MEMS的主要工艺类型与流程.docx
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MEMS的主要工艺类型与流程
MEMS的主要工艺类型与流程
（LIGA技术简介）
〇、引言
一、什么是MEMS技术
1、MEMS的定义
2、MEMS研究的历史
3、MEMS技术的研究现状
二、MEMS技术的主要工艺与流程
1、体加工工艺
2、硅表面微机械加工技术
3、结合技术
4、逐次加工
三、LIGA技术、准LIGA技术、SLIGA技术
1、LIGA技术是微细加工的一种新方法，它的典型工艺流程如上图所示。
2、与传统微细加工方法比，用LIGA技术进行超微细加工有如下特点：
3、LIGA技术的应用与发展
4、准LIGA技术
5、多层光刻胶工艺在准LIGA工艺中的应用
6、SLIGA技术
四、MEMS技术的最新应用介绍
五、参考文献
六、课程心得
〇、引言
《微机电原理及制造工艺I》是一门自学课程，我们在王跃宗老师的指导下，以李德胜老师的书为主要参考，结合互联网和图书馆的资料，实践了自主学习一门课的过程。
本文是对一学期来所学内容的总结和报告。
由于我在课程中主讲LIGA技术一节，所以在报告中该部分内容将单列一章，以作详述。
一、什么是MEMS技术
1、MEMS的概念
MEMS即Micro-Electro-MechanicalSystem，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造、具有特定功能的微型装置，包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等。
一般认为，微电子机械系统通常指的是特征尺度大于1μm小于1nm，结合了电子和机械部件并用IC集成工艺加工的装置。
微机电系统是多种学科交叉融合具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一。
MEMS技术自八十年代末开始受到世界各国的广泛重视，主要技术途径有三种，一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；二是以德国为代表发展起来的利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA（Lithographgalvanfomungundabformug）技术，；三是以日本为代表发展的精密加工技术，如微细电火花EDM、超声波加工。
MEMS技术特点是：
小尺寸、多样化、微电子等。
（1）微型化：
MEMS体积小（芯片的特征尺寸为纳米/微米级）、质量轻、功耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。
例如，一个压力成像器的微系统，含有1024个微型压力传感器，整个膜片尺寸仅为10mm×10mm，每个压力芯片尺寸为50μm×50μm。
（2）多样化：
MEMS包含有数字接口、自检、自调整和总线兼容等功能，具备在网络中应用的基本条件，具有标准的输出，便于与系统集成在一起，而且能按照需求，灵活地设计制造更多化的MEMS。
（3）微电子化：
采用MEMS工艺，可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感阵列、微执行器阵列甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。
微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的微电子机械系统。
（4）MEMS技术适合批量生产：
用硅微加工工艺在同一硅片上同时可制造出成百上千微型机电装置或完整的MEMS，批量生产可大大降低生产成本。
（5）多学科交叉：
MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多学科，并集约当今科学发展的许多尖端成果。
2、MEMS研究的历史
MEMS技术被誉为21世纪带有革命性的高新技术，它的诞生和发展是“需求牵引”和“技术推动”的综合结果。
随着人类社会全面向信息化迈进，信息系统的微型化、多功能化和智能化是人们不断追求的目标，也是电子整机部门的迫切需求。
信息系统的微型化不仅使系统体积大大减小、功能大大提高，同时也使性能、可靠性大幅度上升，功耗和价格却大幅度降低。
目前，信息系统的微型化不单是电子系统的微型化，如果相关的非电子系统小不下来，整个系统将难以达到微型化的目标。
电子系统可以采用微电子技术达到系统微型化的目标，而对于非电子系统来说，尽管人们已做了很大努力，其微型化程度远远落后于电子系统，这已成为整个系统微型化发展的瓶颈。
MEMS技术设计微电子、微机械、微光学、新型材料、信息与控制，以及物理、化学、生物等多种学科，并集约了当今科学技术的许多高新技术成果。
在一个衬底上将传感器、信号处理电路、执行器集成起来，构成微电子机械系统，是人们很早以来的愿望。
这个技术在1987年被正式提出，并在近10年来取得了迅速发展。
推动力可归纳为以下3点：
（1）以集成电路为中心的微电子学的飞跃进步提供了基础技术。
在过去的40年中，集成电路的发展遵循摩尔定律，即按每3年特征尺寸减小0.7倍、集成度每3年翻一番的规律发展。
据分析，IC特征尺寸的指数减小规律还将继续10~20年。
目前，IC工艺已进入超深亚微米阶段，并可望到2012年达到0.05μm，将研制生产巨大规模集成电路（GSI集成度大于109）和单片系统集成（SOC）。
IC的发展将为研制生产MEMS提供坚实的技术基础。
（2）MEMS的发展始于20世纪60年代，是微电子和微机械的巧妙结合。
MEMS的基础技术主要包括硅各向异性刻蚀技术、硅/硅键合技术、表面微机械技术、LIGA技术等，已成为研制生产MEMS必不可少的核心技术。
尤其是20世纪90年代开发的LIGA技术，成功地解决了大深宽比光刻的难题，为研制开发三维微机械的加速度传感器、微型陀螺以及各类微执行器、微型构件如微马达、微泵、微推进器、微振子、微电极、微流量计等奠定了工艺技术基础。
（3）新材料、微机械理论、加工技术的进步，使得单片微电子机械系统正在变为现实。
由于MEMS技术的发展迅速，1987年决定把它从IEEE国际微机器人与过程操作年会分开，单独召开年会。
目前在美、日、欧三地每年轮回一次。
3、MEMS技术的研究现状
我国MEMS的研究始于二十世纪八十年代末。
经过十多年的发展，我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备，初步形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区。
其中,北京大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部开发出4种MEMS全套加工工艺和多种先进的单项工艺，已制备出加速度计样品，并已开始为国内研究MEMS单位提供加工服务。
上海交通大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部可以提供非硅材料的微加工服务，如LIGA技术制作高深宽比微结构的基本加工技术、紫外深度光刻（UV-LIGA）、高深宽比微电铸和模铸加工、功能材料薄膜制备等。
电子部十三所研究的融硅工艺也取得了较大进展，制备出微型加速度计和微型陀螺样品。
1995年，国家科技部实施了攀登计划“微电子机械系统项目”（1995~1999）。
1999年，“集成微光机电系统研究”项目通过了国家重点基础研究发展规划的立项建议。
经过十年发展，我国已开展了包括微型直升飞机，力平衡加速度传感器、力平衡真空传感器、微泵、微喷嘴、微马达、微电泳芯片、微流量计、硅电容式微麦克风、分裂漏磁场传感器、集成压力传感器、微谐振器和微陀螺等许多微机械的研究和开发工作。
美国开发的基于MEMS光开关的路由器已经试用，预示着MEMS发展又一高潮的来临。
目前部分器件已经实现了产业化，如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件（DMD）、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等，并且应用领域十分广泛。
1992年“美国国家关键技术计划”把“微米级和纳米级制造”列为“在经济繁荣和国防安全两方面都至关重要的技术”。
美国国家自然基金会（NSF）把微米/纳米列为优先支持的项目。
美国国防部先进研究计划署（DARPA）制订的微米/纳米和微系统发展计划，对“采用与制造微电子器件相同的工艺和材料，充分发挥小型化、多元化和集成微电子技术的优势，设计和制造新型机电装置”给予了高度的重视。
日本在1992年启动了2.5亿美元的大型研究计划“微机械十年计划”。
在MEMS的重点研究单位UCBerkeley成立了由多所大学和企业组成的BSAC（BerkeleySensorandActuator）。
ADI公司看到了微型加速度计在汽车领域应用的巨大前景，通过引入表面牺牲层技术，并加以改造，使微型加速度计的商品化获得巨大成功。
美国在发展初期确定军事应用为主要方向，侧重以惯性器件为代表的MEMS传感器的研究；日本重点发展进入工业狭窄空间微机器人、进入人体狭窄空间医疗微系统和微型工厂。
欧洲则重点发展μTAS（MicroTotalAnalysisSystem全微分析系统）或LOC（LabonChip芯片实验室）。
二、MEMS技术的主要工艺与流程
1、体加工工艺
体加工工艺包括去加工（腐蚀）、附着加工（镀膜）、改质加工（掺杂）和结合加工（键合）。
主要介绍腐蚀技术。
腐蚀技术主要包括干法腐蚀和湿法腐蚀，也可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。
（1）干法腐蚀是气体利用反应性气体或离子流进行的腐蚀。
干法腐蚀可以腐蚀多种金属，也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性刻蚀，又可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或MEMS工艺常用设备。
按刻蚀原理分，可分为等离子体刻蚀（PE：
PlasmaEtching）、反应离子刻蚀（RIE：
ReactionIonEtching）和电感耦合等离子体刻蚀（ICP：
InductionCouplePlasmaEtching）。
在等离子气体中，可是实现各向同性的等离子腐蚀。
通过离子流腐蚀，可以实现方向性腐蚀。
（2）湿法腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液体里进行的腐蚀。
硅的各向同性腐蚀是在硅的各个腐蚀方向上的腐蚀速度相等。
比如化学抛光等等。
常用的腐蚀液是HF-HNO3腐蚀系统，一般在HF和HNO3中加H2O或者CH3COOH。
与H2O相比，CH3COOH可以在更广泛的范围内稀释而保持HNO3的氧化能力，因此腐蚀液的氧化能力在使用期内相当稳定。
硅的各向异性腐蚀，是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。
比如，{100}/{111}面的腐蚀速率比为100：
1。
基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。
各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW（乙二胺，邻苯二酸和水）和联胺等。
另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如：
KOH，NaOH，LiOH，CsOH和NH4OH等。
在硅的微结构的腐蚀中，不仅可以利用各向异性腐蚀技术控制理想的几何形状，而且还可以采用自停止技术来控制腐蚀的深度。
比如阳极自停止腐蚀、PN结自停止腐蚀、异质自停止腐蚀、重掺杂自停止腐蚀、无电极自停止腐蚀还有利用光电效应实现自停止腐蚀等等。
2、硅表面微机械加工技术
美国加州大学Berkeley分校的SensorandActuator小组首先完成了三层多晶硅表面微机械加工工艺，确立了硅表面微加工工艺的体系。
表面微机械加工是把MEMS的“机械”（运动或传感）部分制作在沉积于硅晶体的表面膜（如多晶硅、氮化硅等）上，然后使其局部与硅体部分分离，呈现可运动的机构。
分离主要依靠牺牲层（SacrificeLayer）技术，即在硅衬底上先沉积上一层最后要被腐蚀（牺牲）掉的膜（如SiO2可用HF腐蚀），再在其上淀积制造运动机构的膜，然后用光刻技术制造出机构图形和腐蚀下面膜的通道，待一切完成后就可以进行牺牲层腐蚀而使微机构自由释放出来。
硅表面微机械加工技术包括制膜工艺和薄膜腐蚀工艺。
制膜工艺包括湿法制膜和干式制膜。
湿法制膜包括电镀（LIGA工艺）、浇铸法和旋转涂层法、阳极氧化工艺。
其中LIGA工艺是利用光制造工艺制作高宽比结构的方法，它利用同步辐射源发出的X射线照射到一种特殊的PMMA感光胶上获得高宽比的铸型，然后通过电镀或化学镀的方法得到所要的金属结构。
干式制膜主要包括CVD（ChemicalVaporDeposition）和PVD（PhysicalVaporDeposition）。
薄膜腐蚀工艺主要是采用湿法腐蚀，所以要选择合适的腐蚀液。
3、结合技术
微加工工艺中有时需要将两块微加工后的基片粘结起来，可以获得复杂的结构，实现更多的功能。
将基片结合起来的办法有焊接、融接、压接（固相结合）、粘接、阳极键合、硅直接键合、扩散键合等方法。
4、逐次加工
逐次加工是同时加工工艺的补充，常用于模具等复杂形状的加工，其优点是容易制作自由形状，可对非平面加工，缺点是加工时间很长，属单件生产，成本高。
包括以下几种：
逐次除去加工：
如用于硅片切割的砂轮加工；细微放电加工、激光束加工、离子束加工、STM（扫描隧道显微镜）加工。
逐次附着加工：
如利用离子束CVD技术，可使仅被照射部分的材料堆积，形成某种结构。
逐次改质加工：
比如可以利用电子束或激光照射的办法使基板表面局部改质的技术，它的应用有电子束掩膜制作、非平面光刻、局部掺杂等。
逐次结合加工：
比如IC引线焊接、局部粘结等。
三、LIGA与准LIGA技术
1986年德国W.Ehrfeld教授首先开发了进行三维微细加工最有前途的方法——LIGA技术。
——LI，Lithographier，即深度X射线刻蚀；
——G，Galvanformug，即电铸成型；
——A，Abformug，即塑料铸膜。
LIGA技术是深度X射线刻蚀、电铸成型、塑料铸膜等技术的完美结合。
LIGA工艺问世以来，被认为是最有前途的三维微细加工技术。
1、LIGA技术是微细加工的一种新方法，它的典型工艺流程如上图所示。
（1）深度X射线刻蚀：
首先利用深度同步辐射X射线在数百微米后的PMMA光刻胶上刻蚀出较大深宽比的光刻胶图形，高宽比一般达到100。
（2）电铸成型及制膜：
利用光刻胶层下面的金属膜作为电极进行电镀，将显影后的光刻胶所形成的三维立体结构间隙用金属填充，直到光刻胶上面完全覆盖了金属为止，形成一个与光刻图形互补稳定的相反结构图形。
（3）注模复制（塑铸）
由于深度X射线光刻的代价太大，所以，在批量生产中，采用子母模的办法。
塑铸为大批量生产电铸产品提供了塑料铸模。
2、与传统微细加工方法比，用LIGA技术进行超微细加工有如下特点：
（1）可制造有较大深宽比的微结构；
（2）取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；
（3）可制作任意复杂图形结构，精度高；
（４）可重复复制，符合工业上大批量生产要求，成本低。
3、LIGA技术的应用与发展
（1）德国美茵兹技术研究所（IMM）开发除使用准分子激光烧蚀与LIGA技术结合的新加工工艺。
（2）欧共体1992年启动一个称为MAXIMA多国协作研究项目，目标是研制一个三维集成加速度传感器。
它是在X方向、Y方向由LIGA工艺制造的加速度传感器阵列，与在Z方向的硅加速度传感器阵列集成在同一硅片而成，是LIGA技术与硅微机械技术的完美结合。
（3）美国威斯康兴大学HenryGuckel教授领导的研究小组对LIGA技术进行了改进，开发出SLIGA技术。
仅仅利用LIGA技术的典型工艺还不能制造出有活动要求的可动微结构。
引入牺牲层腐蚀技术，可以大大拓宽LIGA技术应用零用，为任意几何形状可动的三维结构制作开辟了道路。
（4）1995年上海交通大学利用LIGA技术研制出直径2mm的电磁微马达的样机。
（5）上海冶金所用一般厚正性光刻胶，深UV（紫外光）曝光的准LIGA技术，电铸厚的微结构可达10μm，而且零件表面光洁，侧面陡直。
（6）德国Microparts公司已获许应用LIGA技术制造下一代喷墨打印机的喷嘴。
这种新型打印机将具有96nm-1分辨率，喷墨密度将是目前一代喷墨打印机的4倍。
4、准LIGA技术
由于LIGA技术需要昂贵的深度同步辐射X射线光源和制作复杂的X光掩模，所以LIGA技术推广应用并不容易，而且与IC工艺不兼容。
1993年Allen提出用光敏聚酰亚胺实现准LIGA技术。
准LIGA技术利用常规的紫外光光刻设备和掩模，制作高深比微金属结构的方法。
准LIGA的工艺过程除了所用的光刻光源和掩模外，与LIGA工艺基本相同。
用准LIGA技术既可以制造高深宽比的微机构，又不需要昂贵的同步辐射X射线源和特制的LIGA掩膜版，对设备的要求低得多；另外，它与集成电路工艺的兼容性也要好的多，因此，准LIGA技术得到了很大的发展。
准LIGA工艺流程如图所示。
准LIGA工艺的工艺过程：
（a）紫外光光刻成模
（b）电铸或化学镀及制模
（c）塑铸
5、多层光刻胶工艺在准LIGA工艺中的应用
由于一般情况下用紫外光对光刻胶进行大剂量的曝光时，光刻胶不能太厚，而且显影后光刻胶图形的侧壁陡制度不好。
为此，将多层光刻胶工艺应用于准LIGA技术上进行光刻，可以得到较高的光刻分辨率。
多层光刻胶工艺有两种，如两层光刻胶工艺、三层光刻胶工艺等。
其中，三层光刻胶工艺师应用最多的一种多层光刻胶工艺。
图1所示为三层光刻胶光刻工艺的流程：
（1）首先在硅衬底上涂敷较厚的下层光刻胶并进行烘干，
（2）然后在其上用PECVD方法或溅射、涂敷等方法形成中间介质层。
（3）由于表面已经相当平整，在中间介质层上只需涂敷较薄的上层光刻胶层，以提高光刻的分辨率，并进行前烘，形成三层结构。
（4）然后对上层光刻胶进行光刻，得到光刻后的图形。
（5）以上层光刻胶的图形作掩蔽，此采用RIE刻蚀下层光刻胶，从而实现光刻图形向下层光刻胶的转移。
图2是利用三层光刻胶工艺的准LIGA技术的工艺流程。
（1）在电镀基板上形成三层光刻胶结构，其中下层光刻胶厚度较大；
（2）利用图1所示的三层光刻胶工艺进行光刻，得到下层光刻胶的图形；
（3）利用RIE刻蚀中间介质层，从而得到适合进行电铸的结构；
（4）利用LIGA工艺中相应的电镀、制模、脱模、电铸等工艺步骤制作高质量低成本的微机械结构。
图3是利用准LIGA工艺制造的微电容加速度传感器的结构示意图。
质量块用悬臂梁支持，并被固支在基片上，它可以在两个固定于基片的静电极之间摆动，从而与个静电极之间形成电容，电容量随着加速度大小的变化而变化。
6、SLIGA技术
SLIGA技术是H.Guckle教授等人结合硅面加工技术和常规LIGA技术而开发出的一种新工艺。
在这个工艺中，牺牲层用于加工形成与基片完全相连或部分相连或完全脱离的金属部件。
利用SLIGA技术可以制造活动的微器件。
SLIGA工艺流程如图所示。
工艺过程为：
先在平面基板上布设一层牺牲层材料，如聚酰亚胺、淀积的氧化硅、多晶硅或者某种合适的金属等，与电镀的材料相比，这些材料比较容易被有选择地去除。
然后在基片和牺牲层上溅射一层电镀基底，其后的工艺与常规SLIGA工艺相同。
在完成LIGA技术的微电铸工艺之后将牺牲层去除，就可获得可活动的微结构。
所谓“表面牺牲层”技术，即在形成微机械结构的空腔或可活动的微结构过程中，先在下层薄膜上用结构材料淀积所需的各种特殊结构件，再用化学刻蚀剂将此层薄膜腐蚀掉，但不损伤微结构件，然后得到上层薄膜结构（空腔或微结构件）。
由于被去掉的下层薄膜只起分离层作用，故称其为牺牲（sacrificial1ayer，厚度约1-2μm）。
常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻胶。
利用牺牲层可制造出多种活动的微结构，如微型桥、悬臂梁及悬臂块等，此外常被用来制作敏感元件和执行元件，如谐振式微型压力传感器、谐振式微型陀螺、微型加速度计及微型马达、各种制动器等。
四、MEMS技术的最新应用
微电子机械系统包括微传感器和微执行器。
目前最成功的推向市场的是压力传感器和加速度传感器。
二十一世纪，MEMS技术将有更大的发展，新原理、新功能、新结构的微传感器、微执行器以及微系统将会不断出现。
MEMS的研究主要集中在三个方向：
微型传感器（Micro-sensor），微型执行器（Micro-actuator）和微型系统（Micro-system）。
微型传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高和成本低的优势。
目前开发的微型传感器可以测量各种物理量、化学量和生物量，例如位移、速度、加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等。
微型执行器用于提供各种运动和控制，是MEMS中的关键部分。
目前研究的微型执行器主要有微型马达、微型镊子、微型泵、微型阀及微型光学器件、打印机喷头和硬盘磁头等。
将微型传感器、微型执行器及相关的信号处理和控制电路集成在一起，能完成一定功能的微电子机械系统是研究的最终目标。
数字化微镜器件、DNA分析系统、微传输系统和微流量控制系统是正在研究的几种微电子机械系统。
微系统的主要几个发展方向是微型光机电器件和系统、微型生物芯片、微型机器人和微型飞行器和微动力系统。
五、参考文献
《微纳米技术及其应用》李德胜科学出版社
《MEMS技术及其应用》李德胜哈尔滨工业大学出版社
《微机电系统MEMS研究现状及展望》张贵钦福州大学
六、课程心得
自学课的初衷是让我们学会依靠自己的力量掌握知识，通过一学期的实践，我不仅在知识和学习方法上有所收获，更在和同学的交流和沟通中学会了一些与人相处的道理。
我明白了要“先做人、后做事”，在学习和工作中，不仅要有技能，还要学会和人打交道，这样才能在未来的社会竞争中走得更远。
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