微电子机械系统及其加工工艺简述

TECHNOLOGY AND MARKET

Vol.18,No.5,2011

0引言

微电子机械系统是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，微电子机械系统采用传统的机械加工工艺、软X射线深层光刻电铸成型工艺和半导体硅微机加工工艺等来制作微尺度的机械、电子、流体、光学、生物及其它一些器件。制作微电子机械系统的主流技术是硅微机械加工工艺,它越来越多地用于微电子机械系统的加工中。

1微电子机械系统

1.1微电子机械系统的定义

微电子机械系统是指采用微电子技术和微机械加工技术相结合的工艺技术,可以批量生产,它是集微型传感器、微型执行器、微型机构以及控制电路、接口、通讯和信号处理等于一体的微型系统或微型器件。微电子机械系统的研究不仅涉及系统和元件的材料、设计、控制、测试、能源、集成以及与外界的联接等许多方面,还涉及到了微电子学、微动力学、微机械学、微流体学、微摩擦学、微热力学、微光学、物理学、材料学、生物学、化学、信息与控制等多个学科领域,是一个综合性高新技术，因此我们说微电子机械系统开辟了一个新的技术领域。微电子机械系统利用半导体加工工艺来制作微尺度的机械、电子、流体、光学及其它一些器件,把精密机械、微电子、生化和信息处理等高新技术有机整合在一起,在单一或多个芯片上集成传感、信号处理、控制及驱动于一体。微电子机械系统中的机械不限于狭义的机械力学中的机械,包括热、力、光、声、磁乃至生物、化学等具有能量转化、传输等功能的效应。

1.2微电子机械系统的特点

1.2.1微型化和集成化

微电子机械系统器件具有体积小、重量轻、耗能低、性能稳定、响应时间短,谐振频率高等特点,而且具有可以集成控制、感应和执行等多种功能。微电子机械系统把不同敏感方向、不同功能或致动方向的多个执行器或传感器集成为一个整体,形成微执行器阵列或微传感器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成一个比较复杂的微系统。微执行器、微传感器和微电子器件的集成可制造出稳定性、可靠性都很高的微电子机械系统器件。

1.2.2以硅为主要材料

因为硅的机械电气性能优良,硬度、强度和杨氏模量与铁相当,而且密度类似,其热传导效率接近钨和钼。

1.2.3多学科交叉

微电子机械系统涉及面很广泛，包括机械、电子、材料制造、物理、信息与自动控制、生物和化学等多种学科,并综合了目前科学技术发展的许多尖端成果。

1.2.4可大批量生产

用硅微加工工艺在一片硅片上即可同时制造出很多个微型电子机械装置或完整的微电子机械系统器件,不仅生产周期短而且成本低廉,性能一致性好,对环境的损害非常小等。3微电子机械系统的三种加工方法

3.1传统超精密加工方法

传统的机械加工方法以日本为代表,超精密机械加工是日本研究微电子机械系统的重点。它主要是传统机械加工的微型化,这种加工方法就是用大机器来制造小机器,然后再利用小机器制造出微机器,这种加工方法加工出来的电子机械适用于在特殊场合的应用,例如微型工作台、微型机械手等。

3.2微机械加工方法LIGA

微机械加工方法LIGA以德国为代表,LIGA方法是指采用同步X射线深层光刻、注塑复制和微电铸制模等主要工艺步骤组成的一种综合性微机械加工技术。LIGA技术首先采用同步X射线光刻技术光刻出所要生产的图形,然后采用电铸的方法加工出与光刻图形相反的金属模具,最后采用微塑注来制备微机械结构。

3.3半导体硅微机械加工方法

半导体硅微机械加工方法与传统微电子器件工艺兼容,这种加工方法以美国为代表。它利用集成电路工艺技术或化学腐蚀对硅基材料进行加工,加工成硅基微电子机械系统的器件,它可以实现微电子与微机械的系统集成,非常适合于批量生产,已经成为微电子机械系统的主流技术。

当前硅基微加工技术可分为表面微加工技术和体微加工技术。表面微加工技术是在硅片正面上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工形成微结构的技术,全部加工仅涉及到硅片正面的薄膜。用这种技术可以淀积氮化硅膜、二氧化硅膜和多晶硅膜。用溅射镀膜和蒸发镀膜可以制备钨、铝、镍、钛等金属膜。一般采用光刻技术对薄膜进行加工,如X射线光刻、紫外线光刻、离子束光刻和电子束光刻。将设计好的微机械结构图通过光刻的方式转移到硅片上,再用反应离子腐蚀、等离子体腐蚀等工艺对多氧化硅膜、晶硅膜以及各种金属膜进行腐蚀,以形成微机械结构。体微加工技术是对硅的衬底进行加工。一般采用各向异性化学腐蚀,由于某些腐蚀液在硅的各个晶向上的腐蚀速率不同，体微加工技术就是利用这一特性来制作不同的微机械零件或微机械结构。体微加工技术可以制作出几何尺寸较大，机械性能好的器件，但是其制作过程对材料比较两非，与集成电路的兼容性差、很难制造出精细灵活的悬挂系统。

电化学腐蚀也是一种常用的加工技术,现已发展为电化学自停止腐蚀,它主要用于制备薄面均匀的硅膜。主要通过对硅的深腐蚀和硅片的整体键合来实现体微加工技术,这种技术能够将几何尺寸控制在微米级。

4结束语

微电子机械系统将传感、处理与执行这些步骤融合在一起,使得人类的操作、加工能力扩展到了微米空间。微电子机械系统发展的目标是通过集成化、微型化来探索具有新功能、新原理的系统和元件,并不断地提高集成系统的性价比,把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起,使之成为一个真正的系统。微电子机械系统对未来的科学技术、生产生活方式和人类的生活质量都有着很重要的影响。

微电子机械系统及其加工工艺简述

薛小红

(齐齐哈尔职业学院，黑龙江齐齐哈尔150025)

摘要：微电子机械系统是一项建立在微纳米技术基础上的前沿技术，是对微纳米材料进行设计、加工、制造和控制的技术。

硅微机械加工工艺是近年来随着集成电路工艺发展起来的微电子机械系统主流技术。介绍了微电子机械系统的特点，并讨论了微电子机械系统的三种加工方法。

关键词：微电子机械系统；体微加工；表面微加工；LIGA

doi:10.3969/j.issn.1006-8554.2011.05.085

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