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1、MEMS 的主要工艺类型与流程（LIGA 技术简介）目录O、引言一、什么是MEMS技术1、 MEMS 的定义2、 MEMS 研究的历史3、 MEMS 技术的研究现状二、MEMS技术的主要工艺与流程1、体加工工艺2、硅表面微机械加工技术3、结合技术4、逐次加工三、LIGA技术、准LIGA技术、SLIGA技术1、LIGA技术是微细加工的一种新方法，它的典型工艺流程如上图所示。2、与传统微细加工方法比，用LIGA技术进行超微细加工有如下特点：3、LIGA技术的应用与发展4、准LIGA技术5、多层光刻胶工艺在准LIGA工艺中的应用6、SLIGA 技术四、MEMS技术的最新应用介绍五、参考文献六、课程心
2、得O、引言微机电原理及制造工艺I是一门自学课程，我们在王跃宗老师的指导下，以李德胜老 师的书为主要参考，结合互联网和图书馆的资料，实践了自主学习一门课的过程。本文是对 一学期来所学内容的总结和报告。由于我在课程中主讲LIGA技术一节，所以在报告中该部 分内容将单列一章，以作详述。一、什么是MEMS技术1、MEMS 的概念MEMS即Micro-Electro-Mechanical System，它是以微电子、微机械及材料科学为基础， 研究、设计、制造、具有特定功能的微型装置，包括微结构器件、微传感器、微执行器和微 系统等。一般认为，微电子机械系统通常指的是特征尺度大于lp m小于lnm，结合了电
3、子 和机械部件并用IC集成工艺加工的装置。微机电系统是多种学科交叉融合具有战略意义的前 沿高技术，是未来的主导产业之一。MEMS 技术自八十年代末开始受到世界各国的广泛重视，主要技术途径有三种，一是以 美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；二是以德国为代表发展起来的 利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA( Lithograph galvanfomung und abformug)技术,， 三是以日本为代表发展的精密加工技术，如微细电火花EDM、超声波加工。MEMS 技术特点是：小尺寸、多样化、微电子等。(1) 微型化：MEMS体积小(芯片的特征尺寸为纳米/微米级)、质量
4、轻、功耗低、惯性小、 谐振频率高、响应时间短。例如，一个压力成像器的微系统，含有1024个微型压力传感器， 整个膜片尺寸仅为10mmX 10mm,每个压力芯片尺寸为50p mX50p m。(2) 多样化:MEMS包含有数字接口、自检、自调整和总线兼容等功能，具备在网络中应用 的基本条件，具有标准的输出，便于与系统集成在一起，而且能按照需求，灵活地设计制造 更多化的 MEMS。(3) 微电子化：采用 MEMS 工艺，可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感 器或执行器集成于一体，或形成微传感阵列、微执行器阵列甚至把多种功能的器件集成在一 起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器
5、件的集成可制造出可靠性、稳定性 很高的微电子机械系统。(4) MEMS 技术适合批量生产：用硅微加工工艺在同一硅片上同时可制造出成百上千微型机 电装置或完整的MEMS，批量生产可大大降低生产成本。（5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生 物等多学科，并集约当今科学发展的许多尖端成果。2、MEMS 研究的历史MEMS 技术被誉为 21世纪带有革命性的高新技术，它的诞生和发展是“需求牵引”和“技 术推动”的综合结果。随着人类社会全面向信息化迈进，信息系统的微型化、多功能化和智能化是人们不断追 求的目标，也是电子整机部门的迫切需求。信息系统的微型化不仅使系
6、统体积大大减小、功 能大大提高，同时也使性能、可靠性大幅度上升，功耗和价格却大幅度降低。目前，信息系 统的微型化不单是电子系统的微型化，如果相关的非电子系统小不下来，整个系统将难以达 到微型化的目标。电子系统可以采用微电子技术达到系统微型化的目标，而对于非电子系统来说，尽管人 们已做了很大努力，其微型化程度远远落后于电子系统，这已成为整个系统微型化发展的瓶 颈。MEMS 技术设计微电子、微机械、微光学、新型材料、信息与控制，以及物理、化学、 生物等多种学科，并集约了当今科学技术的许多高新技术成果。在一个衬底上将传感器、信号处理电路、执行器集成起来，构成微电子机械系统，是人 们很早以来的愿望。这
7、个技术在1987 年被正式提出，并在近10年来取得了迅速发展。推动 力可归纳为以下3 点：（1）以集成电路为中心的微电子学的飞跃进步提供了基础技术。在过去的40 年中，集成电 路的发展遵循摩尔定律，即按每3 年特征尺寸减小0.7 倍、集成度每3年翻一番的规律发展。 据分析，IC特征尺寸的指数减小规律还将继续1020年。目前，IC工艺已进入超深亚微米 阶段，并可望到2012年达到0.05“m,将研制生产巨大规模集成电路（GSI集成度大于109） 和单片系统集成（SOC）。IC的发展将为研制生产MEMS提供坚实的技术基础。（2）MEMS的发展始于20世纪60年代，是微电子和微机械的巧妙结合。MEM
8、S的基础技 术主要包括硅各向异性刻蚀技术、硅/硅键合技术、表面微机械技术、 LIGA 技术等，已成为 研制生产MEMS必不可少的核心技术。尤其是20世纪90年代开发的LIGA技术，成功地解 决了大深宽比光刻的难题，为研制开发三维微机械的加速度传感器、微型陀螺以及各类微执 行器、微型构件如微马达、微泵、微推进器、微振子、微电极、微流量计等奠定了工艺技术 基础。(3) 新材料、微机械理论、加工技术的进步，使得单片微电子机械系统正在变为现实。由于 MEMS技术的发展迅速，1987年决定把它从IEEE国际微机器人与过程操作年会分开，单独 召开年会。目前在美、日、欧三地每年轮回一次。3、MEMS 技术的
9、研究现状我国MEMS的研究始于二十世纪八十年代末。经过十多年的发展，我国在多种微型传感 器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备,初步形成了几个MEMS 研究力量比较集中的地区。其中，北京大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部开发出4种MEMS全套加工工艺和 多种先进的单项工艺，已制备出加速度计样品，并已开始为国内研究MEMS单位提供加工服 务。上海交通大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部可以提供非硅材料的微加工服务， 如LIGA技术制作高深宽比微结构的基本加工技术、紫外深度光刻(UV-LIGA)、高深宽比微电 铸和模铸加工、功能材料薄膜制备等。电子部十三所研究的融硅
10、工艺也取得了较大进展，制 备出微型加速度计和微型陀螺样品。1995年，国家科技部实施了攀登计划“微电子机械系统项目”(1995 1999)。 1999年， “集成微光机电系统研究”项目通过了国家重点基础研究发展规划的立项建议。经过十年发 展，我国已开展了包括微型直升飞机，力平衡加速度传感器、力平衡真空传感器、微泵、微 喷嘴、微马达、微电泳芯片、微流量计、硅电容式微麦克风、分裂漏磁场传感器、集成压力 传感器、微谐振器和微陀螺等许多微机械的研究和开发工作。美国开发的基于MEMS光开关的路由器已经试用，预示着MEMS发展又一高潮的来临。 目前部分器件已经实现了产业化，如微型加速度计、微型压力传感器、
11、数字微镜器件(DMD)、 喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等，并且应用领域十分广泛。1992 年“美国国家关键技术计划”把“微米级和纳米级制造”列为“在经济繁荣和国防 安全两方面都至关重要的技术”。美国国家自然基金会(NSF)把微米/纳米列为优先支持的项 目。美国国防部先进研究计划署(DARPA)制订的微米/纳米和微系统发展计划，对“采用与制 造微电子器件相同的工艺和材料，充分发挥小型化、多元化和集成微电子技术的优势，设计 和制造新型机电装置”给予了高度的重视。日本在1992年启动了2.5亿美元的大型研究计划“微 机械十年计划”。在MEMS的重点研究单位UC Berkeley成立了由多所大学和企业
12、组成的BSAC(Berkeley Sensor and Actuator)。ADI公司看到了微型加速度计在汽车领域应用的巨大前景，通过引入表 面牺牲层技术，并加以改造，使微型加速度计的商品化获得巨大成功。美国在发展初期确定军事应用为主要方向，侧重以惯性器件为代表的MEMS传感器的研 究；日本重点发展进入工业狭窄空间微机器人、进入人体狭窄空间医疗微系统和微型工厂。 欧洲则重点发展“ TAS（Micro Total Analysis System全微分析系统）或LOC （Lab on Chip芯片实 验室）。二、MEMS技术的主要工艺与流程1、体加工工艺体加工工艺包括去加工（腐蚀）、附着加工（镀膜
13、）、改质加工（掺杂）和结合加工（键 合）。主要介绍腐蚀技术。腐蚀技术主要包括干法腐蚀和湿法腐蚀，也可分为各向同性腐蚀和 各向异性腐蚀。（1）干法腐蚀是气体利用反应性气体或离子流进行的腐蚀。干法腐蚀可以腐蚀多种金属，也 可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性刻蚀，又可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或 MEMS工艺常用设备。按刻蚀原理分，可分为等离子体刻蚀（PE： Plasma Etching）、反应离 子刻蚀（RIE： Reaction Ion Etching）和电感耦合等离子体刻蚀 dCP： Induction Couple Plasma Etching）0在等离子气体中，可是实现各向同性的等
14、离子腐蚀。通过离子流腐蚀，可以实现方 向性腐蚀。（2）湿法腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液体里进行的腐 蚀。硅的各向同性腐蚀是在硅的各个腐蚀方向上的腐蚀速度相等。比如化学抛光等等。常用 的腐蚀液是HF-HNO3腐蚀系统，一般在HF和HNO3中口H2O或者CH3COOH。与H2O相比， CH3COO H可以在更广泛的范围内稀释而保持HNO3的氧化能力，因此腐蚀液的氧化能力在使 用期内相当稳定。硅的各向异性腐蚀，是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。比如， 100/111面的腐蚀速率比为100： 1。基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的 微结构。各向异性腐蚀剂一
15、般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW （乙二胺，邻苯二酸 和水）和联胺等。另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如： KOH， NaOH， LiOH， CsOH 和NH4OH等。在硅的微结构的腐蚀中，不仅可以利用各向异性腐蚀技术控制理想的几何形状，而且还 可以采用自停止技术来控制腐蚀的深度。比如阳极自停止腐蚀、PN结自停止腐蚀、异质自停 止腐蚀、重掺杂自停止腐蚀、无电极自停止腐蚀还有利用光电效应实现自停止腐蚀等等。2、硅表面微机械加工技术美国加州大学Berkeley分校的Sensor and Actuator小组首先完成了三层多晶硅表面微机械 加工工艺，确立了硅表面微加工工艺的体系。表面微机
16、械加工是把MEMS的“机械”（运动或传感）部分制作在沉积于硅晶体的表面膜 （如多晶硅、氮化硅等）上，然后使其局部与硅体部分分离，呈现可运动的机构。分离主要 依靠牺牲层（Sacrifice Layer）技术，即在硅衬底上先沉积上一层最后要被腐蚀（牺牲）掉的 膜（如SiO2可用HF腐蚀），再在其上淀积制造运动机构的膜，然后用光刻技术制造出机构图 形和腐蚀下面膜的通道，待一切完成后就可以进行牺牲层腐蚀而使微机构自由释放出来。硅表面微机械加工技术包括制膜工艺和薄膜腐蚀工艺。制膜工艺包括湿法制膜和干式制 膜。湿法制膜包括电镀（LIGA工艺）、浇铸法和旋转涂层法、阳极氧化工艺。其中LIGA工艺 是利用光制造工艺制作高宽比结构的方法，它利用同步辐射源发出的X射线照射到一种特殊的 PMMA感光胶上获得高
