MEMS复习题

1MEMS复习题1.MEMS的概念，MEMS产品应用。MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）是指微型化的器件或器件组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的功能形结合的综合集成系统，采用微型结构（集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源），使之能在极小的空间内达到智能化的功效。MEMS是MicroElectroMechanincalSystem的缩写，即微机电系统，专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。微机电系统（MEMS）主要特点在于：（1）体积小、精度高、质量轻;(2)性能稳定、可靠性高；（3）能耗低，灵敏度和工作效率高；（4）多功能及智能化;（5）可以实现低成本大批量生产。民用：MEMS对航空、航天、兵器、水下、汽车、信息、环境、生物工程、医疗等领域的发展正在产生重大影响，将使许多工业产品发生质的变化和飞跃。军用：精确化、轻量化、低能耗是武器装备的主要发展趋势，这些特点均需以微型化为基础。微型化的单元部件广泛应用于飞行器的导航和制导系统、通信设备、大气数据计算机、发动机监测与控制、“智能蒙皮”结构和灵巧武器中。由硅微机械振动陀螺和硅加速度计构成的MEMS惯性测量装置已用于近程导弹，并显著提高导弹的精确打击能力。微型化技术在武器装备上的另一个重要发展是微小型武器，如微型飞行器、微小型水下无人潜水器、微小型机器人和微小型侦察传感器等。具体应用：打印机喷嘴——用于打印机；微加速度计和角速度计——应用于汽车安全气囊；微加工压力传感器——用于进气管绝对压力传感器；由硅微振动陀螺和硅加速度计构成的MEMS惯性测量装置——用于军品中的近程导弹。2.湿法刻蚀和干法刻蚀的概念，两者异同点以及在MEMS中的应用。湿法刻蚀：利用合适的化学试剂先将未被光刻胶覆盖的晶体部分氧化分解，然后通过化学反应使一种或多种氧化物或络合物溶解来达到去除目的，包括化学腐蚀和电化学腐蚀。干法刻蚀：利用辉光的方法产生带电离子以及具有高度化学活性的中性原子与自由基，用这些粒子和晶片进行反应达到光刻图形转移到晶片上的技术。包括离子溅射刻蚀，等离子反应刻蚀等。异同点：两者都是选择性的清除薄膜层上无遮蔽部分的工艺过程，通过刻蚀形成体硅微结构。但湿法刻蚀采用化学腐蚀的工艺方法，而干法刻蚀采用的是物理腐蚀的工艺方法。此外，湿法刻蚀成本比较低，不需要太昂贵的装置和设备，应用比较广泛；干法刻蚀需要专用的装置和设备，如真空环境，成本较高，但刻蚀速度快、分辨率高且易于自动化操作。MEMS中应用：应用于体硅微制造，通过刻蚀有选择性地去除基底材料以形成所需的微结构。(通过光刻工艺在光刻胶上产生图形以后，光刻胶下面的薄膜通常采用刻蚀的方法得到图形。在微电子技术中，刻蚀包括湿法和干法。)湿法刻蚀通常是指化学刻蚀，它是利用材料和刻蚀液的化学反应进行加工的，适用于几乎所有的金属、玻璃、塑料等材料的大批量加工，也适用于硅、锗等半导体材料，以及在玻璃上形成的金属膜、氧化膜等的微细加工，是应用范围很广的重要技术。干法刻蚀是利用活性气体与材料反应而生成挥发性化合物来进行的加工，包括离子刻蚀、等离子刻蚀、反应等离子刻蚀等，它是今后微电子技术中一种非常有用的刻蚀方法。湿化学法或溶液刻蚀法会产生一些问题，如光刻胶置于加热的酸液中，常常失去它对下面薄膜的附着力；在向下刻蚀的同时，也向着横方向刻蚀，即所谓“钻蚀”作用，使加工的线条变宽，这对于刻蚀亚微米图形就失去了意义。2其次，由于存在表面张力的作用，溶剂刻蚀越来越难以适应高分辨率图形的加工，而干法刻蚀正好弥补了这些不足。3.光刻的整个过程。光刻是一种图形转移技术，利用辐照的方法将掩膜板上的图形转移到光敏材料上，其过程主要有：掩膜板制作、基底表面预处理、涂胶、曝光（将掩膜板上的图形转移到光敏材料上）、显影和坚膜、去胶烘干。4.MEMS中介绍的薄膜技术有哪些？介绍特点及用途。薄膜技术是一种表面微加工技术，通过沉积形成多层薄膜图形，在基片上沉积的薄膜，有被选择地保留或去除形成所需的图形。薄膜为微器件提供敏感元件、电接触、结构层、掩膜层和牺牲层。化学气相沉积（CVD）：利用含有薄膜材料的气态物质在热固体表面进行化学反应，生成固态薄膜的方法。主要包括：常压化学气相沉积（APCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）。物理气相沉积（PVD）：在真空条件下，利用物理方法将镀料气化成原子、分子或离子化为离子，沉积到基底表面。主要包括：真空蒸镀、溅射蒸镀、离子蒸镀等。电化学沉积和化学沉积：利用电镀或电沉积。被镀件作为阴极，溶液一般含有所要沉积金属离子的水基电解液。主要应用：进行内部连线、欧姆接触、金属半导体接触，有时也可作为器件表面的钝化膜起到保护作用的掩没、电绝缘和导电膜等。采用金刚石、陶瓷、超导材料以及各种半导体材料生成的薄膜具有独特的物理、化学和光、机、电等性能。薄膜的厚度可以小至微米或纳米级，若将不同的基片材料与相应的膜系结合起来可构成微传感等功能复杂的微机械器件。目前，多种薄膜材料已经被用于微机械传感器，包括高质量的绝缘体（二氧化硅、氯化硅等），导体（铝）、半导体（硅）等。通常，CVD膜具有低能耗、应力好等优点，因而应用较为普遍。其它一些金属、压电材料和热电材料等也用于微传感器。5.体硅加工和面硅加工的主要加工方法、加工过程及其在MEMS中的应用。体硅加工工艺是指对硅衬底片进行加工，获得由衬底材料构成的有用部件的技术。体硅加工方法：湿法刻蚀、干法刻蚀、干湿混合刻蚀。湿法刻蚀：将被腐蚀材料先氧化，然后由化学反应使其生成一种或多种氧化物再溶解。干法刻蚀：物理作用为主的离子溅射和化学反应为主的反应离子腐蚀兼有的反应溅射。过程：（1）腐蚀性气体粒子的产生；（2）粒子向衬底的传输；（3）衬底表面的腐蚀；（4）腐蚀反应物的排除。干湿混合刻蚀：制造波导等新的微结构装置。体硅加工工艺：定义键合区——扩散掺杂——形成金属电极——硅/玻璃阳极键合——硅片减薄——ICP刻蚀面硅加工方法：薄膜制备的外延生长热氧化、化学沉积、物理沉积、光刻、溅射、电镀等。该技术能够用二氧化硅、多晶硅、氮化硅、磷硅玻璃等加工三维较小尺寸的微器件。面硅加工工艺：下层电极——牺牲层——刻蚀支撑点——沉积多晶硅——刻蚀多晶硅——释放结构表面硅加工技术的关键是硅片表面结构层和牺牲层的制备和腐蚀，以硅薄膜作为机械结构。这种工艺可以利用与集成电路工艺兼容或相似的平面加工手段，但它的纵向加工尺寸往往受到限制（2-5um）。体硅未加工工艺是用湿法或干法腐蚀对硅片进行纵向加工的三维加工技术，但他与集成电路平面工艺兼容性不太好。36.键合的概念，有几种形式，有何用途键合是将两片或多片加工好的、具有不同的结构、材料的芯片连接成一个完整微系统的技术手段，是微系统封装技术的重要组成部分。键合技术按界面材料的性质，可分为两大类：硅/硅基片的直接键合（用于微临界压力传感器和微压力传感器等方面）和硅/硅基片的间接键合（用胶水，低温玻璃等），后者又可扩展到硅/非硅材料或非硅材料之间的键合。最常用的阳极键合技术广泛应用于硅--硅基片之间的键合、非硅材料与硅材料，以及玻璃、金属、半导体、陶瓷之间的互相键合7.单晶硅、氮化硅、二氧化硅与多晶硅的区别和用途。硅有晶态和无定形两种同素异性体。晶态硅又分为单晶硅和多晶硅。单晶硅：硅的单晶体，具有基本完整的点阵结构的晶体，整个晶体内都是周期性的规则排列，是一种良好的半导材料，用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成，是制造半导体硅器件的原料，MEMS衬底材料采用单晶硅。氮化硅：是一种不活泼的致密材料，腐蚀较为困难。用于绝缘层。二氧化硅：其腐蚀速度对温度最敏感，温度越高，腐蚀速率越快，腐蚀时必须严格控制温度。用于牺牲层和多晶硅厚膜图形的刻蚀掩膜。多晶硅：采用浇注法生产，就是直接把硅料融化定型。晶体内各个局部区域里原子是周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同。工艺上可与单晶硅工艺相容又能进行精密加工，而且还可以根据器件的需要充当绝缘体、导体和半导体。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。多晶硅在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。8.微机电系统常用的敏感和执行原理参见教材相关章节9.半导体封装过程来料检查—清洗—贴膜—磨片—卸磨—贴片—划片—装片—键合—键合检查——塑封——焙烘——电镀——打标——切筋打弯——切筋检查——品质检验4样题一、选择题1.处于IC工艺核心位置的工序是______。刻蚀光刻薄膜2.选择比是指_____。不同材料间的腐蚀速度区别不同方向间的腐蚀速度区别3.二氧化硅膜是______的。导电绝缘半导体导电性可以调节4.CVD中采用低压的主要目的是______。提高生产率提高单片淀积速率降低腔壁污染5.直接表征传感器对微弱信号响应能力的指标是_____。灵敏度分辨力选择性6.压电效应是指______。输入电压导致变形外加应力形成电压外加应力导致体电阻率变化7.湿法刻蚀V型槽一般采用的硅衬底是_____。（100）型（111）型（110）型正确答案：Question1.光刻Question2.不同材料间的腐蚀速度区别Question3.导电性可以调节Question4.提高生产率Question5.分辨力Question6.外加应力形成电压Question7.（100）型5二、填空题1.利用杂质在硅里的扩散速度不同，以及各个方向上的腐蚀速度也不相同而开发的制造技术是利用了硅的各向异性。2.MEMS的制造技术主要包括两类：体微加工、（表面微加工。3.MEMS的封装在广义上说有3个方面：装配封装测试。4.硅—硅基片直接键合技术必须符合两个要求：抛光的两个基片表面必须紧密接触；两者界面处的硅原子能形成稳定的键。5.干法刻蚀的基本工艺过程是：腐蚀性气体粒子的产生粒子向衬垫传输衬垫表面腐蚀腐蚀反应物排除等。三、简答题1、微电子工艺有哪几个主要组成工序。各工序具体任务、工艺流程关系如何？答：主要工序与基本流程关系为：硅片制备——薄膜制备——光刻——刻蚀/掺杂——测试、封装。2、其内容：（1）硅片制备：硅片提供单晶基础、刚度支撑；（2）薄膜制备：IC工艺是多次、反复、各种薄膜上形成微电路的分区与连线；（3）光刻：定义在刻蚀或掺杂时需要暴露加工或保护的区域；（4）刻蚀：分干法、湿法；目的是去除材料；（5）掺杂：在基底材料上掺入杂质以改变电性能；（6）测试：检测IC单片电路是否正常；（7）封装：主要为了形成机械保护，同时形成与外界相通的电路通道。2、MEMS制造工艺中表面微加工的机理和特点是什么？答：表面微加工以硅片为基体，通过多层膜淀积和图形加工制备三维微结构。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，结构与基体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用是支撑结构层，并表成所需要形状的空腔尺寸，在微器件制备的最后工艺中溶解牺牲层。表面微加工特点：1.表面微加工是在基体上连续淀积结构层、牺牲层和图形加工来制备微构件的。与体微加工和键合相比较，在表面微加工中，硅片本身不被刻蚀。没有孔穿过硅片，硅片背面也无凹坑。2.表面微加工适用于微小结构件的加工，结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反应离子刻蚀（RIE）工艺。3.表面微加工形成的层状结构特点为微器件设计提供了较大的灵活性。体微加工中，在中心轴上加工转子是不可能的，而采用键合又会使工艺变得非常复杂。4.表面微加工技术的另一个主要特点是可实现微小可动部件的加工。表面微加工是一种平面加工工艺，因此对微机械设计有局限性。3、叙述氧化工艺的特点及二氧化硅的结构和性质答：氧化工艺是集成电路制造中的基本工艺。为满足集成电路制造的要求，出现了制备二氧化硅膜的多种方法。如高温热氧化，化学气相淀积、阴极溅射，真空蒸发，外延淀积，