《微装配与MEMS仿真导论》第2章 MEMS工艺及器件特性.pptx

第2章MEMS工艺及器件特性;MEMS的系统划分自上而下分为工艺级、物理级、器件级和系统级四个层级，对应于各层级分别表现出MEMS的材料特性、结构特性和功能特性，其对应关系如图2.1所示。现就各层级特点将MEMS特性分别进行描述。;;

在对系统进行制造前理论分析，尤其是对尺度效应等具体问题分析时，往往会涉及到MEMS材料特性，其特性在很大程度上也与MEMS加工工艺有关。

所谓加工，是运用各种工具将原材料改造成为具有某种用途的形状。提及加工，自然会联想到机械加工。机械加工是将某种原材料经过切削或模压形成最基本的部件，然后将多个基本部件装配成一个复杂的系统。;某些机械加工也可以称为微纳米加工，因为就其加工精度而言，某些现代磨削加工或抛光加工的精度可以达到微米或纳米量级。但这里的微米或纳米是指工件形状的精度。微纳米加工不同于传统加工，其最本质的区别是加工形成的部件或结构本身的尺寸在微米或纳米量级。形成微纳米结构的工艺技术可大体分为三种类型：平面工艺、探针工艺和模型工艺。;以平面工艺为基础的微纳米加工是与传统机械加工概念完全不同的加工技术。平面工艺依赖于光刻(Lithography)技术。首先将一层光敏物质感光，通过显影使其感光层受到辐射部分留在基底材料表面；通过多层曝光、腐蚀或沉积，复杂的微纳米结构可以从基底材料上构筑起来。这里的光刻是广义的，实现感光层图案不仅可以通过光学的曝光，还可以是电子束曝光、离子束曝光和X射线曝光。这些图案可以通过掩膜投影实现，也可以通过直接扫描激光束、电子束或离子束实现。腐蚀技术包括化学液体湿法腐蚀和各种等离子体干法刻蚀。材料沉积技术包括热蒸发沉积和电铸沉积。;探针工艺可以说是传统机械加工的延伸，是用各种微纳米尺寸的探针取代了传统的机械切削工具。这里的探针不仅包括诸如扫描隧道显微探针、原子力显微探针等物理形式的探针，还包括聚焦离子束、激光束、原子束和火花放电微探针等非固态形式的探针。原子力探针可以直接操纵原子的排列，可以直接在基底材料表面形成纳米量级???氧化层结构。这些固体微探针也可以通过“点墨法”将分子液体传递到固体表面，形成纳米量级的单分子层点阵或图形。非固态微探针，如聚焦离子束，可以通过聚焦得到小于10nm的束直径，由聚焦离子束溅射刻蚀或化学气体辅助沉积可以直接在各种材料表面形成微纳米结构。;聚焦激光束已经广泛应用于传统加工工艺，作为切割或焊接工具。高度聚焦的激光束也可以直接剥蚀形成微纳米结构，例如近年来飞速发展的飞秒激光加工技术。

探针工艺与平面工艺的最大区别是，探针工艺只能以顺序方式加工微纳米结构，而平面工艺是以平行方式加工的。因此平面工艺是一种适合于大量生产的工艺。但探针工艺是直接加工材料，而不是像平面工艺那样通过曝光光刻胶间接加工的。;模型工艺则是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构。模型工艺包括纳米压印技术、塑料模压技术和模铸技术。纳米压印技术是利用含有纳米图形的图章压印到软化的有机聚合物层上。纳米图章可以用其他微纳米加工技术制作。虽然平面工艺中的曝光技术也可以制作此类纳米图形，但纳米压印技术可以低成本大量复制纳米图形。纳米压印还有多种派生技术，包括以曝光辅助压印形成纳米图形。模压的结构尺寸在微米以上，多用于微流体与生物芯片的制作。模压技术也是一种低成本微细加工技术。模铸技术包括塑料模铸和金属模铸。;无论模压还是模铸都是传统加工技术向微纳米领域的延伸。模压与模铸的成型速度快，因此也是适用于大量生产的工艺。;2.1.1硅微加工技术

硅基MEMS技术是微结构制作中一种常用的技术，它来源于IC加工技术，将传统的IC加工技术由二维的平面加工技术发展为三维的立体加工技术，主要包括体硅微加工技术、表面硅微加工技术和键合技术。体硅微加工技术通常利用硅腐蚀的各向异性来制造各种几何结构，再通过键合技术将两部分硅的微结构结合在一起形成机电装置；表面硅微加工技术则是在硅基片表面加工出可动微机电结构。;体硅微加工可以制作较大深宽比的三维微结构，但不能直接制作可活动构件，需要通过静电键合或热键合工艺来获得含活动件的微结构。体硅微加工技术和表面硅微加工技术均是由微电子加工技术发展起来的，其工艺已相当成熟，与微电子工艺的兼容性较好，适合于批量制作含有集成电路的微结构。;2.1.2LIGA工艺

LIGA是德文Lithographie、Galanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写。LIGA工艺是一种X射线光刻的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，因此LIGA技术能够制造出深宽比达到500、厚度大于1500μm、结构侧壁光滑且平