第二章微系统设计技术基础(2-1)_683303683

单晶硅材料的制备方法


用多晶硅制备单晶硅的方法主要有：CZ法（Czochralski，直 拉法）和FZ法（Float Zone，悬浮区熔法） 。 其中CZ法是其中应用较多的一种制备方法。
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§2.2 微系统常用材料及其特性

单晶硅硅片的成形



硅片一般都由材料生产厂商制作成标准的直径和厚度提供给微电子或 微系统制造者。 可以是单面抛光，也可以是双面抛光。 标准硅片的直径越大，硅片的厚度也就越厚，比如：100 mm（4英寸） 的硅片厚度一般为500m，而150 mm（6英寸）的硅片厚度一般为 675m。 常用硅片尺寸有： 3英寸、 4英寸、6英寸、 8英寸、12英寸，等等。 选用硅片尺寸不仅要考虑设计的需要，还要考虑加工设备的实际能力。
Galvanoformung(电铸) Abformung(铸塑) 。

LIGA工艺制造技术包括光刻、电铸或铸塑这三个主要的工艺过 程。
LIGA制造技术类似于金属铸造加工的过程，可以用来制造许多 非硅基底的微结构，可使用的材料也相对比较广泛。

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§2.2 微系统常用材料及其特性

单晶硅硅片的晶向


单晶硅晶体中的每一个原子周围都有4个原子通过化学价键连 接在一起，构成一个四面体结构 每18个原子构成一个立方体结构的单晶硅晶体单元，其中8个 原子（灰色圆点）分布在立方体的顶角位置，6个原子（白色 圆点）在立方体的面上，4个原子（黑色圆点）分布在立方体 的内部。
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单晶硅硅片的标识

硅片的边缘被研磨出规则的平边标记以区别硅片的类型和晶向。 标记的大小和位置的不同组合可以表示出硅片的不同类型和晶向。

（100）硅片通常用于 MOS器件，MEMS器件中 （111）硅片常用于双极型 晶体管中 没有电路集成的微机械结 构，理论上可以使用任何 晶面硅片，但实际上要根 据工艺和结构特点选择
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§2.2 微系统常用材料及其特性ห้องสมุดไป่ตู้

玻璃基片


玻璃很容易加工成任意尺寸和厚度的基片。 玻璃基片应用于微系统中的主要目的包括三个方面：

（1）用于制造微光学器件：由于玻璃本身是理想的光
学材料，玻璃基片可以用于制作许多微型光学部件，比如： 微型的光学透镜、棱镜和反射镜等；
§2.1 微系统制造技术分类

超精密机械加工制造技术

以日本技术为代表，来源于成熟的传统制造原理的微系统制 造方法，其得益于日本多年来精密机械加工技术的发展和超 精密机械加工水平上的优势。 制造原理与传统机械加工区别不大，只是对加工制造的精度 要求提高了许多，比如：普通的机械加工精度一般为10m以 上，精密机械加工的精度一般可以达到10m以下，而超精密 机械加工的制造水平可以达到1m以下。



不足：掩模版、光刻技术难度大， 成本高
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§2.1 微系统制造技术分类

准LIGA工艺

UV-LIGA：美国威斯康星大学Henry Guckle教授等在1990 年研究开发出的工艺，用深紫外光的深度曝光来代替LIGA 工艺中的同步X射线深度曝光。用于刻蚀中等厚度光刻胶。
§2.1 微系统制造技术分类

微系统制造方法

制造方法的选择取决于微系统本身的材料、结构和 构造形式，不同结构和构造形式的微系统可以用不 同的加工方法来制造。

目前在全世界范围内被公认的微系统制造技 术大致分成以下三类:

超精密机械加工制造技术 LIGA工艺制造技术 硅工艺制造技术
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微系统设计与系统集成技术
（2015年版，课件2-1）
清华大学精密仪器系 张高飞
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第二章 微系统设计技术基础

本章介绍的主要内容包括：
微系统制造技术分类 微系统常用材料及其特性 微加工基本工艺 微系统工艺流程设计

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§2.2 微系统常用材料及其特性

由于微系统加工技术中的许多工艺是从微电子制造技 术继承或者发展而来，因此微系统加工所用材料，尤 其是用于电气特性的材料，主要来源于微电子技术所 用的材料。

微系统毕竟有许多不同于集成电路的特性要求，因此 其使用的材料种类更多。用于微系统加工制造的材料 主要包括：

（2）用于微系统集成：由于玻璃基片与硅基片具有良好
的键合特性，在多片集成的微系统中，即使没有微光学部件， 有时为了集成技术上实现的方便也经常被用做衬底基片；

（3）用于微系统封装：由于玻璃具有良好的透光特性，
因此，常被用做某些微光学部件的衬底材料或封装材料。
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§2.2 微系统常用材料及其特性

单晶硅各晶面之
间的夹角关系

(111)面与(100)面呈
54.75度，(110)面与
(100)面呈45度
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§2.2 微系统常用材料及其特性
单晶硅半导体的导电特性处于导体和绝缘体之间，加 工时可以根据需要把某一部分衬底制作成导体，而另 外一部分衬底制作成绝缘体； 在单晶硅基片上通过氧化等工艺可以很容易生成其它 非常重要的微系统结构和工艺材料，如：二氧化硅等。
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§2.2 微系统常用材料及其特性
§2.2 微系统常用材料及其特性

石英基片（单晶）



石英的化学成分SiO2。石英晶体是一种具有光、机、电综合特性的 材料。 尤其是其机-电和电-机转换特性，使得石英在许多场合被用作传感器 和执行器的理想材料。 石英基片常用于某些有特殊需要的微型传感器和微型执行器的衬底 材料,比如压电传感器、石英音叉陀螺。
另一方面是由于这种方法制作的微机电器件便于与微电子电路一 起实现单片集成，也就是说可以将某些微系统制作成类似于普通 集成电路那样的形状，这对微系统得使用和安装都十分有利。


这种基于硅工艺的微系统制造技术已经成为了微制造技术中的 主流，也是本章介绍的重点。
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§2.1 微系统制造技术分类

LIGA工艺制造过程
光刻-电铸
光刻-铸塑
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§2.1 微系统制造技术分类

LIGA工艺制造技术的特点

该技术的一个重要特点是能产生 “厚”的三维立体微型结构零件
可使用的材料也相对比较广泛，可 以用金属或塑料制造形状相对复杂 的、厚实的微型零件，这些独特的 优势可以满足许多微型系统对结构 设计的要求 LIGA技术在微系统制造工业中被 广泛地推广和应用，成为微系统加 工的一种重要特种微机械加工工艺


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§2.1 微系统制造技术分类

硅工艺制造技术

当前世界各国普遍采用的微系统加工工艺和方法，应用最广泛
这种技术从诞生开始，很快就得到了全世界内的认可和推广应 用。

一方面是由于这种技术继承了许多微电子技术中成熟的工艺和设 备，使得微系统的制造除了少量特殊设备以外，不需要化时间和 经费去去另行研究开发一些基础性的设备；

硅、硼、锗、砷化稼、磷化稼、石英、玻璃、压电陶瓷、半 导体氧化物、半导体氮化物、半导体碳化物、金、银、铜、 铝、塑料等聚合物。
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§2.2 微系统常用材料及其特性

从材料使用功能的角度，以上这些常用的材料在微系 统中主要被用于：





基片材料 结构材料 电气材料 封装材料 工艺材料 ……

值得注意的是：许多材料具有多方面的性能，在微系 统中可同时用于多种不同的应用目的。
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§2.2 微系统常用材料及其特性

基片材料

用作衬底的平面叫做基片，而用作基片的材料叫做 基片材料或衬底材料。 微系统中的微型结构不能悬空地存在，总是需要附 着在一个衬底平面上才能被制造出来，并依靠基片 支撑着工作。同样，微系统中的集成电路也需要衬 底平面。
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§2.2 微系统常用材料及其特性

单晶硅晶向的标识

密勒指数符号的定义如下：

(i,j,k) …… 一个特定的晶面 {i,j,k} …… 一簇对应的晶面 [i,j,k] …… 一个特定的晶向

<i,j,k> …… 一簇对应的晶向
Laster-LIGA：W.Ehrfel等人1995年首次提出并使用。采用 193nm的ArF准分子激光器，直接消融PMMA光刻胶来取代 X射线光刻工序，精度为微米级，深宽比适中（<10）。 DEM(deep-etching, electro-forming, micoreplication): 利用 等离子体深刻蚀工艺代替同步辐射X光深层光刻，然后进行 后续的微电铸和微复制工艺。
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§2.1 微系统制造技术分类

LIGA工艺制造技术

这种微系统制造方法来源于德国，以德国为代表，由德国喀尔 斯鲁厄市的德国喀尔斯鲁厄核技术研究中心发明。
LIGA本身的含义就是由以下德文的首字母构成


Lithograpie(光刻)
Membrane
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§2.1 微系统制造技术分类

硅工艺制造技术的主要特点：
与微电子工艺兼容，是目前唯一可以与微电子电路实现单片集成 制造的工艺 适合低成本的大批量微型零件和微系统器件的加工制造 可用于加工的材料种类相对有限制，但越来越丰富 能加工的零件尺寸范围窄，适合尺度在0.1m ~100m范围内的 零件加工 能制造的零件形状相对简单，形状复杂的结构和部件厂需要用 LIGA等其它加工工艺来制造 到目前为止，还没有一种十全十美的微系统加工工艺。由于微系统 的加工要求十分复杂，估计以后也很难出现某一种加工方法能独闯 天下的局面。


微系统制造技术中可以选择和使用的基片材料主要 包括：单晶硅、玻璃、石英等。
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§2.2 微系统常用材料及其特性

单晶硅基片 单晶硅用作基片材料的主要理由：

单晶硅具有良好的机械性能，其弹性模量与钢材相当；

单晶硅是一种集成电路中广泛使用的半导体材料，便 于与微电子电路集成；
§2.1 微系统制造技术分类
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§2.1 微系统制造技术分类

硅工艺制造技术的分类：体硅工艺（减法工艺） 和表面工艺（加法工艺）两种类型
Bulk Micromachining Surface Micromachining
Wafer Surface Cavity Cantilevers Nozzle Bridge Trench


对于微系统的制造来说，就是设法用大机械制造小机械，小 机械制造微机械。
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§2.1 微系统制造技术分类

超精密机械加工制造技术

大机械制造小机械，小机械制造 微机械的这种加工方法在理论上 可以制造出任何形状的微型零件。 主要特点是：可用的材料比较多， 能加工的零件尺寸范围宽（微米 以上尺度的零件都可以加工）， 并且可以制造十分精致的复杂形 状，但制造成本相对比较高，不 太适合大批量的低成本制造，无 法与微电子电路实现单片集成制 造。