微细加工技术PPT课件下载推荐.pptx

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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、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RichardP.Feynman提出微型机械的概念。

1962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（SiliconMicrofabrication）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IC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；

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,2.1MEMS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。

2.2MEMS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。

2.2MEMS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。

2.2MEMS的研究领域,2.2MEMS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。

2.2MEMS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。

2.2MEMS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，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、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