微机电系统及其相关技术.ppt

《微机电系统及其相关技术》 第一章 微机电系统概论 一、微机电系统的概念 微机电系统（MEMS）指微型化的器件或器件组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的功能相结合的综合集成系统，采用微型结构（包括集成微电子、微传感器和微执行器），使之能在极小的空间内达到智能化的功效。 微机电系统是一门多学科交叉的新兴学科，它涉及精密微机械、微电子、材料科学、微细加工、系统与控制等技术科学和物理、化学、力学和生物学等若干基础学科。 微机电系统的主要特点在于：能在极小的空间里实现多种功能；可靠性好、重量小且能耗低；可以实现低成本大批量生产。 微机电系统将在21世纪的信息、生物医学等多方面导致人类认识和改造世界能力的重大突破，给国民经济以及国防建设带来深远的影响。 二、MEMS技术的发展 MEMS的加工工艺已发展了40年。随着传感器和执行器的微加工技术的发展，人们已经研制出一系列微传感器可用于测量位置、速度、加速度、压力、力、扭矩、温度、气体成分、离子浓度、分子浓度以及pH值等和各种微机电构件及系统。 微机械系统的发展方向是微型化、多功能及与微电子的密切结合，其工艺发展的趋势是智能化、降低尺寸、重复性好、采用仿生学和高级信息技术并减少环境污染。 MEMS在我国也得到了广泛的重视。目前，一批MEMS的研制产品如微泵、静电型微马达、电磁型微马达已获成功；MEMS的新型技术包括高深宽比微加工技术等正迅速发展。展望21世纪，我国的MEMS不仅在科研水平上，而且在产品的批量生产上也将与发达国家并驾齐驱。 三、微机电系统的主要技术 MEMS的飞速发展是与其相关的制造加工技术的发展分不开的。微电子集成工艺是其基础。要构成MEMS的各种特殊结构，还必须一系列的特殊工艺技术。它们主要是：体微加工技术；微表面加工技术；高深宽比微加工技术；组装与键合技术以及超微精密加工技术等。 四、MEMS的主要材料 硅是MEMS用的主要结构材料。它不仅是良好的半导体，而且也是一种很好的结构材料。硅片大量用于微构件，它可用化学刻蚀和离子刻蚀进行各向同性和各向异性刻蚀成所需的结构。 另外，硅化物、金属、合金以及一些聚合物也可应用于MEMS。 五、智能系统集成 微机电系统的智能化是将高性能的传感器、执行器、大量的微处理器集成在一个系统里，即把传感、判定和运动组建在一起高质量地执行任务。目前，多维传感器系统、多层信息处理系统等的发展使传感器、执行器和界面电子学有机结合为新型的MEMS器件。 第二章 MEMS的微加工技术 硅和在硅基片上制造的各种显微机械零件是IC技术的扩展技术。 一、集成电路工艺 晶体生长是一种特殊技术，常用的硅单晶锭制备工艺为悬浮区熔工艺。 硅的表面氧化是硅加工的基础工艺。氧化层生长工艺有三种：热氧化、CVD和溅射。生长的氧化层有如下作用：硅的表面保护；作为离子注入和扩散的掩膜；电解介薄膜；衬底和其他材料之间的界面层。 光刻是一种图形转移技术。其过程如下图所示。 掺杂的主要工艺手段是扩散和离子注入。在带有掩膜的硅片表面某些区域内，刻通过此工艺来控制掺杂原子的数量，从而形成N型和P型区。通过掺杂可制备成有源器件、刻蚀终止层、导电多晶硅和微机械器件。 在高温扩散炉内，带有掺杂剂的气体通过硅片表面的现象为扩散。扩散主要有两步：预淀积和再分布。 离子注入不需高温，它通过高能束流将杂质离子直接注入到硅表面。 金属化是指在硅片表面均匀地生长一层金属薄膜，以形成内部连线、欧姆接触和金属半导体接触，有时还起保护作用。 金属薄膜生长的方法有：真空蒸发、溅射、CVD和电镀等。 真空淀积是一种使用最广泛的淀积工艺，常用电子束轰击和电阻加热。蒸发较为困难的金属用溅射工艺比较方便。 溅射是利用氩的等离子中的正离子轰击阴极，使靶材料以原子、分子为主的粒子状态淀积在基片的表面形成薄膜。 化学气相淀积也是薄膜生长技术的重要手段。其原理是：选定的化学反应物质以气态通入CVD设备，在高温下反应剂气体发生化学反应，在加热的硅片表面形成所需的薄膜。这种方法可生长各种薄膜，如金属、电介质、多晶硅和其他化合物。这种工艺薄膜的生长速率快台阶