器电子式能量转换器之一，其功能是将电能转换成物理 量。微致动器主要种类有:微机电、微开关、微谐振器、微阀门和微泵等。微执行器的驱动力主要有静电、压力、电 磁和热。如以静电作为动力的微执

13、行器,用静电间的吸引力，改变极间的电压就可以推动某一板做机械运动。进一步将 微型执行器分布成阵列,系列化可以做很多事，如物体的搬 运、定位等。2003 年MEMS 会议上，瑞士的L.Dellman 报道了一种用于手表的微型机械加工压电弹力电机，力距高达1N.m，而功率仅10W。,2.2 MEMS的研究领域,传统的制造业依赖大量的关键机械设备和有关的工艺，这些设备和工艺已有几十年甚至上百年的历史了。例如铸造、锻造、车削、磨削、钻孔和电镀等均是一个综合的制造环境 所必不可少的。这些设备和工艺与大量的其它物理和化学手 段及工艺均用作制造环境的基础，它们在半导体产业中均具 有其相应的替代技术。光学光刻

14、，耦合等离子刻蚀，金属的溅射涂覆，金属的等离子体增强化学汽相淀积和介质隔离以及在掺杂工艺中的 离子注入和衬底处理，现都已成为集成电路制造中的常规工 艺。基于电子束制版和光学投影光刻及电子束直写光刻这种 基本的图形加工技术现已成为先进的纳米尺寸作图技术的主 要角色。上述的这些设备和技术以及一些还未流行的设备的 工艺目前正被用于MEMS的纳米技术制造，且成为微时代的 微机械加工设备。,3.1 概述,从工艺上讲，MEMS的制造技术分为部件及子系统制造 工艺和封装工艺，前者包括半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等；后者包括硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃封装、静电键合、

15、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯片组件工艺等。MEMS与微电子系统比较，区别在于其包含有微传感器、微执行器、微作用器、微机械器件等的子系统，相对静态 微器件的系统而言，MEMS的加工技术难度要高。MEMS加工技术是在硅平面技术的基础上发展起来的，虽然历史不长，但发展很快，已成为当今最重要的新技术之一。从目前应用来看，其加工技术主要可分为硅基微机 械加工技术和非硅基微机械加工技术。,3.1 概述,制作MEMS的技术主要有三种。第一种是以日本为代表的 利用传统机械加工手段，即利用大机器制造出小机器，再利 用小机器制造出微机器的方法；第二种是以美国为代表的利 用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加

16、工，形成硅 基MEMS器件；第三种是以德国为代表的LIGA(LIGA是德文Lithograpie 光刻、Galvanoformung 电铸和Abformung塑铸三个词的缩写)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电 铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。第二种方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子 的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前 MEMS的主流技术。由于利用LIGA技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，而且利用该技术可以得到高深宽比的精 细结构，它的加工深度可以达到几百微米，因此LIGA技术 也是一种比较重要的MEMS加工技术。,3.1 概述,3.1 概述,微细加工技术

17、微制造中的成形技术微制造中的材料沉积技术微制造中的材料去除技术光刻技术硅微加工技术LIGA技术微切削技术微细电火花加工微细激光加工纳米加工技术,3.2微制造中的材料去除技术1.光刻技术光刻技术（Photolithography）也称照 相平版印刷，源于微电子的集成电路制 造，是通过高能束曝光来完成材料微加工 的技术。工艺步骤如图4-1所示。依据曝光源的不同，可将光刻技术分光 子束曝光和粒子束曝光技术。,离子束,4.刻蚀（形成沟槽）,5.沉积（形成电路）,6.剥膜（去除光致抗蚀剂）,3.显影、烘片（形成窗口）,窗口,2.曝光（投影或扫描）,掩膜,电子束,图4-1 电子束光刻大规模集成电路加工过程

18、,1.涂胶,（光致抗蚀剂）,氧化膜,光致抗蚀剂,基片,3.2 微制造中的材料去除技术,2.LIGA和准LIGA技术LIGA（Lithographie Galvanoformung Abformung的缩 写）技术，是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术（工艺流程如图4-2所示），主要包括X光深度同步辐射光 刻、电铸制模和注模复制三个工艺步骤。1986年，起源于 德国。特点：高深宽比（1微米宽，1000微米深）需要功率强大的回旋加速器产生的软X射线作光源 掩膜版要求高、成本高难于与IC集成制作,3.2 微制造中的材料去除技术,X射线曝光 腐蚀溶解,抗蚀剂,电铸,铸型,注射成 形零件,图4-2

19、 LIGA制作零件过程,LIGA由深层同步X射线 光刻、电铸成形、塑注成形,组合而成。包括三个主要工 序（图4-2）：以同步加速器放射的短 波长（1nm）X射线作为 曝光光源，在厚度达0.5mm 的光致抗蚀剂上生成曝光图 形的三维实体；用曝光蚀刻图形实体作 电铸模具，生成铸型；以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。,3.2 微制造中的材料去除技术,50 m,图4-3 X射线刻蚀的三维实体,自动化、电子、生物、医 学、化工等领域,LIGA特点用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可以制作高度达0.10.5mm，高宽比大于200的三维微结 构（图4-3），形状精度达亚微米可以实现大

20、批量复制，成本较低LIGA代表产品及应用微传感器、微电机、微 机械零件、微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械等广泛应用于加工、测量、,3.2 微制造中的材料去除技术,LIGA技术采用深度X射线光刻、微电铸成型和塑料铸模 等技术相结合的一种综合性加工技术，它是进行三维立体 微细加工最有前途的方法之一，同时也是制作非硅材料微 机电系统的首选工艺。利用LIGA技术制作微金属图形主要由两步关键工艺组 成，即首先利用同步辐射X射线光刻技术光刻出所要求的图 形，然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模 具，再利用微塑铸制备微结构，具体的工艺步骤如图所示。,3.2 微制造中的材料去除技术,

21、LIGA工艺,A：曝光,B：显影,C：电铸,D：去胶,E：铸塑,衬底,掩膜胶,金属铸塑 材料,3.2 微制造中的材料去除技术,准LIGA技术（LIGAlike工艺）,DEM工艺,A：曝光,B：ICP,C：电镀,D：去硅,E：铸塑,衬底,掩膜胶,金属铸塑 材料,3.2 微制造中的材料去除技术,1.激光快速成型技术立体光刻（SLA，Stereolithography）工艺分层实体制造（LOM，LaminatedObject Manufacturing）工艺熔融沉积制造（FDM，Fused Deposition Modeling）工艺选择性激光烧结（SLS，Selective Laser Sinte

22、ring）工艺,3.3 微制造中的材料沉积技术,，,SLA工艺过程液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态 表面上扫描，扫描的轨迹及光线的 有无均由计算机控制，光点打到的 地方，液体就固化。当一层扫描完 成后，未被照射的地方仍是液态树 脂。然后升降台带动平台下降一层 高度，已成型的层面上又布满一层 树脂，刮平器将粘度较大的树脂液 面刮平，然后再进行下二层的扫描 新固化的一层牢固地粘在前一层上 如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实体模型。,图4-4SLA工作原理图,3.3 微制造中的材料沉积技术,LOM工艺过程,激光切割系统按照计算机提 取的横截面轮廓用二氧化碳激 光束对

23、箔材沿轮廓线将工作台 上的纸切割出轮廓线，并将纸 的无轮廓区切割成小碎片。供 料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加 工区域，工作台上升到加工平 面，热压辊热压，工件的层数 增加一层，高度增加一个料厚，再在新层上切割截面轮廓。如,此反复直至零件的所有截面粘 接、切割完，得到分层制造的 实体零件。,图4-5LOM工艺原理图,图4-6 FDM工艺过程,材料受到挤压成为半熔融状 态的细丝，通过送丝机构送 进热熔喷头，在喷头内被加 热融化，喷头沿零件轮廓作 填充轨迹运动（一般喷头可 沿着X轴方向移动，而工作 台则沿Y轴方向移动），同 时将半流动状态的材料按 CAD分层数据控制的路径挤 出

24、并沉积在指定的位置凝固 成形，并与周围的材料粘结，层层堆积成型。,FDM工艺过程,SLS工艺过程,图4-7 SLS工艺过程,SLS工艺过程,成型过程开始时，供粉缸内活塞上移一给定量，铺粉滚 筒将粉料均匀地铺在成型缸加工表面上，加热至恰好低 于该粉末烧结点的某一温度，激光束在计算机的控制下 以给定的速度和能量对第一层截面信息进行扫描。材料 粉末在高强度的激光照射下被烧结固化为给定厚度的片 层，未烧结的粉末被用来作为支撑，这样零件的第一层 截面便制作出来。此时，成型缸活塞下移一给定量，供 料缸活塞上移，铺粉滚筒再次铺粉，激光束再按第二层 信息进行扫描，所形成的第二片层同时也被烧结固化在 第一层上，

25、如此逐层叠加，一个三维实体零件就制作出 来了(如图4-7)。,3.3 微制造中的材料沉积技术,2.激光诱导化学气相沉积化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，VCD）是通 过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各 种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相 或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。Laser Chemical Vapor Deposition，简 称 LCVD，分 光LCVD和热 LCVD。,概述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,4.MEMS的应用,MEMS对21世纪的科学 技术，人类生产和生活

26、方式 将产生革命性影响，并在未 来高科技战争中扮演着举足 轻重的角色，是关系国民经 济发展和国家安全保障的关 键技术。利用MEMS技术，可以制成准确检测病变的基 因芯片、比手掌还小的飞行 器、重量仅有几十克的微小 卫星,4.1 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安全、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）的机电信号处理用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人 值守分布式传感器用于小

27、型分析仪器、推进和燃烧控制的集成 流量系统武器安全、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、共型表面。,4.1 MEMS在军事领域的应用,4.2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、光分插复用器OADM和波分复用器无线电话；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

28、机；摄像头、鼠标投影仪、喷墨打印机数据存储,4.3 航空、航天,航空：改进 飞机性能、保证飞机安 全舒适、减 少躁声航天：天际信息网、微 重力测量,4.4 生物、医疗,生物芯片Lab on Chip血压计新型喷雾器可在血管内 操作和检测 的微型仪器,喷雾给药中的微喷嘴,4.4 生物、医疗,4.5 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4.6 工业控制化工厂自动化控制中的探测器等,4.7 环境保护,无人值守大气环境监测网 高速公路环境监测网4.8 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,根据MEMS

29、发展的现状，人们对今后MEMS技术的发展进 行了大量的预测，大多数专家认为MEMS技术在今后的主要 发展趋势综合如下：研究方向多样化：从历次大型MEMS国际会议(Transducer 和MEMS Workshop)的论文来看，MEMS技术的研究日益多 样化。MEMS技术涉及的领域主要包括惯性器件如加速度计 与陀螺、AFM(原子力显微镜)、数据存储、三维微型结构的 制作、微型阀门、泵和微型喷口、流量器件、微型光学器件、各种执行器、微型机电器件性能模拟、各种制造工艺、封装 键合、医用器件、实验表征器件、压力传感器、麦克风以及 声学器件等十六个发展方向。内容涉及军事、民用等各个应 用领域。,5.ME

30、MS发展的趋势,加工工艺多样化：加工工艺多种多样，如：传统的体 硅加工工艺、表面牺牲层工艺、溶硅工艺、深槽刻蚀与 键合工艺相结合、SCREAM工艺、LIGA加工工艺、厚 胶与电镀相结合的金属牺牲层工艺、MAMOS(金属空气 MOSFET)工艺、体硅工艺与表面牺牲层工艺相结合等。而具体的加工手段更是多种多样。系统单片集成化：由于一般传感器的输出信号(电流或 电压)很弱，若将它连接到外部电路，则寄生电容、电 阻等的影响会彻底掩盖有用的信号。因此采用灵敏元件 外接处理电路的方法已不可能得到质量很高的传感器。只有把两者集成在一个芯片上，才能具有最好的性能。,5.MEMS发展的趋势,MEMS器件芯片制造

31、与封装统一考虑：MEMS器件与集成电 路芯片的主要不同在于，MEMS器件芯片一般都有活动部件，比较脆弱，在封装前不利于运输。所以MEMS器件芯片制造与 封装应统一考虑。封装技术是MEMS的一个重要研究领域，几乎每次MEMS国际会议都对封装技术进行专题讨论。普通商业应用低性能MEMS器件与高性能特殊用途如航空、航天、军事用MEMS器件并存：例如加速度计的制造，既 有大量的只要求精度为0.5g以上，可广泛应用于汽车安全气囊 等的具有很高经济价值的加速度计；也有要求精度为10 8g的，可应用于航空航天等高科技领域的加速度计。对于陀螺，也是有些情况要求其精度为0.1/小时，有的则只要求10000/小时。,5.MEMS发展的趋势,