微电子机械系统

,
一 n 结漏电对 同 上 . 腐蚀 的 影 响 最 小
, p
同上
2
.
表 面 微 机 械技 术
, ,
表 面 微 机 械 技 术 的 基 本概 念 是 先 在 硅 片 上 淀 积
一 层 牺牲层 材料 然后 再淀积一 层 结构材料 腐 蚀掉
体 微机 械 技 术 是 最 早 在 生 产 中 得 到 应 用 的 技 . 术 大 多 数 硅 压 力 传 感 器 的 生产 均 使 用 了 该 技 术 该
,
,
关 气 开
扁舀砂先;
l,
少
卜
惯性 传感 器
十? 一十 自停 止 是 腐 蚀 自 动 终 止 在 p 层上 ; n 层 的 厚 度 即 是 膜 厚 p 一 结 自停 止 是 在 N 区 上 加 正 . . 电 位 腐 蚀 自动 终 止 在 N 区 N 区 的 厚 度 即 是 膜 厚
停止
,
p
十~
,
p
,
流 休 调整 和 控 制
]
, , 3
n 为 了 防止 由于 p 一 结 漏 电使 腐 蚀 提 前 终 止 在 p 区 . 又 发 展 了 三 电极 和 四 电极 自停 止 腐 蚀 技 术 几 种 自 . 停 止腐 蚀 方 法 的 比 较 见 表 2
,
19 , 4
图 1
二
1, , 5 1, , 6
, 、 M E M s
, ,
仅 制 作 出 了 各 种 传感 器 而 且 还 制 作 出 了 执 行 器 微
,
、
机 械 光 学 元 件 及 各 种 微 机 械 构 件 显 示 出 硅 作 为机 . 械 材 料 应 用 具 有极 为 广泛 的 前 景 200。 年 市 场 分 配 情 况
大教 据 鳍 存储 旧 和 冬 华 裸 属 扮 牙 其它
,
的 一 种 各 向 异 性 腐蚀 液 它 的 优 点 是 不 含 碱 金 属 离 1 0 :和 s i 3N ; 几 乎 不 腐 蚀 是 一 种 非常 有 前途 子 对5
, ,
,
. LI 3 G A 技术
L IG A 技 术 是 最 近 出 现 的 技 术 利 用 L IG A 技 术
,
第
0 1
,
,
制 但 腐 蚀 深 度 的控 制 是 个 大 问 题 靠 通 过 腐 蚀 时 间
,
来 控 制 深 度 误 差 很 大 因 此 自停 止 腐 蚀 技 术 应 运 而 . 生 该 技 术能 使 腐 蚀 自动 终 止 在 特 定 层 故 可精 确 控 . 十 + n 制 膜 厚 自停 止 腐 蚀 主 要 有 p 自停 止 和 p 一 结 自
.
275 5
1 3 0
3 43 3
. 0 7
.
10 3
。 2 7
.
l
2
. 3 6 2 5
机械 加工 方 法 来 实现 各 种 机 械 结 构 使 得 将 传 感 器
,
、
执行 器 和 处 理 器 集 成 在 同一 芯 片 上 制 作 出 微 电 子机 械 系统 成 为 可能 这 在 传统 机 械 加 工领 域
,
,
p 一 上 外延 层 质量 差 p 一 层 无法 做 器 件 仅 可 做 电极
,
二 电极
N 层 . 可做 得到 的 膜 是 . 各种 器 件
一 n 结 漏 电 对 同 L . 腐蚀 的 影 响 较 小
, p
腐蚀 时 样 品 需 加 电 极 一 n 漏 电 有可 . 能 使腐蚀提前终止
, p
二
的 主 要技 术
、
腐 蚀 对 牺 牲 层 有 很 高 的 选 择性 横 向 腐 蚀 的 尺 寸 基
,
,
,
,
,
,
本 没 有 限 制 可 在 很 大 范 围 内 获 得 不 同 尺 寸 的微 机 . 械 结 构 但 在 腐蚀 牺 牲 层 时 如 何 保 护 其 它 器 件 不 被 . 腐 蚀 是 个 大 问题 目 前 用 得 较 多 的 是 湿 法 腐 蚀 牺 牲 . 层
, ,
层 材 料 有 聚 酞 亚 钱 和 光 刻 胶 结 构 材 料 主要 是 金属
,
,
,
蚀液 主 要 有 H N A
、 Z K O H N H ;
,
各 向异 性腐 蚀 液 主 要有 E D P
.
, ,
、
和 T M A H
用 H N A 腐 蚀 液 横 向尺 寸
采 用 干 法 腐 蚀 对 片 上 的其 它 器 件 影 响 较 小 但 横 向 . 腐 蚀 尺 寸 有 限 比较 难 做 大尺 寸 的 微机 械 结 构 采 用
期
,
王 跃 林等 微 电子 机 械 系 统
,
:
制 作 的 微 机 械 结 构 可 获 得 很 大 的 高 宽 比 对 于 宽度 . 仅 为 数 拌m 的 图 形 其高 度 可 达 100 即 m L I G A 技术
,
M E M S 的设计 在许多方 面与 一般 的器件 及 I C
的基 本 过 程 是 采 用 同步 辐 射 光 源 曝 光 通 常可使厚 达 1。即 m 的 P M M A 显 影 出 很 大 高 宽 比 的 微 图 形
,
不 好 控 制 用 得 较 少 主要 作 为 一 种 辅 助 手 段 加 以 使 . 用 E D P 的优 点是掩膜方便 但腐 蚀温度高 腐蚀时
,
,
,
湿 法 腐 蚀 方 法 的 牺 牲层 材 料 有 多 晶 硅 硅 r 喀 1 0 : 等 湿法 和 C 等 结构材料有 多晶 硅 和 5
P S G
、
,
,
,
几 种材 料 的机械特 性 密度
热 导 系 热膨胀系 系 一 言 下 只一 二 弧 ‘二 叭
二
努 氏硬 杨 氏模
次不 石玉 互
竺
“
厌 金刚石 碳化硅
叫
苏
七
七
争进 一 步 促 进 了 徽 电子 技术 的 发 展 但 是 微 电子 技术作为 一种 资 源 并 没 有 得 到 充 分 地 利 用 可 以 说 目前仅 利 用 了 它 的 百 分 之 几 是 极 大 的 浪 费 因 此 如何 充 分 利 用 这 一 资 源 是 极 其 重 要
,
三
电极
样品需加电极
M E M S 的制 作 除 了 需 用 常 规 微 电子 工 艺 外
.
,
还
四 电极
. 需 用 其它 特殊 技 术 以 便 形 成微 机械 结构 M E M S
的设 计 则 必 须 考 虑 尺 寸 效 应 因 为 当 线 度 小 到 一 定 . 程 度 时 传 统 机 械 的 设 计 理 论 存 在 局 限性 . 1 体徽 机械 技 术
的 研 究 课题 半 导 体徽 机 械 加 工 技 术 就 是 拓 宽 徽 电
,
, ,
,
,
氮化硅 铁
硅
‘
。
。
钨
不 锈钢
。
!∀
。 3 8 5
#
子技术 应 用 领 域 一 个成 功 的例 子 这 一 技术充 分 利
用 了 极为丰 富 的 徽 电子 技 术资源 用 它 替 代传 统 的
,
钥
铝
2 1
0
。 1 7
第 年
期
月
电
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学
报
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沁
氏
微 电子 机 械 系 统
触
王跃 林
浙 江大学 杭 州
,
’
苏以 撒
”
王
文
香 港 科 技 大学
提要
本文 对 国 外 微 电子 机 械 系统
,
的 研究 现 况 作 了评 述 介 绍 了
,
的 主要
技术 和 它 的应 用 情 况 对 国 外 的 一 些 主 要 研 究 机构 的 情 况 进行 了 分 析 最 后 就 我 国
一
}, , 8
1, 9 9
200 0
表 2
几 种 自停 止 腐 蚀 方 法 比较
优点
p
,
缺点
世 界 M E M S 市 场 发 展 趋势
简 单 易行 行
、
图 1 是 20 00 年 前 世 界 M E M S 市 场 的 走 向 从 图可 以 看 出 在 今 后 几 年 市 场 增 长 非常 迅 速 到 . 2 00 。 年 可 达 1 4 0 亿 美元 市 场 前 景 非 常 可 观
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电
子
学
报 .
,
1 995 年
使 人类跨 入 了信息社 会 成 了技 术 进 步 的动 力 这 主
要 得 益 于 硅 工 艺 的 完美 和 杰 出 的 电 特性 正 因 为如 此 世 界 上 的 主要 工 业 化 国 家都 对 徽 电子技术 进 行
了 大量 的 投 资 以 求 在 该领 域 占有 一 席 之 地 这 种 竞
, ,
,
,
,
结构 由于 尺 寸 小 其 表 面 特性 起 主 要 作 用 因 此 必 须
. 考 虑 尺 寸 效应 例 如 若 单 位 体 积 的 力 为 F 单 位 表
,
,
,
,
其 独特 的优 点 是 常 规 的 微 电子 工 艺 所 无 法 替 代 的
, ,
,
,
它 的 出现 丰 富 了 M E M S 的 内 容 使 得 原 来 难 以 实 现
,
事 实 上 硅 不仅 有 良 好 的 电特性 而且 它 还是 一 种 极 好的 机 械 材 料 表 1 给 出 了 有 关 材 料的机 械特
,
,
,
,
1 99 5
年 5 月收到
,
1 9
9 5
. 年 7 月 修改 定 稿 国 家 重 点 自然科 学 基 金 资 助 项 目
, H a n g z h o u 3 1 0 0 0 8 )
面 积的力为 f 其线度为 L 密度为 p 则 牛顿 第二定
,
,
,
的微 机 械 结 构 能 够制 作 出 来 它 将 会 在 M E M S 领 域 . 发 挥 重 要 的 作 用 目前 使 用 L I G A 已 制 作 出热 驱 动
微 继 电器 微 马 达 磁 执 行 器 微 光 学 元 件 以 及 许 多 . 微 机 械零 件 . 4 锐合 技 术 硅 硅直接 键合 技术 和 硅 玻璃 静 电键合 技 术在 . M E M S 制 造 中可 发 挥 重 要 作 用 硅 硅 直 接 键 合 技 术
、
、
A
I
,
、
3
,
i S
N
易 在 硅 片上 产 生 生 成 物 沉 淀 而 使 腐 蚀 终 止 且 毒性 . :1 大 K O H 腐蚀 温 度低 选择 比 高 达 4 0 毒性 小 3 4 : 1 5 0 i N 存 在 的 问题 是 对 腐 蚀过 快 深 腐 蚀 需 用 S . Z 。 保 护 H N 存 在 的 问 题 是 毒性 大 腐 蚀 液 挥 发 性 强 . 对腐 蚀 容 器 的 密 封性 要 求 高 T M A H 是 近 几 年 出 现
,
,
,
然 后 电镀 去 掉 P M M A 后 就 可 获 得 很 大 高 宽 比 的 . G A 在 制作 很 厚的 微 机 械 结 构 方 面 有 机械构件 L I
,
的设计类似 现 有的许多设计 工具均可用 于 M E M S . 的 设 计 但 毕竟 M E M S 有 机 械 结 构 因 此 还 必 须 进 . 行 机 械及 力学 设 计 对 于 M E M S 的 机 械 及 力学 设 计 . 来 说 某 些 传 统 机 械 设 计 的理 论 存 在 局 限 性 微 机 械
的发 展
提 出 了 一 些建议
关 往词
比廿。
徽 电子 机 械 系 统
,
微机械
,
传感 器
,
执行 器
!
!
,
,ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
·
,
是不可想象的 因此 自
一 引
、
年 用 徽 电子技 术 制 作 出
,
言
,
世 界 上 第 一 个 微 马 达 以来 来越 引 起 人 们 的兴趣
衰
屈 服强
,
关于
的研究 越
〔一 〕
硅 已 在集成 电路 领 域 显 示 出 其 巨 大的魅 力 并
,
技 术 是 采 用化 学 腐 蚀 的方 法 来 对 硅 片 进 行 微 机 械 加 . 工 常 用 的 有 各 向 同 性 和 各 向异 性 两 种 各 向同 性 腐
,
牺 牲 层 后 结 构 材料 即 自由 悬 空 这 样 可 形 成 各 种 微 . 机械结 构 表 面 微机械 技术可分 为干法腐 蚀牺牲层 . 和 湿 法 腐蚀牺牲 层 两种 采用干 法腐蚀方法 的牺牲
. 从 表 中可 以 看 出 硅 有 很 好 的 弹性及 机 械强 . 度 非常 适 合 制 作 机 械 部 件 目前 利 用 微 机 械 技 术 不
: 6 性[
,
,
的 各 向异 性 腐 蚀 液
使 用 各 向 异 性 腐 蚀 液 时 由 于 其 (10 0 ) 面 和
(11 1 ) 面 的腐 蚀 速 率 相 差 很 大 其 横 向尺 寸 非 常好 控
、
、
律为
: FL
, + L f Z = ( P L 3 ) a
、
即 F + f (1/L )= a 式 中 为加速度
,
a 尸
, ,
L
很 小时 表面 力起主要 作 用 而 . 对于 传统 机械 来说 表 面力起 较 次要 的作 用 此外
,
早 期 是 为 了 获 得 高 质 量 的 50 1 硅 片 而 出 现 的 采 用 . 该技 术 可 制 作 出 体 硅 性 能 的 5 0 1 硅 片 之 后 又 利 用 . 该 技 术 来制 造 大 功 率 器 件 也 获 得 了 较 好 的 结 果 它