《mems微机电系统》PPT课件

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1、微光机电系统机制班戚二辉主要内容1.电子束光刻胶的最新发展2.MEMS常用材料3..MEMS工艺技术一、电子束光刻胶最新的电子束光刻胶发展：美国道康宁公司电子部（DowCorningElectronics）推出的DowCorning®XR-1541电子束光刻胶。这一新型先进的旋涂式光刻胶产品系列是以电子束（electronbeam）取代传统光源产生微影图案，可提供图形定义小至6纳米的无掩模光刻技术能力。XR-1541电子束光刻胶可用于各种高纯度、半导体等级配方的XR-1541电子束光刻胶，是由甲基异丁基酮(MIBK)带性溶剂中的含氢硅酸盐类(

2、HSQ)树脂所构成。这些负光刻胶（negative-toneresists）可在标准旋涂沉积涂布设备上使用，在单一涂布中形成30到180纳米等不同厚度的薄膜，而定制化的配方还可应客户需求生产更薄或更厚的薄膜。此外，还提供绝佳的蚀刻阻抗以及下降至3.3纳米的边线定义，可在标准水基显影剂中显影。二、MEMS常用的材料MEMS的材料与加工技术是MEMS技术的主要组成部分。MEMS发源于微电子技术，其材料仍以硅为主，主要加工技术则借用了半导体工艺。不过，由于MEMS的应用涉及多个领域，其材料与加工手段要比集成电路丰富得多。1.结构材料目前，硅是最常用

3、的结构材料，它不仅是性能优良的半导体，而且具有优良的机械和电性能，而且加工技术较为完善。结构用硅材料根据微观晶体组成又可分为单晶硅和多晶硅两类。单晶硅的断裂强度和硬度比不锈钢高，而弹性模量与不锈钢相近，密度却仅为不锈钢的1/3。单晶硅的机械品质因数高，滞后和蠕变极小，因而机械稳定性极好。多晶硅是由大量排列和取向无序的单晶颗粒构成的，它一般通过薄膜技术淀积在衬底上，机械性能与单晶硅相近，但性能受工艺影响较大。硅的导热性较好，硅材料对多种物理量具有敏感特性。因此，硅是一种十分优良的MEMS材料。与一般的金属材料相比，硅也有一定的特殊性：单晶硅的机

4、械特性是各向异性的；呈现一定的脆性，容易以断裂方式屈服；机械特性受工艺影响大，例如弹性模量会随着掺杂浓度的增加而增加。在加工中，应该注意减少硅片表面、边缘和体内缺陷的形成，尽量少用切、磨、抛光等机械加工；在高温工艺、多层薄膜的淀积中要尽量减少内应力的引入；采取一定的表面钝化、保护措施等。多晶硅作为MEMS最常用的结构材料之一，它易于用IC技术进行构件制造，且机械性能满足要求。用微机械加工制造的典型多晶硅薄膜的厚度至少大于3μm。膜更厚，其强度和韧性更好。表面微机械加工还采用其它结构材料，以获得可控的残余应力值、杨氏模量、薄膜形态、硬度、电导率

5、和光反射特性。第一类材料是金属,包括Al和化学气相淀积（CVD）钨、电镀镍、铜等。特别是Al，它具有良好的光反射特性，可用于构成微光学系统的结构（如TexasInstrument的DMD）。此时，牺牲层材料可以采用气相淀积的有机物，如光刻胶、聚酰亚胺、聚对二甲苯等。第二类材料包括CMOS工艺中制作互连所用的二氧化硅、多晶硅等。释放可在CMOS工艺后通过无掩模的干法刻蚀完成。这些材料的应用可以简化机械结构与电路的集成，但机械特性有一定的限制。第三类材料是氮化硅，这种薄膜的表面比多晶硅表面光滑，可以直接淀积光发射材料，其张应力可以通过让薄膜富硅化

6、和在氧化气氛中退火的办法来减小。表1硅及一些材料的机械性能2.功能材料这是一类有能量变换能力并可以实现敏感和致动（Actuation，也称为执行）功能的材料。功能材料包括各种压电材料、光敏材料、形状记忆合金、电流变体、气敏和生物敏等多种材料。三、MEMS的体微加工工艺这种工艺的目的是从硅衬底上有选择性地通过腐蚀的办法除去大量的材料，从而实现所需的悬空结构、模片和沟、槽等。特点：1.获得的结构的几何尺寸较大（相应的质量大），机械性能较好2.存在对硅材料的浪费较大3.与集成电路的兼容性不好根据腐蚀剂的相态，即液相、气相和等离子态，可以将体型微机械

7、加工的腐蚀方法划分为三种。采用液相腐蚀剂的腐蚀工艺往往又称为湿法腐蚀，而采用气相和等离子态腐蚀剂的腐蚀工艺则称为干法腐蚀。1.湿法刻蚀湿法化学腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。所谓湿法腐蚀，就是将晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀，在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触的材料通过化学反应逐步浸蚀溶掉。（1）各向同性腐蚀各向同性腐蚀—各方向上有相同的腐蚀速率作用：去除表面损伤在单晶硅上构造结构清洗炉管常用腐蚀剂：HNAHF+HNO3+H2O（HAC）反应过程：Si+2H+——Si2+Si2++2OH-——Si（OH）2氢被释放形成SiO2HF溶

8、解SiO2形成水溶液H2SiF6Si+HNO3+6HF=H2SiF6+H2NO2+H2O+H2H2O、HAC的作用：稀释剂或缓冲剂；HAC的作用是控制HNO3的溶解