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1、第一章微机电系统（MEMS）概论掌握MEMS的基本概念、尺度范围；wl-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 lumlmm。T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
2、机电功能，典型MEMS器件的长度尺寸约在lumlmmo2. 集成化 Microeletronics Integration ,从而提高功能密度。3. 规模化Mass Fabrication with Preci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。wl-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。 wl-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
3、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一一硅的晶体结构；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：SiCh膜能阻挡杂质（例如硼、磷、碑等）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Si02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
4、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， Si02 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Si02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lum)等。掌握微机电系统最常用的功能材料、应用特
5、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0.25umo 标准晶片尺寸和厚度：(1) 0 100mm (4in) *500um,(2) 0 150mm (6in) *750um,(3) 200mm (8in) *lmm,(4) 0 300mm (12in)*750um。才（Rcb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)。3.1 ICP24微机电系统常用的集成riiFn
6、电路工艺-IC技术即在微米尺度上 大规模制作电子元件、 器件与电路的技术。|通膜制备I:一制造工艺1 一薄膜淀积：氧化、化学 气相沉积、物理气相沉 积、外延、旋涂法 2掺杂技术：扩散、离子 注入3.掩膜制造光刻|一|掺杂 r |刻蚀|. I测试|光刻技术切片封装氧化：将硅片在氧化环境中加热到900-1000C,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：水蒸气氧化一一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
7、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（200-500C）冲温（500-1000C）,高温 （1000-1200C）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l20umo特点：外延层能形成与沉底相同的晶向，因而可
8、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
9、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
10、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、碑化铉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，
11、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
12、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
13、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。图 9 I4 LIGA1 艺中的主要制作步骤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
14、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（PECV
15、D） ow2-3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-氢氧化铉（NH40H） o四甲基氢氧化俊（TMAH） （CH3） 4N0H-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（HN03）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300A/minw2-5比较体硅加工和表面硅加工的不同。表4.7体与表面微加工技术的比较特体微加1:表
