MEMS器件及相关加工技术

研究生系列课程半导体微纳加工技术MEMS器件及相关加工技术主讲人：宁瑾赵永梅电话：82304492Email：[e-mail]研究生系列课程-半导体微纳加工技术主要内容•MEMS概述•MEMS相关工艺介绍•MEMS器件工艺设计•总结研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术-----Micro-electro-mechanical-system微电子机械系统------把信息传感、处理，机械执行机构以及其他一些微器件，按照集成电路的制造原则，以高密度，低成本的方式集成在一个微系统中。研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术什么是MEMS?研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术MEMS的主要特点•MEMS器件的优点是体积小、重量轻、性能稳定，通过IC等工艺可批量生产，成本低，性能一致性好，功耗低，谐振频率高，响应时间短，综合集成度高，附加值高，具有多种能量转化、传输等功能，包括力、热、声、磁及化学、生物能等。•微机电学作为一门新兴的交叉学科，涉及到许多科学技术领域，包括机械学、电工学、电子学、化学、计算机科学、材料学、通讯、控制等方面。研究人员需要对这些学科领域有广泛的、深入的了解，微机电系统才有可能逐步走向应用。•MEMS工艺的可重复性•MEMS产品性能的稳定性和可靠性•MEMS产品的成品率•MEMS产品的封装和测试•MEMS器件与电路集成形成微系统MEMS发展面临的机遇和挑战研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术•惯性MEMS器件•RFMEMS器件•NEMS器件和新型材料MEMS器件MEMS器件的发展研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术从科幻到现实•科幻《奇异的旅行》•内窥镜手术•安全气囊•微管道机器人•……研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术WirelessSensorNetworksMasterModuleMultisensorModuleImplantedBio-medicalmodule10-100mInternetWhatIsMEMS?–ApplicationAreasBiosensorsBiomedicalimagingLab-on-chipMicro-pumps,…ChemicalsensorsMicrofluidicsMassspectroscopy…InertialsensorsGassensorsPressure,liquidlevel,…MicromirrorsAll-opticalswitchesMicrophonesMicrospeakers…MicromirrorsInertialsensorsBiomedicalimaging惯性MEMS器件在汽车业中的应用（包括微陀螺、加速度计、压力传感器）研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术SensorsActuatorsBio-MEMSOpticalMEMSMicro-FluidicsNano-Tools研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术MEMS分类WhatIsMEMS?–RenownedExamplesMicromirrorarraysforcompactprojectorsAccelerometersforautomotiveairbagsMicromirrorsforopticalswitchingManyothersmicrostructuresTexasInstruments’DigitalMicromirrorDeviceAnalogDevices’AccelerometerLucentTechnology’s2Dmicromirrorforopticalswitch研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术微型传感器研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术加速度传感器AccelerometerSensefingersAnchorProofmassSpringsSelf-testactuatorsCurlmatchingframeproofmassyxzTri-axismicrostageThin-filmz-axisaccelerometerDRIEz-axisaccelerometer研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术微陀螺仪J.Micromech.Microeng.18(2008)115014N-CTsaiandC-YSue研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术微型执行器研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术微型电磁马达研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术ElectrostaticMotors研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术Hydraulicactuators研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术vaporizermicrofabricatednozzleplatewith12005mnozzles,usingdeepreactiveionetching研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术Nozzle•SiO2thermaloxidenozzle2m10m•Nozzleaperture:3.8m用于生物、医疗领域微镊子研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术微型光学元件研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术微型光学元件研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术MEMSVariableAttenuator研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术VariableOpticalAttenuator研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术Latching2x2FiberOpticsSwitch(ContractOCLI/JDSUniphase)(1)anddiamondtips(2),supportbeamsandreferenceresistoroftheMarsAFMElectrostaticMicromirror1mmx1mmmirrorRadiusofcurvature:50mmCurledcombsdesignedtoobtainbi-directionalrotationCombpairsplacedtoachievedifferentialtorqueandcancelzdisplacementZ-actuatorsincludedtoadjustz-motion1B1A’2B1B’1A2B’2A’2AanchoranchorZ-actuator+-VF+-VFVCOsVCORFFiltersIFFiltersAnalogSectionDigitalSectionPACriticaltominiaturizediscreteanalogcomponents研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术RFMEMSResonatorsClarkNguyenU.ofMichiganEquivalentElectricalModelLr=40.8mWr=8mh=2mLc=20.35mWc=0.75mXo=0.1m研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术RFMEMSResonatorsClarkNguyenU.ofMichigan研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术RFMEMSSwitchesCharlesGoldsmithRaytheonTISystems研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术MEMSTunableCapacitors研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术RFMEMS应用领域SensorChip研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术微型挖土机研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术微型苍蝇研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术微型飞机研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术微型飞机研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术•WhatisMEMS?•Why?•How?小结研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术休息10分钟MEMSbasictechnologyBulkmicromachiningSurfacemicromachiningWetetchSubstrateSacrificiallayerstructurallayer研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术SurfaceMicromachiningBulkMicromachiningTrenchBridgeCantileversWaferSurfaceCavityNozzleMembraneMEMS基本工艺MEMS工艺选择•体硅加工工艺-直接，制备流程固定-工艺成本低，单材料损耗高-适于简单图形，如压力传感器、加速度计和一些执行器-容积率小，表面尺寸大于底部尺寸•表面MEMS加工工艺-要在衬底上沉积多层结构-工艺复杂，成本高-牺牲层工艺，存在应力不匹配和粘连问题-优点：不受Si片厚度限制，薄膜材料选择范围大，适于图形复杂的器件，如梳齿结构等。研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术MEMS工艺概述研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术MEMS工艺与IC工艺对比•IC工艺：MOS（N、P、C、硅栅、铝栅）、双极、BiMOS。平面薄膜工艺、种类少（晶体管）、电学处理功能（处理、存储、互连等）•MEMS工艺：–种类多SensorandActuator(力、热、光、磁、马达、泵、阀等）–工艺繁多，各有特点–强调纵向加工–有活动部件研究生系列课程-半导体微纳加工技术研究生系列课程-半导体微纳加工技术MEMS工艺的特殊考虑•双面光刻•键合及对准键合：Si/Si、Si/玻璃•DRIE体硅腐蚀工艺•Au等金属工艺：连线、键合•对衬底的新要求：粗糙度等•厚膜淀积与刻蚀（IC：500nm,MEMS:2微米）