第一讲微系统封装技术-概论复习课程
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KOH进行深度腐蚀，直到腐蚀穿透整个硅片。 剩下的硅膜即为阀膜厚度 • 最后将三部分键合到一起
静电微泵结构
表面硅工艺
• 表面微机械加工以硅片微基体，通过多 层膜淀积和图形加工制备三维微机械结 构。硅片本身不被加工，器件的结构部 分由淀积的薄膜层加工而成，结构和基 体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用 是支持结构层，并形成所需要的形状的 空腔尺寸，在微器件制备的最后工艺中 溶解牺牲层
应力
机械 振动
冲击
气体
化学 湿度
腐蚀
温度
物理 压力
加速度
1.封装和制造引起残余应力 2.外部载荷 3.变形引起应力 4.机械失效
气密性封装
芯片划伤
封装时加载在器件上 的温度过高，压力过 大
MEMS器件受多方面环境因素的影响也是MEMS器件封装之所以多样和 复杂的原因
微机电系统主要加工工艺
Bulk micromachining
表面硅加工工艺主要流程
硅园片
刻蚀牺牲层
淀积结构层 刻蚀结构层
淀积结构层 刻蚀结构层
淀积牺牲层
释放结构
表面工艺常用材料组合
• 表面加工要求所应用的材料是一组相互匹配的 结构层、牺牲层材料
• 结构材料必须满足应用所需要的电学和机械性 能，例如静电执行器（微电机和侧向谐振器） 的导电结构和绝缘层。机械性能要求适中的残 余应力、高的屈服断裂应力、低的蠕变和高的 疲劳强度、抗磨损等
应用材料的效应 体效应器件
面效应器件
环境敏感性Leabharlann Baidu
对环境很敏感
对环境不太敏感
信号接口种类 加工工艺
有 机 械 、 光 、 电 、 多 种 主要是电信号 信号
有多种加工工艺
主要是表面加工工艺
加工材料
有多种加工材料
主要是半导体材料
微电子封装成本占总成本30%左右，MEMS封装成本为器件成本80 %左右
影响MEMS器件的环境因素
Silicon
Ti (Heating resistor and internal wire)
通过电阻加热，把工质汽化，产生高温高压 气体从喷口喷出。
数字镜面显示（DMD）
改变反射方向
微机电系统（MEMS）与微电子（IC）器件的区别：
几何特性
MEMS器件 三维结构
IC器件 二维结构
物理特性
有 运 动 部 件 （ 存 在 尺 寸 无运动部件 效应，表面效应）
其它材料组合
• 如果用氮化硅作为多晶硅微机械的牺牲 层，其主要缺点是多晶硅作结构材料时， 难以腐蚀氮化硅，而且LPCVD淀积的氮 化硅有较大的内应力，当薄膜厚度超过 几百个纳米时，应力将引起薄膜的破裂。 如果用Al作为牺牲层材料，则因为 LPCVD淀积温度为630℃，超过Al的熔点； 此外硅片和Al同时放入淀积多晶硅设备 中易造成污染。
各个国家不同的定义
美国：微型机电系统
MEMS: Micro electro mechanical system
日本：微机械
Micro machine
欧洲：微系统
Micro system
典型MEMS器件介绍：
微泵 ( Micro Pump)
压电片
容积泵，压电驱动
金属层
加热膜
硅 硅
双金属热致动阀
微喷——喷墨打印头
电阻电热式微推进器
Wire
Glue Bonding
pads
Hole for wire bonding
Vapor
Nozzle
Top wafer
Chamber
Internal leads
Heating resistor
Bottom wafer
Inlet Water
Cavity for heat insulation
• 牺牲层材料应有好的粘结力、低的残余应力， 同时既满足工艺条件又不产生相反作用等
表面工艺使用结构层与牺牲层 材料组合
典型组合
• 多晶硅作为结构层材料，氧化硅作为牺牲层 • 以LPCVD淀积的多晶硅作为结构层材料，热生
长或LPCVD淀积的氧化硅作为牺牲层材料已经 广泛用于多晶硅的表面微机械，电学和机械性 能均能满足结构层和牺牲层以及各种工艺的要 求；腐蚀剂HF腐蚀氧化硅不会影响多晶硅，不 会浸湿多晶硅且易清洗；同时该两种材料用于 IC技术，其薄膜的淀积的刻蚀技术已经成熟
• 体微机械加工常用的是利用硅腐蚀的各向异性 制造各种几何机构，再通过键合技术将两部分 硅的微结构结合再一起
体硅加工工艺主要流程
硅园片
腐蚀硅片
淀积光刻胶
去掉光刻胶
刻蚀光刻胶
为了得到质量好的结构，一般采用SiO2或 Si3N4作为掩膜
体硅工艺
体硅工艺的典型应用
• 微泵：具有两个单向阀，当电压施加到 极板上时，变形膜向上运动，此时泵室 体积增加，压力减小，进水阀打开，液 体流进腔室。断电后，相反。泵的基本 参数：变形膜面积4×4mm2，厚度25微 米，间隙4微米，工作频率1～100Hz，典 型值为25Hz，流量为70mL/min
加工工艺路线
• 驱动部分：可根据各种不同的结构采用 高掺杂的硅膜、形状记忆合金、金属膜 薄片等。
• 腔体制备：采用双面氧化的硅片，首先 在硅片背面开出窗口（正面用光刻胶保 护 放）入K，O放H入，H腐F蚀，S去i，除直Si到O2要，求去的掉膜光厚刻为胶， 止
• 阀膜制备
阀膜制备
• 对双面氧化的硅片进行双面光刻 • 腐蚀SiO2、去除光刻胶、清洗 • 用KOH腐蚀硅片双面，腐蚀深度10～15微米 • 去除浅腐蚀面的SiO2（将深腐蚀面保护） • 去浅腐蚀面用于键合的金属层 • 用密闭良好的夹具将有金属的一面保护，再用
微机电系统封装技术基础
主讲： 汪学方
华中科技大学MEMS中心
微机电系统的概念
微机电系统（Micro ElectroMechanical Systems— MEMS）是融合了硅微加工、LIGA（光刻、电铸 和塑铸）和精密机械加工等多种微加工技术，并 应用现代信息技术构成的微型系统。它在微电子 技术的基础上发展起来的，但又区别于微电子技 术。它包括感知外界信息（力、热、光、磁、电、 声等）的传感器和控制对象的执行器，以及进行 信号处理和控制的电路。
~1960
Surface micromachining
~1986
LIGA ~1978
体硅加工：
• 体加工(Bulk Machining)指通过刻蚀(Etching)等 去除部分基体或衬底材料，从而得到所需的元 件的体构形。它在微机械制造中应用最早，主 要是通过光刻和化学刻蚀等在硅基体上得到一 些坑、凸台、带平面的孔洞等微结构，它们成 为建造悬臂梁、膜片、沟槽和其它结构单元的 基础，最后利用这些结构单元可以研制出压力 或加速度传感器等微型装置。
静电微泵结构
表面硅工艺
• 表面微机械加工以硅片微基体，通过多 层膜淀积和图形加工制备三维微机械结 构。硅片本身不被加工，器件的结构部 分由淀积的薄膜层加工而成，结构和基 体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用 是支持结构层，并形成所需要的形状的 空腔尺寸，在微器件制备的最后工艺中 溶解牺牲层
应力
机械 振动
冲击
气体
化学 湿度
腐蚀
温度
物理 压力
加速度
1.封装和制造引起残余应力 2.外部载荷 3.变形引起应力 4.机械失效
气密性封装
芯片划伤
封装时加载在器件上 的温度过高，压力过 大
MEMS器件受多方面环境因素的影响也是MEMS器件封装之所以多样和 复杂的原因
微机电系统主要加工工艺
Bulk micromachining
表面硅加工工艺主要流程
硅园片
刻蚀牺牲层
淀积结构层 刻蚀结构层
淀积结构层 刻蚀结构层
淀积牺牲层
释放结构
表面工艺常用材料组合
• 表面加工要求所应用的材料是一组相互匹配的 结构层、牺牲层材料
• 结构材料必须满足应用所需要的电学和机械性 能，例如静电执行器（微电机和侧向谐振器） 的导电结构和绝缘层。机械性能要求适中的残 余应力、高的屈服断裂应力、低的蠕变和高的 疲劳强度、抗磨损等
应用材料的效应 体效应器件
面效应器件
环境敏感性Leabharlann Baidu
对环境很敏感
对环境不太敏感
信号接口种类 加工工艺
有 机 械 、 光 、 电 、 多 种 主要是电信号 信号
有多种加工工艺
主要是表面加工工艺
加工材料
有多种加工材料
主要是半导体材料
微电子封装成本占总成本30%左右，MEMS封装成本为器件成本80 %左右
影响MEMS器件的环境因素
Silicon
Ti (Heating resistor and internal wire)
通过电阻加热，把工质汽化，产生高温高压 气体从喷口喷出。
数字镜面显示（DMD）
改变反射方向
微机电系统（MEMS）与微电子（IC）器件的区别：
几何特性
MEMS器件 三维结构
IC器件 二维结构
物理特性
有 运 动 部 件 （ 存 在 尺 寸 无运动部件 效应，表面效应）
其它材料组合
• 如果用氮化硅作为多晶硅微机械的牺牲 层，其主要缺点是多晶硅作结构材料时， 难以腐蚀氮化硅，而且LPCVD淀积的氮 化硅有较大的内应力，当薄膜厚度超过 几百个纳米时，应力将引起薄膜的破裂。 如果用Al作为牺牲层材料，则因为 LPCVD淀积温度为630℃，超过Al的熔点； 此外硅片和Al同时放入淀积多晶硅设备 中易造成污染。
各个国家不同的定义
美国：微型机电系统
MEMS: Micro electro mechanical system
日本：微机械
Micro machine
欧洲：微系统
Micro system
典型MEMS器件介绍：
微泵 ( Micro Pump)
压电片
容积泵，压电驱动
金属层
加热膜
硅 硅
双金属热致动阀
微喷——喷墨打印头
电阻电热式微推进器
Wire
Glue Bonding
pads
Hole for wire bonding
Vapor
Nozzle
Top wafer
Chamber
Internal leads
Heating resistor
Bottom wafer
Inlet Water
Cavity for heat insulation
• 牺牲层材料应有好的粘结力、低的残余应力， 同时既满足工艺条件又不产生相反作用等
表面工艺使用结构层与牺牲层 材料组合
典型组合
• 多晶硅作为结构层材料，氧化硅作为牺牲层 • 以LPCVD淀积的多晶硅作为结构层材料，热生
长或LPCVD淀积的氧化硅作为牺牲层材料已经 广泛用于多晶硅的表面微机械，电学和机械性 能均能满足结构层和牺牲层以及各种工艺的要 求；腐蚀剂HF腐蚀氧化硅不会影响多晶硅，不 会浸湿多晶硅且易清洗；同时该两种材料用于 IC技术，其薄膜的淀积的刻蚀技术已经成熟
• 体微机械加工常用的是利用硅腐蚀的各向异性 制造各种几何机构，再通过键合技术将两部分 硅的微结构结合再一起
体硅加工工艺主要流程
硅园片
腐蚀硅片
淀积光刻胶
去掉光刻胶
刻蚀光刻胶
为了得到质量好的结构，一般采用SiO2或 Si3N4作为掩膜
体硅工艺
体硅工艺的典型应用
• 微泵：具有两个单向阀，当电压施加到 极板上时，变形膜向上运动，此时泵室 体积增加，压力减小，进水阀打开，液 体流进腔室。断电后，相反。泵的基本 参数：变形膜面积4×4mm2，厚度25微 米，间隙4微米，工作频率1～100Hz，典 型值为25Hz，流量为70mL/min
加工工艺路线
• 驱动部分：可根据各种不同的结构采用 高掺杂的硅膜、形状记忆合金、金属膜 薄片等。
• 腔体制备：采用双面氧化的硅片，首先 在硅片背面开出窗口（正面用光刻胶保 护 放）入K，O放H入，H腐F蚀，S去i，除直Si到O2要，求去的掉膜光厚刻为胶， 止
• 阀膜制备
阀膜制备
• 对双面氧化的硅片进行双面光刻 • 腐蚀SiO2、去除光刻胶、清洗 • 用KOH腐蚀硅片双面，腐蚀深度10～15微米 • 去除浅腐蚀面的SiO2（将深腐蚀面保护） • 去浅腐蚀面用于键合的金属层 • 用密闭良好的夹具将有金属的一面保护，再用
微机电系统封装技术基础
主讲： 汪学方
华中科技大学MEMS中心
微机电系统的概念
微机电系统（Micro ElectroMechanical Systems— MEMS）是融合了硅微加工、LIGA（光刻、电铸 和塑铸）和精密机械加工等多种微加工技术，并 应用现代信息技术构成的微型系统。它在微电子 技术的基础上发展起来的，但又区别于微电子技 术。它包括感知外界信息（力、热、光、磁、电、 声等）的传感器和控制对象的执行器，以及进行 信号处理和控制的电路。
~1960
Surface micromachining
~1986
LIGA ~1978
体硅加工：
• 体加工(Bulk Machining)指通过刻蚀(Etching)等 去除部分基体或衬底材料，从而得到所需的元 件的体构形。它在微机械制造中应用最早，主 要是通过光刻和化学刻蚀等在硅基体上得到一 些坑、凸台、带平面的孔洞等微结构，它们成 为建造悬臂梁、膜片、沟槽和其它结构单元的 基础，最后利用这些结构单元可以研制出压力 或加速度传感器等微型装置。