微机电系统-总深刻复习

第一章微机电系统（MEMS）概论

掌握MEMS的基本概念、尺度范围；

w1-1 试给出微机电系统的定义。

微机电系统，是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域。一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机械元件和微电子于一体的微型器件、微型系统。

从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的集成微器件、微系统。

典型MEMS器件的长度尺寸约在1um~1mm。

了解MEMS技术的发展过程

掌握MEMS与微电子技术的对比特征；

1.微型化Miniaturization 。微米量级空间里实现机电功能，典型MEMS器件的长度尺寸约在1um~1mm。

2.集成化Microeletronics Integration ，从而提高功能密度。

3.规模化Mass Fabrication with Precision。采用微加工，形成类似IC的高精度批量制造、低成本、低消耗特征

MEMS的加工与一般传统加工方法的对比特征。

w1-4 微型机件的加工与一般传统加工方法的区别在哪里？

1.两者设计与制作方法不同。

2.控制方法和工作方式不同。

3.与环境的关系不同。

4.不能忽略尺度效应。

理解MEMS微尺度效应的概念。w1-5 尺度效应的概念。

传统机械材料是经过熔炼、压延、切削加工成形，微机械结构的加工使其物理性能与整体材料不同，其性能随构件结构和制造工艺参数变化很大。尺寸微小化对材料的力学性能和系统的物理特性产生很大影响

第二章MEMS材料

掌握微机电系统主要材料——硅的晶体结构；二氧化硅、氮化硅、碳化硅基本物理性能、用途和制备方法

晶体结构:硅属于立方晶体结构

SiO2：

1 作为选择性掺杂的掩模：SiO2膜能阻挡杂质(例如硼、磷、砷等)向半导体中扩散的能力。

2 作为隔离层：器件与器件之间的隔离可以有PN结隔离和SiO2介质隔离。SiO2介质隔离比PN结隔离的效果好，它采用一个厚的场氧化层来完成。

3 作为缓冲层：当Si3N4直接沉积在Si衬底上时，界面存在极大的应力与极高的界面态密度，因此多采用Si3N4/SiO2/Si结构可以除去Si3N4和衬底Si之间的应力。

4 作为绝缘层：在芯片集成度越来越高的情况下就需要多层金属布线。它之间需要用绝缘性能良好的介电材料加以隔离，SiO2就能充当这种隔离材料。

5 作为保护器件和电路的钝化层：在集成电路芯片制作完成后，为了防止机械性的损伤，或接触含有水汽的环境太久而造成器件失效，通常在IC制造工艺结束后在表面沉积一层钝化层，掺磷的SiO2薄膜常用作这一用途。

6.填充空腔的牺牲层。

氮化硅：

耐腐蚀，能为器件提供优良的钝化层。

高机械强度，适合做很薄的器件，如膜片、梁（厚度约1um）等。

掌握微机电系统最常用的功能材料、应用特点，了解其制备方法（沉积、外延、掺杂、..）。

求下列4种标准晶片能容纳尺寸为2mm*4mm芯片的最大数量。芯片在硅片上平行排列，间距0.25um。标准晶片尺寸和厚度:

(1)Φ100mm（4in）*500um，

(2)Φ150mm（6in）*750um，

(3)Φ200mm（8in）*1mm，

(4)Φ300mm（12i n）*750um。

第三章MEMS的制造技术

1.理解IC工艺的基本概貌、流程；理解薄膜相关的三大类工艺：氧化、沉积、外延，区别不同工艺特点；理解掺杂原理及应用；掌握光刻工艺原理与技术特点（正胶和负胶特点）。

氧化：

将硅片在氧化环境中加热到900~1000℃，在硅表面生长出一层二氧化硅的成膜技术。

根据氧化剂分类：

水蒸气氧化——氧化剂是水蒸气

干氧氧化——氧化剂是氧气

湿氧氧化——氧化剂是水蒸气和氧气的混合物。（氧化膜质量好、速度快）氧化速率受氧气压力和晶体取向影响。

化学气相沉积

使一种或数种物质的气体以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。

可制备金属膜、介质膜、多晶硅膜等。

已发展多种实用的CVD技术。按淀积温度可分为低温（200-500℃），中温（500-1000℃），高温（1000-1200℃）三种；按反应压力分为常压与低压；按反应壁温度可分为热壁与冷

壁两类，按反应激活方式可分为热激活、等离子体激活，光激活等。目前最常用的是常压冷壁、低压热壁、等离子激活等三种淀积方法。

物理气相淀积

是通过能量或动量使被淀积的原子（也可能是分子团）逸出，经过一段空间飞行后落到衬底上而淀积成薄膜的方法。

外延：

在单晶体基底上生长一层单晶体材料薄膜。典型厚度1~20um。

特点：外延层能形成与沉底相同的晶向，因而可在外延层上进行各种横向或纵向的掺杂分布和蚀刻加工，可利用外延形成的单晶及p-n结，实现自停止蚀刻。

外延沉积技术：气相外延（VPE）、分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）。

掺杂：

掺杂是人为的方法.将所需杂质按要求的浓度与分布掺入到材料中,以达到改变材料的电学性质,形成半导体器件的目的。利用掺杂技术可以制备p—n结，电阻器、欧姆接触和互连线等。

掺杂技术在集成电路制造中主要采用扩散法与离子注入法。应根据实际需要，选择合适的掺杂方法。

光刻工艺

是一种图象复印同刻蚀(化学的、物理的、或两者兼而有之)相结合的综合性技术。它先用照相复印的方法，将光刻掩模的图形精确地复印到涂在待刻蚀材料（二氧化硅、铝、多晶硅等薄层）表面的光致抗蚀剂（亦称光刻胶）上面，然后在抗蚀剂的保护下对待刻材料进行选择性刻蚀，从而在待刻蚀材料上得到所需要的图形。

光刻胶有两大类：一类叫负性光刻胶，其未感光部分能被适当的溶剂溶除，而感光的部分则留下，所得的图形与光刻掩模图形相反；另一类叫正性光刻胶，其感光部分能被适当的溶剂溶除而留下未感光的部分，所得的图形与光刻掩模图形相同。

采用负性光刻胶制作图形是一种人们熟知而且容易控制的工艺。其涂层对环境因素不那么灵敏，且具有很高的感光速度，极好的粘附性和搞蚀能力，成本低，适用于工业化大生产。

负性光刻胶的主要缺点是分辨率较低，不适于细线条光刻。

2.掌握体微加工的基本原理，掌握各向同性腐蚀和各向异性腐蚀技术及其这2种腐蚀技术的

常用湿法腐蚀剂；理解湿法加工与硅晶体结构之间的关系，特别是与硅片表面标识之间的关系（刻蚀角度、钻蚀）；掌握腐蚀自停止的几种原理。理解键合的用途，了解几种键合技术的基本原理。

3.掌握表面微加工的基本原理，理解结构层、牺牲层在此种加工的重要作用、常用材料及特

性。

——去除衬底的部分材料，形成独立的机械结构（如悬臂梁、膜）或者独特的三维结构（如空腔、穿透衬底的孔、台面等）。

硅、玻璃、砷化镓等材料都可采用体微加工技术。

牺牲层材料为结构层提供支撑即起空间定位作用，具备机械上的坚固性和化学上的可靠性。后期被有选择去除，以释放出上面的结构层。可获得有空腔或可活动的微结构。

表面微加工器件的典型组成：牺牲层（空隙层）、微结构层、绝缘层。

1. 表面微加工材料

对材料的性能要求：

1）结构层必须满足应用所需的电学性能和机械性能、表面特性等。

2）牺牲层材料必须有足够的力学性能，以保证不引起制作过程的结构破坏。同时既满足工艺条件又对后续工序无不利影响。

3）化学腐蚀剂需有好的刻蚀选择性、合适的流动性和表面张力，保证牺牲层全部被刻蚀掉。4）微构建通常要求有较厚的结构层和牺牲层（大于5um，）因而要注意材料选择和工艺兼容（淀积、刻蚀、均匀性）

应用于表面微构件的薄膜存在着较大的残余应力，该残余应力场对薄膜淀积条件和后工艺过程十分敏感。这些残余应力影响着构件负载特性、输出、频率其他重要运行参数，所以在形成一个表面微加工工艺以前充分理解和掌握这些机械特性。

薄膜机械性能如杨氏模量、泊松比和屈服强度等对微构件特性也起着同样重要的作用，这些性能对材料性质也十分敏感，必须给予充分的注意。

氧化硅作为牺牲层材料，氮化硅作为基体绝缘材料，氢氟酸作为化学腐蚀剂。

4.掌握LIGA技术的基本原理、特点及其适用性，理解其工艺流程与设备特点。

光刻电铸模造（LIGA）工艺

LIGA技术是一种基于X射线光刻技术的三维微结构制造工艺。LIGA是德语光刻、电镀和压模的简称。1986年由德国原子核研究中心W.Ehrfild等开发出来。

主要包括：X光深度同步辐射光刻、电铸制膜和注模复制（注塑）三个工艺步骤。

可制造高达500深宽比、形状精度亚微米级的三维厚微结构；可加工硅、各种金属、陶瓷、塑料及聚合物等材料。可进行高重复精度的大批量生产。

5.了解特种工艺的的原理特点

思考题：

w2-1要在硅晶片上沉积具有良好绝缘特性的高质量二氧化硅，应选择哪种薄膜沉积技术？详细描述该技术。

金属有机物化学气相沉积，是一种可对薄膜厚度高精度控制的一种沉积技术，其优点是膜的厚度均匀，纯度好，密度高，可控制组份比例，有良好的附着性和台阶覆盖性

w2-2 简述溅射沉积技术，说明其优缺点。

溅射沉积技术是利用在电场中加速后的、带电荷的离子具有一定动能的特点，将离子引向建设材料，在离子能量合适时，入射离子与靶表面原子碰撞，使靶原子溅射出来，沿一定

方向射向沉底，形成薄膜。

1.它可以沉积用真空蒸镀法较难得到的化合物，并使沉积的化合物薄膜质量得到改善。

2.在较低温度下得到高熔点材料沉积为薄膜，膜片均匀，纯净，附着力强。

3.溅射需要高压射频电场，要求比真空蒸镀法高。

w2-2 简述化学气相沉积技术，说明其优缺点。

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）。

w2-3 各向同性腐蚀和各向异性腐蚀有何区别？写出几例这2种腐蚀技术的湿法腐蚀剂。

?各向异性腐蚀——刻蚀速率与衬底的晶向有关。

?各向同性腐蚀——各方向刻蚀速率相同。

1）湿法各向异性

?硅表面的缺陷、腐蚀液的温度、腐蚀液所含的杂质、腐蚀时扰动方式以及硅腐蚀液界面的吸附过程等因素对刻蚀速度以及刻蚀结构的质量都有很大的影响。

?湿法各向异性常用腐蚀液

–碱性腐蚀液：氢氧化钾（KOH）、NaOH、CsOH、RbOH等

–氢氧化铵（NH4OH）。四甲基氢氧化铵（TMAH）[(CH3)4NOH]

–EDP(乙二胺-邻苯二酚)（有时也称EPW）

2）湿法各向同性腐蚀

?湿法各向同性常用腐蚀液:最常用由氢氟酸（HF）、硝酸（HNO3）和乙酸（CH3COOH）组成的混合物，称为HNA。调整这三种酸的混合比得到不同的硅腐蚀速率及对掩模材料的腐蚀选择性。

?原理：各向同性常用腐蚀液中硝酸（HNO3）作为氧化剂与硅氧化反应生成二氧化硅，氢氟酸（HF）将其溶解。

?由于腐蚀液中含有HF，因而二氧化硅在腐蚀液中的腐蚀速率较快，约300?/min。w2-5比较体硅加工和表面硅加工的不同。

w3-4 试述LIGA工艺及其优点和缺点。

课后作业：

3-1如左图所示穿透硅衬底的宽度10um的腐蚀开口。硅衬底<100>晶向，厚300um。采用硅各向异性腐蚀技术，忽略<111>面腐蚀速率。请确定衬底开口背面掩膜窗口宽度尺寸w。

3-2右图示掩膜，利用硅各向异性腐蚀技术在{100}衬底上腐蚀孔腔，求经过一小时后，衬底正面腐蚀窗口的尺寸，考虑横向钻蚀。设<111>晶向腐蚀速率0.05um/min，<100>晶向腐蚀速率1um/min。

3-3 常规表面为机械加工工艺为2层结构层材料和2层牺牲层材料，如图。已知衬底材料是硅，结构层1是金，结构层2是聚对二甲苯。从下列材料中确定一组可行的备选材料作为牺牲层1和2：LPCVD氮化硅、LPCVD氧化硅、光刻胶。说明所列每种材料选或不选原因及其参考资料来源（提示：有可能所有材料都无法满足条件）。

结构层2 1um 聚对二甲苯

牺牲层2 1um

结构层1 1um 金

牺牲层1 1um

衬底硅

第四章传感器和执行器工作原理

理解传感器和执行器的几种基本传感驱动原理（电、磁、光、热等）。

电容器通常定义为可以储存相反电荷的两个导体，既可作传感器也可作执行器。

当电容器的间距和相对位置因外加激励而改变时，其电容值也随之改变，这就是静电敏感；当电压或电场施加于两个导体时，导体之间产生静电力，定义为静电执行。

热敏感与执行原理

温度敏感可用于分析热行为，还可利用热传递过程完成物体之间的距离、媒介的的运动速度、材料的特性等物理参数的测量。

掌握形状记忆合金、电致伸缩、磁致伸缩等几种典型智能材料的概念、现象与基本工作原理。

形状记忆合金（SMA）利用应力和温度诱发相变的机理，将以在高温下定型的合金，放置在低温或常温下产生塑性变形，当环境温度升高到临界温度（相变温度）时，合金变形消失，恢复到定型时的原始状态。在恢复过程中，合金能产生与温度呈函数关系的位移或力，或二者兼备。

特点：结构简单；直流、交流、或脉冲电流均可用于驱动；适于集成。加热速度可快，冷却速度依赖传导及辐射，不易控制。

第五章微传感器

掌握传感器定义、组成（两个部分）、按照探测物理量的分类、特征性能。

传感器sensor的定义:

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的组成

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;

转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

按被测物理量的性质分类

如被测物理量为温度、压力、流量、位移、速度等，则相应的传感器分别称为温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器等。

优点:

比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。

掌握压力传感器的电容、压阻、谐振传感原理；加速度传感器的电容、压阻、谐振传感原理，传感器结构及其工艺；

传感器——两个部分：感受被测量（敏感元件）/转换成可用输出信号（转换元件）

调节器——（电）信号AD转换/放大/调制/滤波/解调

输出转换器——转换成显示、记录或执行的能量形式

压力传感器主要结构特征——膜片、双固梁；

按工作原理分类：

1. 压阻式压力传感器

2. 电容（静电）式压力传感器

3..谐振式

了解电、磁、光传感器、流动参数传感器、半导体气敏传感器的基本传感原理。

思考题：

w4-2 试述传感器的定义和分类。

传感器sensor的定义:

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;

转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

按被测物理量的性质分类

如被测物理量为温度、压力、流量、位移、速度等，则相应的传感器分别称为温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器等。

优点:

比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。

w5-3 参考有关文献，说明一种微型传感器的工作原理。

第六章微执行器

掌握基于静电效应的变电容马达的工作原理、结构、制作工艺方法；了解电磁式等各种微马达的原理、结构；理解微泵、微阀等微流量控制系统的不同结构种类与不同致动方法。

思考题：

w5-4 参考有关文献，说明一种微型执行器的工作原理及制作工艺。

基于平行运动的梳状电极，通过时序控制施加在定子电极各齿面上的电压，使转子受到转动力矩，产生旋转运动。

第七章微机构和微系统

掌握微型铰链、轴承的微结构和加工工艺。了解其它微机构、微系统的微结构。

思考题：

w5-4 参考有关文献，说明一种微型机构的微结构及制作工艺。

第八章MEMS封装

掌握MEMS封装技术的级别，

1）芯片级——组装保护微细元件；

2）器件级——包含相应的信号调节和处理；

3）系统级——将多种器件（传感器、执行器和电子器件）封装在一个模块，构成系统。理解主要封装工艺，

了解封装材料，

主要有金属、陶瓷、塑料。

了解封装新技术。

1.倒装焊

2.球栅阵列

3.多芯片封装

4.三维（3D）封装技术