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1、微電子機(jī)械系統(tǒng)
硅已在集成電路領(lǐng)域顯示出其巨大的魅力，并使人類跨入了信息社會(huì),成了技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力，這主要得益于硅工藝的完美和杰出的電特性.正因?yàn)槿绱?，世界上的主要工業(yè)化國(guó)家都對(duì)微電子技術(shù)進(jìn)行了大量的投資，以求在該領(lǐng)域占有一席之地,這種競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步促進(jìn)了微電子技術(shù)的發(fā)展.
但是，微電子技術(shù)作為一種資源，并沒(méi)有得到充分地利用，可以說(shuō)目前僅利用了它的百分之幾，是極大的浪費(fèi).因此如何充分利用這一資源是極其重要的研究課題，半導(dǎo)體微機(jī)械加工技術(shù)就是拓寬微電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域一個(gè)成功的例子.這一技術(shù)充分利用了極為豐富的微電子技術(shù)資源，用它替代傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法來(lái)實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得將傳感器、執(zhí)行
2、器和處理器集成在同一芯片上制作出微電子機(jī)事實(shí)上，桂不僅有良好的電特性，而且它還是一
械系統(tǒng)(MEMS)成為可能，這在傳統(tǒng)機(jī)械加工領(lǐng)域種極好的機(jī)械材料，表1給出了有關(guān)材料的機(jī)械特性[5-，從表中可以看出.硅有很好的彈性及機(jī)械強(qiáng)度，非常適合制作機(jī)械部件.目前利用微機(jī)械技術(shù)不僅制作出了各種傳感器，而且還制作出了執(zhí)行器、微機(jī)械光學(xué)元件及各種微機(jī)械構(gòu)件，顯示出硅作為機(jī)械材料應(yīng)用具有極為廣泛的前景.
二、MEMS的主要技術(shù)
MEMS的制作除了需用常規(guī)微電子工藝外，還需用其它特殊技術(shù)，以便形成微機(jī)械結(jié)構(gòu).MEMS的設(shè)計(jì)則必須考慮尺寸效應(yīng)，因?yàn)楫?dāng)線度小到一定程度時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)械的設(shè)計(jì)
3、理論存在局限性.
1.體微機(jī)械技術(shù)
體微機(jī)械技術(shù)是最早在生產(chǎn)中得到應(yīng)用的技術(shù)，大多數(shù)硅壓力傳感器的生產(chǎn)均使用了該技術(shù).該技術(shù)是采用化學(xué)腐蝕的方法來(lái)對(duì)硅片進(jìn)行微機(jī)械加工，常用的有各向同性和各向異性兩種.各向同性腐蝕液主要有HNA,各向異性腐蝕液主要有EDP、KOH、N2H4和TMAH.用HNA腐蝕液，橫向尺寸不好控制，用得較少，主要作為一種輔助手段加以使用.EDP的優(yōu)點(diǎn)是掩膜方便，但腐蝕溫度高，腐蝕時(shí)易在硅片上產(chǎn)生生成物沉淀而使腐蝕終止且毒性大.KOH腐蝕溫度低、選擇比高達(dá)400:1，毒性小，存在的問(wèn)題是對(duì)SiOz腐蝕過(guò)快，深腐蝕需用Si3\保護(hù).H2N4存在的問(wèn)題是毒性大，
4、腐蝕液揮發(fā)性強(qiáng)，對(duì)腐蝕容器的密封性要求高.TMAH是近幾年出現(xiàn)的一種各向異性腐蝕液，它的優(yōu)點(diǎn)是不含堿金屬離子，對(duì)Si02和Si3N,幾乎不腐蝕，是一種非常有前途的各向異性腐蝕液.
使用各向異性腐蝕液時(shí)，由于其(100)面和(111)面的腐蝕速率相差很大，其橫向尺寸非常好控制，但腐蝕深度的控制是個(gè)大問(wèn)題，靠通過(guò)腐蝕時(shí)間來(lái)控制深度誤差很大，因此自停止腐蝕技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.該技術(shù)能使腐蝕自動(dòng)終止在特定層，故可精確控制膜厚.自停止腐蝕主要有P++自停止和p—n結(jié)自停止，P—自停止是腐蝕自動(dòng)終止在P+T層上，P—層的厚度即是膜厚;P—n結(jié)自停止是在N區(qū)上加正電位，腐蝕自動(dòng)終止在N區(qū)，N區(qū)的厚度即是
5、膜厚?為了防止由于P—n結(jié)漏電使腐蝕提前終止在P區(qū)，又發(fā)展了三電極和四電極自停止腐蝕技術(shù)?幾種自停土腐蝕方法的比較2.表面微機(jī)械技術(shù)
表面微機(jī)械技術(shù)的基本概念是先在硅片上淀積一層犧牲層材料，然后再淀積一層結(jié)構(gòu)材料，腐蝕掉犧牲層后，結(jié)構(gòu)材料即自由懸空，這樣可形成各種微機(jī)械結(jié)構(gòu).表面微機(jī)械技術(shù)可分為干法腐蝕犧牲層和濕法腐蝕犧牲層兩種?采用干法腐蝕方法的犧牲層材料有聚酰亞銨和光刻膠，結(jié)構(gòu)材料主要是金屬，采用干法腐蝕對(duì)片上的其它器件影響較小,但橫向腐蝕尺寸有限，比較難做大尺寸的微機(jī)械結(jié)構(gòu)?采用濕法腐蝕方法的犧牲層材料有多晶硅、硅、PSG、A1和Cr等，結(jié)構(gòu)材料有多晶硅、Si3N4和Si02等
6、，濕法腐蝕對(duì)犧牲層有很高的選擇性，橫向腐蝕的尺寸基本沒(méi)有限制，可在很大范圍內(nèi)獲得不同尺寸的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，但在腐蝕犧牲層時(shí)如何保護(hù)其它器件不被腐蝕是個(gè)大問(wèn)題.目前用得較多的是濕法腐蝕犧牲層.
3.LIGA技術(shù)
L1GA技術(shù)是最近出現(xiàn)的技術(shù)，利用LIGA技術(shù)制作的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，可獲得很大的高寬比，對(duì)于寬度僅為數(shù)Mm的圖形，其高度可達(dá)1000Mm.LIGA技術(shù)的基本過(guò)程是，采用同步輻射光源曝光，通?？墒购襁_(dá)100pm的PMMA顯影出很大高寬比的微圖形，然后電鍍，去掉PMMA后就可獲得很大高寬比的機(jī)械構(gòu)件.LIGA在制作很厚的微機(jī)械結(jié)構(gòu)方面有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是常規(guī)的微電子工藝所無(wú)法替代的
7、，它的出現(xiàn)豐富了MEMS的內(nèi)容，使得原來(lái)難以實(shí)現(xiàn)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠制作出來(lái)，它將會(huì)在MEMS領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用.目前使用LIGA已制作出熱驅(qū)動(dòng)微繼電器、微馬達(dá)、磁執(zhí)行器、微光學(xué)元件以及許多微機(jī)械零件.
4?鍵合技術(shù)
硅硅直接鍵合技術(shù)和硅玻璃靜電鍵合技術(shù)在MEMS制造中可發(fā)揮重要作用.硅硅直接鍵合技術(shù)早期是為了獲得高質(zhì)量的SOI硅片而出現(xiàn)的，采用該技術(shù)可制作出體硅性能的SOI硅片.之后又利用該技術(shù)來(lái)制造大功率器件?也獲得了較好的結(jié)果.它在MEMS中的應(yīng)用是從壓力傳感器開(kāi)始的，目前已制作出壓力、加速度傳感器和微機(jī)械諧振器等多種器件.它的最大特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)硅一體化微機(jī)械結(jié)構(gòu)，不存在界
8、面失配問(wèn)題，有利于提高器件的性能;由于它是采用兩硅片來(lái)制作器件，因此在設(shè)計(jì)時(shí)具有很大的靈活性，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的微機(jī)械結(jié)構(gòu).它在工藝也非常簡(jiǎn)單，將硅片經(jīng)過(guò)表面處理后貼合在一起，再進(jìn)行高溫處理即可實(shí)現(xiàn)鍵合.目前關(guān)于這一技術(shù)的研究正在朝降低鍵合溫度的方向努力，已可在12CTC下實(shí)現(xiàn)鍵合.可以肯定，它在MEMS中的地位越來(lái)越重要.
硅玻璃靜電鍵合的工藝過(guò)程為，在350C?5003C下，硅玻璃之間施加幾白-伏的直流電壓，幾分鐘后硅和玻璃即可鍵合在一起.這一技術(shù)最早被用在壓力傳感器的制造上，主要是為了減少由傳感器的封裝引起的界面失配帶來(lái)的不穩(wěn)定，但硅硅鍵合技術(shù)出現(xiàn)后，它的作用受到一定的影響，因?yàn)閺?/p>
9、理論上講硅硅鍵合的界面根本就不存在失配.硅玻璃靜電鍵合技術(shù)為硅與其它材料的鍵合提供了手段，這樣在MEMS的設(shè)計(jì)時(shí)有更大的活動(dòng)余地，不僅可考慮用硅來(lái)制作，而且還可與玻璃結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此它在MEMS領(lǐng)域?qū)?huì)繼續(xù)發(fā)揮一定的作用.
S?設(shè)計(jì)技術(shù)
MEMS的設(shè)計(jì)在許多方面與一般的器件及1C的設(shè)計(jì)類似，現(xiàn)有的許多設(shè)計(jì)工具均可用于MEMS的設(shè)計(jì).但畢竟MEMS有機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此還必須進(jìn)行機(jī)械及力學(xué)設(shè)計(jì).對(duì)于MEMS的機(jī)械及力學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，某些傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的理論存在局限性.微機(jī)械結(jié)構(gòu)由于尺寸小，其表面特性起主要作用，因此必須考慮尺寸效應(yīng).例如，若單位體積的力為單位表面積的力為/,其
10、線度為L(zhǎng)，密度為卜則牛頓第二定律為：中a為加速度，L很小時(shí)，表面力起主要作用，而對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械來(lái)說(shuō)，表面力起較次要的作用.此外MEMS大多數(shù)用的是薄膜材料，其力學(xué)性能與體材料存在一定的差異，這也是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到的.而MEMS的動(dòng)力學(xué)特性則更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)注意到它與傳統(tǒng)機(jī)械的區(qū)別.目前已有一些MEMS專用設(shè)計(jì)軟件，如MIT的MEMCAD和密執(zhí)安大學(xué)的CAEMEMS.
三、MEMS的應(yīng)用
目前MEMS最有實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng)域是傳感器，MEMS的市場(chǎng)幾乎被傳感器所占領(lǐng)，這其中壓力傳感器所占市場(chǎng)份額最大.早在七十年代初已有利用微機(jī)械技術(shù)制作的壓力傳感器，并用在航空和航天領(lǐng)域.近年
11、來(lái)汽車工業(yè)是壓力傳感器的最大市場(chǎng)，需要大量低價(jià)的傳感器，要求工作溫度范圍為一40C?125C，精度優(yōu)于1%，壽命超過(guò)10年.通用汽車公司已建立了一條硅壓力傳感器全自動(dòng)生產(chǎn)線，它是世界上第一家利用微機(jī)械技術(shù)來(lái)生產(chǎn)高性能廉價(jià)壓力傳感器的公司，同樣的設(shè)計(jì)還被用來(lái)制作高度表和渦輪助推發(fā)動(dòng)機(jī)使用的壓力傳感器.1993年產(chǎn)量超過(guò)1千萬(wàn)只，是世界上最大的硅壓力傳感器生產(chǎn)廠家.福特公司開(kāi)發(fā)了硅電容式絕壓傳感器，克萊斯勒公司與摩托羅拉公司合作開(kāi)發(fā)了橫向壓阻式硅壓力傳感器.1993年全世界這類壓力傳感器的年產(chǎn)量高達(dá)2500萬(wàn)只，帶處理電路，封裝完好能高可靠工作的壓力傳感器平均價(jià)格為10美元/只，可見(jiàn)其市場(chǎng)前景極為
12、可觀.
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是MEMS另一個(gè)較大的市場(chǎng),其中以醫(yī)用血壓傳感器用途最廣.在硅微機(jī)械壓力傳感器出現(xiàn)之前，血壓是用易碎的壓力傳感器來(lái)測(cè)量的，成本高達(dá)600美元.汽車用壓力傳感器的發(fā)展也推動(dòng)了醫(yī)用壓力傳感器的實(shí)用化，在過(guò)去十幾年醫(yī)用壓力傳感器的年產(chǎn)量由40000只增到1700萬(wàn)只，而價(jià)格也從60美元左右降到10美元以下.體內(nèi)用壓力傳感器是另一類重要的醫(yī)用傳感器，其需求量近幾年有大幅度增長(zhǎng).
MEMS在傳感器方面的應(yīng)用是最富有成效的，現(xiàn)在利用微機(jī)械技術(shù)可以制作各種傳感器，除了壓力傳感器外，其它如加速度傳感器、流量傳感器、應(yīng)變傳感器、氣體傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、微機(jī)
13、械諧振傳感器和真空傳感器等等，絕大部分傳感器的制作或多或少均要用到微機(jī)械技術(shù)，可見(jiàn)MEMS在傳感器領(lǐng)域的作用是舉足輕重的.
MEMS另一個(gè)很有前途的應(yīng)用是光學(xué)及光電子學(xué)領(lǐng)域.光可無(wú)接觸地與芯片耦合，一旦光進(jìn)入了芯片，為控制光路所進(jìn)行的機(jī)械運(yùn)動(dòng)均在片內(nèi)進(jìn)行，與外界無(wú)關(guān)，因此不存在片內(nèi)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與外界機(jī)械運(yùn)動(dòng)的匹配問(wèn)題.MEMS應(yīng)用存在的最大問(wèn)題就是微機(jī)械運(yùn)動(dòng)力距很小，無(wú)法在外界得到應(yīng)用，所以MEMS在光學(xué)及光電子學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用是大有可為的.TI公司利用表面微機(jī)械技術(shù)制作出了微投影儀，該投影儀由微反射鏡面陣組成，反射鏡的偏轉(zhuǎn)角由電壓來(lái)控制.利用微機(jī)械技術(shù)制作的微分光計(jì)，可在一個(gè)小的芯片上
14、實(shí)現(xiàn)分光功能.該分光計(jì)由光柵，反射鏡和探測(cè)器陣列組成，被測(cè)光通過(guò)光柵后不同波長(zhǎng)的光傳播方向不一樣，因此這些光被反射鏡反射后根據(jù)波長(zhǎng)的不同將會(huì)到達(dá)不同的位置，在相應(yīng)的位置上集成光探測(cè)器就可測(cè)出不同波長(zhǎng)的光強(qiáng).利用微機(jī)械技術(shù)已制作出微透鏡、微光開(kāi)關(guān)、微光閥、微斬光器、微機(jī)械M—Z干涉儀等許多光學(xué)元件.更令人感興趣的是,將硅與化合物半導(dǎo)體鍵合技術(shù)和MEMS結(jié)合，在硅片上就可制作LD、光探測(cè)器、處理電路及有關(guān)光學(xué)元件，這樣在一個(gè)芯片上就包含了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，就類似一個(gè)光學(xué)平臺(tái)被集成一起，形成了微機(jī)械光學(xué)系統(tǒng).
執(zhí)行器是MEMS最活躍、最富有新意的應(yīng)用領(lǐng)域.微執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)力主要有靜電、壓電、電磁
15、和熱.以靜電作為動(dòng)力的微執(zhí)行器利用靜電間的吸引力，改變極板間的電壓就可推動(dòng)某一板作機(jī)械運(yùn)動(dòng);在不同電極之間加相位不同的脈沖*R要相位差適當(dāng)也可使某一極板怍機(jī)械運(yùn)動(dòng).這類微執(zhí)行器有微馬達(dá)、微閥門(mén)、微光閥、微光開(kāi)關(guān)和微投影儀等，可以說(shuō)靜電力是MEMS中用得最廣的一種驅(qū)動(dòng)力.利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)也可產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這是壓電驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，而改變壓電材料上的電壓，它將會(huì)產(chǎn)生伸縮作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這類微執(zhí)行器有微閥門(mén)，微直線電機(jī)、微光開(kāi)關(guān)等.電磁驅(qū)動(dòng)主要是利用洛倫滋力，當(dāng)微結(jié)構(gòu)上的線圈通電流后，在磁場(chǎng)作用下，它將受到洛倫滋力的作用，從而產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng).利用電磁力驅(qū)動(dòng)的微閘門(mén)(Micro-flap)可產(chǎn)生2MN的力
16、和大于l〇〇Mm的位移.利用微機(jī)械結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力也可產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這就是熱驅(qū)動(dòng)的原理.上述這些驅(qū)動(dòng)方式還可用來(lái)做微機(jī)械諧振器的激勵(lì)源，驅(qū)動(dòng)諧振器作機(jī)械振動(dòng).表3是幾種驅(qū)動(dòng)方式的比較，相對(duì)來(lái)說(shuō)，以靜電力驅(qū)動(dòng)方式為最佳，使用得也最多.MEMS還被用來(lái)制作各種機(jī)械零件，如微齒輪、微軸承、微連接器、微攝子和微探針等.還可以用來(lái)制作微致冷器,這種致冷器由一系列微管道組成，這些微管道做在硅或化合物半導(dǎo)體芯片的背面，管道中通入冷卻氣體可有效地降低正面器件工作區(qū)的溫度，提高最大功耗.
展望MEMS的應(yīng)用前景，人們所期望的是能將傳感器、處理器和執(zhí)行器集成在一起構(gòu)成一個(gè)微型機(jī)器人系統(tǒng)，目前已研制出一些由傳
17、感器和處理器構(gòu)成的智能傳感器，可以說(shuō)它是一個(gè)非常初級(jí)的系統(tǒng)，離上述目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)，但經(jīng)過(guò)人們的不斷努力，相信在不久的將來(lái)人類能制作出真正的微型機(jī)器人系統(tǒng).
四、國(guó)外主要研究機(jī)構(gòu)
國(guó)外MEMS研究機(jī)構(gòu)主要集中在美國(guó)、日本和歐洲.日本通產(chǎn)省在1992年投資建立了微機(jī)械中心(MicromachineCenter—MMC)，1993年9月以前有29家公司和6個(gè)機(jī)構(gòu)支持MiMC，它的主要任務(wù)是關(guān)干微機(jī)械的研究、信息收集及提供、建立微機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)，與日本及海外的微機(jī)械研究機(jī)構(gòu)合作交流，進(jìn)行微機(jī)械的科普教育工作.MMC近幾年的研究目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出一種小型的機(jī)械系統(tǒng)，能夠運(yùn)動(dòng)到非常細(xì)的管道里，并承擔(dān)檢査和維護(hù)類似于電站或人體那樣復(fù)雜系統(tǒng)的任務(wù).
微電子機(jī)械系統(tǒng)
