微电子机械系统

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1、微电子机械系统硅已在集成电路领域显示出其巨大的魅力，并使人类跨入了信息社会,成了技术进步的动力，这主要得益于硅工艺的完美和杰出的电特性.正因为如此，世界上的主要工业化国家都对微电子技术进行了大量的投资，以求在该领域占有一席之地,这种竞争进一步促进了微电子技术的发展.但是，微电子技术作为一种资源，并没有得到充分地利用，可以说目前仅利用了它的百分之几，是极大的浪费.因此如何充分利用这一资源是极其重要的研究课题，半导体微机械加工技术就是拓宽微电子技术应用领域一个成功的例子.这一技术充分利用了极为丰富的微电子技术资源，

2、用它替代传统的机械加工方法来实现各种机械结构，使得将传感器、执行器和处理器集成在同一芯片上制作出微电子机事实上，桂不仅有良好的电特性，而且它还是一械系统(MEMS)成为可能，这在传统机械加工领域种极好的机械材料，表1给出了有关材料的机械特性[5-，从表中可以看出.硅有很好的弹性及机械强度，非常适合制作机械部件.目前利用微机械技术不仅制作出了各种传感器，而且还制作出了执行器、微机械光学元件及各种微机械构件，显示出硅作为机械材料应用具有极为广泛的前景.二、MEMS的主要技术MEMS的制作除了需用常规微电子工艺外，还

3、需用其它特殊技术，以便形成微机械结构.MEMS的设计则必须考虑尺寸效应，因为当线度小到一定程度时，传统机械的设计理论存在局限性.1.体微机械技术体微机械技术是最早在生产中得到应用的技术，大多数硅压力传感器的生产均使用了该技术.该技术是采用化学腐蚀的方法来对硅片进行微机械加工，常用的有各向同性和各向异性两种.各向同性腐蚀液主要有HNA,各向异性腐蚀液主要有EDP、KOH、N2H4和TMAH.用HNA腐蚀液，横向尺寸不好控制，用得较少，主要作为一种辅助手段加以使用.EDP的优点是掩膜方便，但腐蚀温度高，腐蚀时易在硅

4、片上产生生成物沉淀而使腐蚀终止且毒性大.KOH腐蚀温度低、选择比高达400:1，毒性小，存在的问题是对SiOz腐蚀过快，深腐蚀需用Si3保护.H2N4存在的问题是毒性大，腐蚀液挥发性强，对腐蚀容器的密封性要求高.TMAH是近几年出现的一种各向异性腐蚀液，它的优点是不含碱金属离子，对Si02和Si3N,几乎不腐蚀，是一种非常有前途的各向异性腐蚀液.使用各向异性腐蚀液时，由于其(100)面和(111)面的腐蚀速率相差很大，其横向尺寸非常好控制，但腐蚀深度的控制是个大问题，靠通过腐蚀时间来控制深度误差很大，因此自停

5、止腐蚀技术应运而生.该技术能使腐蚀自动终止在特定层，故可精确控制膜厚.自停止腐蚀主要有P++自停止和p—n结自停止，P—自停止是腐蚀自动终止在P+T层上，P—层的厚度即是膜厚;P—n结自停止是在N区上加正电位，腐蚀自动终止在N区，N区的厚度即是膜厚•为了防止由于P—n结漏电使腐蚀提前终止在P区，又发展了三电极和四电极自停止腐蚀技术•几种自停土腐蚀方法的比较2.表面微机械技术表面微机械技术的基本概念是先在硅片上淀积一层牺牲层材料，然后再淀积一层结构材料，腐蚀掉牺牲层后，结构材料即自由悬空，这样可形成各种微机械结构

6、.表面微机械技术可分为干法腐蚀牺牲层和湿法腐蚀牺牲层两种•采用干法腐蚀方法的牺牲层材料有聚酰亚铵和光刻胶，结构材料主要是金属，采用干法腐蚀对片上的其它器件影响较小,但横向腐蚀尺寸有限，比较难做大尺寸的微机械结构•采用湿法腐蚀方法的牺牲层材料有多晶硅、硅、PSG、A1和Cr等，结构材料有多晶硅、Si3N4和Si02等，湿法腐蚀对牺牲层有很高的选择性，横向腐蚀的尺寸基本没有限制，可在很大范围内获得不同尺寸的微机械结构，但在腐蚀牺牲层时如何保护其它器件不被腐蚀是个大问题.目前用得较多的是湿法腐蚀牺牲层.3.LIGA技

7、术L1GA技术是最近出现的技术，利用LIGA技术制作的微机械结构，可获得很大的高宽比，对于宽度仅为数Mm的图形，其高度可达1000Mm.LIGA技术的基本过程是，采用同步辐射光源曝光，通常可使厚达100pm的PMMA显影出很大高宽比的微图形，然后电镀，去掉PMMA后就可获得很大高宽比的机械构件.LIGA在制作很厚的微机械结构方面有其独特的优点，是常规的微电子工艺所无法替代的，它的出现丰富了MEMS的内容，使得原来难以实现的微机械结构能够制作出来，它将会在MEMS领域发挥重要的作用.目前使用LIGA已制作出热驱动

8、微继电器、微马达、磁执行器、微光学元件以及许多微机械零件.4•键合技术硅硅直接键合技术和硅玻璃静电键合技术在MEMS制造中可发挥重要作用.硅硅直接键合技术早期是为了获得高质量的SOI硅片而出现的，采用该技术可制作出体硅性能的SOI硅片.之后又利用该技术来制造大功率器件•也获得了较好的结果.它在MEMS中的应用是从压力传感器开始的，目前已制作出压力、加速度传感器和微机械谐振器等多种器件.