微电子机械系统

第期年月电子学报!!∀氏沁微电子机械系统’触王跃林苏以撒王文浙江大学,杭州”香港科技大学提要本文对国外微电子机械系统的研究现况作了评述介绍了的主要技术和它的应用情况,对国外的一些主要研究机构的情况进行了分析,最后就我国的发展提出了一些建议关往词徽电子机械系统,微机械,传感器,执行器比廿。!!·,,,一、引言硅已在集成电路领域显示出其巨大的魅力,并使人类跨入了信息社会,成了技术进步的动力,这主要得益于硅工艺的完美和杰出的电特性正因为如此,世界上的主要工业化国家都对徽电子技术进行了大量的投资,以求在该领域占有一席之地,这种竞争进一步促进了徽电子技术的发展但是,微电子技术作为一种资源,并没有得到充分地利用,可以说目前仅利用了它的百分之几,是极大的浪费因此如何充分利用这一资源是极其重要的研究课题,半导体徽机械加工技术就是拓宽徽电子技术应用领域一个成功的例子这一技术充分利用了极为丰富的徽电子技术资源,用它替代传统的机械加工方法来实现各种机械结构,使得将传感器、执行器和处理器集成在同一芯片上制作出微电子机械系统成为可能,这在传统机械加工领域是不可想象的因此自年用徽电子技术制作出世界上第一个微马达以来,关于的研究越来越引起人们的兴趣〔一〕衰几种材料的机械特性屈屈屈服强强努氏硬硬杨氏模模密度度热导系系热膨胀系系,一一厌厌厌叫苏次不石玉玉互竺弧二二言言叭下只一一“““‘二七七七七金金刚石石碳碳化硅硅氮氮化硅硅铁铁铁。。硅硅硅‘‘钨钨钨不不锈钢钢。!∀#钥钥钥2.111275553.433310.333l。3888555铝铝铝0。1777130000.7772。7772.36662555事实上,硅不仅有良好的电特性,而且它还是一种极好的机械材料,表1给出了有关材料的机械特,1995年5月收到,1995年7月修改定稿.国家重点自然科学基金资助项目料WangYaolin(ZhejiangUniversity,Hangzhou310008)~ZoharYitshak,wongMan(TheHongkongUniversityof段ieneeandTechnology电子学报1995年性[6:,从表中可以看出.硅有很好的弹性及机械强度,非常适合制作机械部件.目前利用微机械技术不仅制作出了各种传感器,而且还制作出了执行器、微机械光学元件及各种微机械构件,显示出硅作为机械材料应用具有极为广泛的前景.200。年市场分配情况大教据鳍存储气开关其它,扁舀砂先;惯性传感器l,少卜流休调整和控制一ƒ旧裸华冬„属和牙扮二],,319,41,,51,,6},,81,992000的各向异性腐蚀液.使用各向异性腐蚀液时,由于其(100)面和(111)面的腐蚀速率相差很大,其横向尺寸非常好控制,但腐蚀深度的控制是个大问题,靠通过腐蚀时间来控制深度误差很大,因此自停止腐蚀技术应运而生.该技术能使腐蚀自动终止在特定层,故可精确控制膜厚.自停止腐蚀主要有p十+自停止和p一n结自停止,p十~自停止是腐蚀自动终止在p十?层上,p一十层的厚度即是膜厚;p一n结自停止是在N区上加正电位,腐蚀自动终止在N区.N区的厚度即是膜厚.为了防止由于p一n结漏电使腐蚀提前终止在p区,又发展了三电极和四电极自停止腐蚀技术.几种自停止腐蚀方法的比较见表2.表2几种自停止腐蚀方法比较图1世界MEMS市场发展趋势图1是2000年前世界MEMS市场的走向,从图可以看出,在今后几年市场增长非常迅速,到200。年可达140亿美元,市场前景非常可观.二、MEMs的主要技术MEMS的制作除了需用常规微电子工艺外,还需用其它特殊技术.以便形成微机械结构.MEMS的设计则必须考虑尺寸效应,因为当线度小到一定程度时,传统机械的设计理论存在局限性.1.体徽机械技术体微机械技术是最早在生产中得到应用的技术,大多数硅压力传感器的生产均使用了该技术.该技术是采用化学腐蚀的方法来对硅片进行微机械加工,常用的有各向同性和各向异性两种.各向同性腐蚀液主要有HNA,各向异性腐蚀液主要有EDP、KOH、NZH;和TMAH.用HNA腐蚀液,横向尺寸不好控制,用得较少,主要作为一种辅助手段加以使用.EDP的优点是掩膜方便,但腐蚀温度高,腐蚀时易在硅片上产生生成物沉淀而使腐蚀终止且毒性大.KOH腐蚀温度低、选择比高达400:1,毒性小,存在的问题是对510:腐蚀过快,深腐蚀需用Si3N4保护.HZN。存在的问题是毒性大,腐蚀液挥发性强,对腐蚀容器的密封性要求高.TMAH是近几年出现的一种各向异性腐蚀液,它的优点是不含碱金属离子,对510:和si3N;几乎不腐蚀,是一种非常有前途优优优点点缺点点ppppp简单、易行行p一上外延层质量差差ppppppp一层无法做器件,,仅仅仅仅可做电极极二二电极极得到的膜是N层.可做做腐蚀时样品需加电电各各各种器件...极,p一n漏电有可能能使使使使腐蚀提前终止...三三电极极同L,p一n结漏电对对样品需加电极极腐腐腐蚀的影响较小.....四四电极极同上,p一n结漏电对对同上上腐腐腐蚀的影响最小.....2.表面微机械技术表面微机械技术的基本概念是先在硅片上淀积一层牺牲层材料,然后再淀积一层结构材料,腐蚀掉牺牲层后,结构材料即自由悬空,这样可形成各种微机械结构.表面微机械技术可分为干法腐蚀牺牲层和湿法腐蚀牺牲层两种.采用干法腐蚀方法的牺牲层材料有聚酞亚钱和光刻胶,结构材料主要是金属,采用干法腐蚀对片上的其它器件影响较小,但横向腐蚀尺寸有限,比较难做大尺寸的微机械结构.采用湿法腐蚀方法的牺牲层材料有多晶硅、硅、PSG、AI和Cr等,结构材料有多晶硅、Si3N喀和510:等,湿法腐蚀对牺牲层有很高的选择性,横向腐蚀的尺寸基本没有限制,可在很大范围内获得不同尺寸的微机械结构.但在腐蚀牺牲层时如何保护其它器件不被腐蚀是个大问题.目前用得较多的是湿法腐蚀牺牲层.3.LIGA技术LIGA技术是最近出现的技术,利用LIGA技术第10期王跃林等:微电子机械系统制作的微机械结构,可获得很大的高宽比,对于宽度仅为数拌m的图形,其高度可达100即m.LIGA技术的基本过程是,采用同步辐射光源曝光,通常可使厚达1。即m的PMMA显影出很大高宽比的微图形,然后电镀,去掉PMMA后就可获得很大高宽比的机械构件.LIGA在制作很厚的微机械结构方面有其独特的优点,是常规的微电子工艺所无法替代的,它的出现丰富了MEMS的内容,使得原来难以实现的微机械结构能够制作出来,它将会在MEMS领域发挥重要的作用.目前使用LIGA已制作出热驱动微继电器、微马达、磁执行器、微光学元件以及许多微机械零件.4.锐合技术硅硅直接键合技术和硅玻璃静电键合技术在MEMS制造中可发挥重要作用.硅硅直接键合技术早期是为了获得高质量的501硅片而出现的,采用该技术可制作出体硅性能的501硅片.之后又利用该技术来制造大功率器件,也获得了较好的结果.它在MEMS中的应用是从压力传感器开始的,目前已制作出压力、加速度传感器和微机械谐振器等多种器件.它的最大特点是可实现硅一体化微机械结构,不存在界面失配问题,有利于提高器件的性能;由于它是采用两硅片来制作器件,因此在设计时具有很大的灵活性,便于实现复杂的微机械结构.它在工艺也非常简单,将硅片经过表面处理后贴合在一起,再进行高温处理即可实现键合.目前关于这一技术的研究正在朝降低键合温度的方向努力,已可在120℃下实现键合.可以肯定,它在MEMS中的地位越来越重要.硅玻璃静电键合的工艺过程为,在35oC一50。℃下,硅玻璃之间施加几百伏的直流电压,几分钟后硅和玻璃即可键合在一起.这一技术最早被用在压力传感器的制造上,主要是为了减少由传感器的封装引起的界面失配带来的不稳定,但硅硅键合技术出现后,它的作用受到一定的影响,因为从理论上讲硅硅键合的界面根本就不存在失配.硅玻璃静电键合技术为硅与其它材料的键合提供了手段,这样在MEMS的设计时有更大的活动余地,不仅可考虑用硅来制作,而且还可与玻璃结合来实现更复杂的结构,因此它在MEMS领域将会继续发挥一定的作用.5.设计技术MEMS的设计在许多方面与一般的器件及IC的设计类似,现有的许多设计工具均可用于MEMS的设计.但毕竟MEMS有机械结构,因此还必须进行机械及力学设计.对于MEMS的机械及力学设计来说,某些传统机械设计的理论存在局限性.微机械结构由于尺寸小,其表面特性起主要作用,因此必须考虑尺寸效应.例如,若单位体积的力为F,单位表面积的力为f,其线度为L,密度为p,则牛顿第二定律为:FL,+fLZ=(PL3)a即F+f(1/L)=尸a式中a为加速度,L很小时,表面力起主要作用,而对于传统机械来说,表面力起较次要的作用.此外MEMS大多数用的是薄膜材料,其力学性能与体材料存在一定的差异,这也是设计时需要考虑到的.而MEMS的动力学特性则更为复杂,设计时也应注意到它与传统机械的区别.目前已有一些MEMS专用设计软件,如MIT的MEMCAD和密执安大学的CAEMEMS.三、MEMS的应用目前MEMS最有实用价值的应用领域是传感器,MEMS的市场几乎被传感器所占领,这其中压力传感器所占市场份额最大.早在七十年代初已有利用微机械技术制作的压力传感器,并用在航空和航天领域.近年来汽车工业是压力传感器的最大市场,需要大量低价的传感器,要求工作温度范围为一4OC一125C,精度优于l%,寿命超过10年.通用汽车公司已建立了一条硅压力传感器全自动生产线,它是世界上第一家利用微机械技术来生产高性能廉价压力传感器的公司,同样的设计还被用来制作高度表和涡轮助推发动机使用的压力传感器.1993年产量超过1千万只,是世界上最大的硅压力传感器生产厂家.福特公司开发了硅电容式绝压传感器,克莱斯勒公司与摩托罗拉公司合作开发了横向压阻式硅压力传感器.1993年全世界这类压力传感器的年产量高达2500万只,带处理电路,封装完好能高可靠工作的压力传感器平均价格为10美元/只,可见其市场前景极为可观.医学领域是MEMS另一个较大的市场,其中以电子学报1995年医用血压传感器用途最广.在硅微机械压力传感器出现之前,血压是用易碎的压力传感器来测量的,成本高达600美元.汽车用压力传感器的发展也推动了医用压力传感器的实用化,在过去十几年医用压力传感器的年产量由4000。只增到1700万只,而价格也从60美元左右降到10美元以下.体内用压力传感器是另一类重要的医用传感器,其需求量近几年有大幅度增长.MEMS在传感器方面的应用是最富有成效的,现在利用微机械技术可以制作各种传感器,除了压力传感器外,其它如加速度传感器、流量传感器、应变传感器、气体传感器、化学传感器、生物传感器、微机械谐振传感器和真空传感器等等,绝大部分传感器的制作或多或少均要用到微机械技术,可见MEMS在传感器领域的作用是举足轻重的.MEMS另一个很有前途的应用是光学及光电子学领域.光可无接触地与芯片藕合,一旦光进入了芯片,为控制光路所进行的机械运动均在片内进行,与外界无关,因此不存在片内的机械运动与外界机械运动的匹配问题.MEMS应用存在的最大问题就是微机械运动力距很小,无法在外界得到应用,所以MEMS在光学及光电子学领域中的应用是大有可为的.TI公司利用表面微机械技术制作出了微投影仪,该投影仪由微反射镜面阵组成,反射镜的偏转角由电压来控制.利用微机械技术制作的微分光计,可在一个小的芯片上实现分光功能.该分光计由光栅,反射镜和探测器阵列组成,被测光通过光栅后不同波长的光传播方向不一样,因此这些光被反射镜反射后根据波长的不同将会到达不同的位置,在相应的位置上集成光探测器就可测出不同波长的光强.利用微机械技术已制作出微透镜、微光开关、微光阀、微斩光器、微机械M一Z干涉仪等许多光学元件.更令人感兴趣的是,将硅与化合物半导体键合技术和MEMS结合,在硅片上就可制作LD、光探测器、处理电路及有关光学元件,这样在一个芯片上就包含了一个光学系统,就类似一个光学平台被集成一起,形成了微机械光学系统.执行器是MEMS最活跃、最富有新意的应用领域.微执行器的驱动力主要有静电、压电、电磁和