微纳传感器-MEMS主要技术

THEKEYTECHNOLOGYFORMEMSProf.HUMingEmail:[e-mail]2020/2/25第二讲MEMS主要技术2第二讲MEMS主要技术2.1MEMS常用材料2.2硅微系统加工技术2.3LIGA加工工艺2.4其它微加工技术2.5MEMS封装和互联2020/2/25第二讲MEMS主要技术32.1MEMS常用材料MEMS所用材料可分为：结构材料、导电材料、压电材料、绝缘材料(二氧化硅)和记忆材料(氮化钛)。其中结构材料又包括单晶硅、多晶硅、碳化硅、氮化硅、硅锗合金、镍、金、铝；导电材料包括金、铝、铜；压电材料有铅锆钛合金和石英晶体等。2020/2/25第二讲MEMS主要技术42.1MEMS常用材料针对具体的应用场合，寻找适于该场合使用并能用现有微细加工工艺加工的满足一定性能的优良材料是目前微机械材料研究的主要内容。MEMS的材料发展，今后的重点是研究开发将普通材料合成用于MEMS的技术，开发两种以上材料的合成，如在玻璃和金属中加入无机纤维；具有金属和半导体纳晶分布的聚酣玻璃基材料，以及响应快、发射特性好的光材料等。2020/2/25第二讲MEMS主要技术52.1MEMS常用材料在众多材料中，由于硅具有良好的机械性能和其他材料不可比拟的优秀品质，使其应用极为广泛，已经形成了MEMS中的一个重要的分支，即硅基MEMS。2020/2/25第二讲MEMS主要技术62.2硅微系统加工技术1、体硅微机械加工技术2、表面微机械加工技术3、LIGA技术2020/2/25第二讲MEMS主要技术72.2硅微系统加工技术1.体硅微机械加工（SiliconBulkMicromachining）定义：以硅材料为加工对象，通过各种刻蚀（Etching）方法有选择的去除其部分材料，得到所需微细结构.这种技术在微机械制造中应用最早，主要通过光刻和化学蚀刻等方法在硅基体上得到一些沟槽、凸台、悬台、悬臂梁等，是制作各类微传感器、微制动器的基础技术。2020/2/25第二讲MEMS主要技术82.2硅微系统加工技术体硅微机械加工2020/2/25第二讲MEMS主要技术92.2硅微系统加工技术体硅微机械加工2020/2/25第二讲MEMS主要技术10200mm100mm2.2硅微系统加工技术体硅微机械加工2020/2/25第二讲MEMS主要技术11体硅微机械腐蚀形成悬台结构2020/2/25第二讲MEMS主要技术122.2硅微系统加工技术2020/2/25第二讲MEMS主要技术132.2硅微系统加工技术2020/2/25第二讲MEMS主要技术142.2硅微系统加工技术2020/2/25第二讲MEMS主要技术152.2硅微系统加工技术1、体硅微机械加工1.1湿法蚀刻湿法蚀刻的机理是基于化学反应。腐蚀时，先将材料氧化，然后通过化学反应，使一种或多种氧化物溶解。这种氧化化学反应要求有阳极和阴极，而腐蚀过程却没有外接电压，硅表面上的点便是随机分布的、微观化的阳极和阴极。2020/2/25第二讲MEMS主要技术16湿法蚀刻2020/2/25第二讲MEMS主要技术17各向异性腐蚀和各向同性腐蚀各向异性腐蚀—当对晶体进行腐蚀时，某些晶面的腐蚀速率比其他晶面快的多。如在各项异性腐蚀剂中，（111）晶面的腐蚀速率就要比（100）晶面和（110）晶面慢得多。一般而言，腐蚀速率（100）/（111）面大约400：1，而（110）面的腐蚀速率则介于二者之间。腐蚀速率较快的晶面，其腐蚀速度能达到每小时几十微米。各向同性腐蚀—腐蚀速率在晶体的各个方向上都是相同的。2020/2/25第二讲MEMS主要技术18各向异性腐蚀和各向同性腐蚀示意图maskIsotropicAn-isotropic2020/2/25第二讲MEMS主要技术192.2硅微系统加工技术2020/2/25第二讲MEMS主要技术2.2硅微系统加工技术2020/2/25第二讲MEMS主要技术212.2硅微系统加工技术2020/2/25第二讲MEMS主要技术222.2硅微系统加工技术2020/2/25第二讲MEMS主要技术232020/2/25第二讲MEMS主要技术242020/2/25第二讲MEMS主要技术252020/2/25第二讲MEMS主要技术26Wetetch2020/2/25第二讲MEMS主要技术27各向同性与各向异性腐蚀方法结合2020/2/25第二讲MEMS主要技术28腐蚀速率各向异性腐蚀速率不仅与硅晶体晶向有关，还受腐蚀剂种类和其成分配比、掺杂原子浓度及温度等因素影响在湿法蚀刻中，腐蚀液浓度梯度由溶剂的标定浓度C0、硅表面的溶剂浓度CS和溶液深度d(从硅表面到均匀溶液的距离)决定.对溶液进行搅拌和减小d,可以提高腐蚀速率。2020/2/25第二讲MEMS主要技术29腐蚀选择性系数SelectivityistheratiooftheetchrateofthetargetmaterialbeingetchedtotheetchrateofothermaterialsChemicaletchesaregenerallymoreselectivethanplasmaetchesSelectivitytomaskingmaterialandtoetch-stopisimportantMasktargetEtchstop2020/2/25第二讲MEMS主要技术30腐蚀停止技术2020/2/25第二讲MEMS主要技术311.2离子刻蚀技术（干法腐蚀）ParallelPlateEtchersReactiveIonEtchMode2020/2/25第二讲MEMS主要技术32PlasmaEtchers2020/2/25第二讲MEMS主要技术332020/2/25第二讲MEMS主要技术34离子刻蚀包括：等离子体刻蚀、反应离子刻蚀基本步骤：1刻蚀用气体在足够强的电场下被电离，产生离子、电子及游离原子（又称游离基）等刻蚀类物质。2刻蚀类物质穿过气体层，扩散在被蚀刻晶片（薄膜）的表面，并被表面吸收。3随后，产生化学反应蚀刻，如同离子轰击。反应生成的挥发性化合物由真空泵抽出腔外。2020/2/25第二讲MEMS主要技术352020/2/25第二讲MEMS主要技术36DRIE第二讲MEMS主要技术372020/2/25第二讲MEMS主要技术382020/2/25第二讲MEMS主要技术39表面微机械加工2020/2/25第二讲MEMS主要技术402020/2/25第二讲MEMS主要技术41TheFabricationofMEMSDevicesBareSiliconWaferDepositMechanicalFilmPatternMechanicalFilmDepositSacrificialFilmPatternSacrificialFilmDepositMechanicalFilmPatternMechanicalFilmReleaseStructureSurfaceMicromachiningFabricationCycle2020/2/25第二讲MEMS主要技术422020/2/25第二讲MEMS主要技术43第二讲MEMS主要技术44微机械典型工艺(体、面工艺)SurfaceMicromachiningBulkMicromachiningTrenchBridgeCantileversWaferSurfaceCavityNozzleMembrane2020/2/25第二讲MEMS主要技术452020/2/25第二讲MEMS主要技术462020/2/25第二讲MEMS主要技术472020/2/25第二讲MEMS主要技术482020/2/25第二讲MEMS主要技术492020/2/25第二讲MEMS主要技术502020/2/25第二讲MEMS主要技术512020/2/25第二讲MEMS主要技术522020/2/25第二讲MEMS主要技术532020/2/25第二讲MEMS主要技术542020/2/25第二讲MEMS主要技术552020/2/25第二讲MEMS主要技术562020/2/25第二讲MEMS主要技术57LIGA加工工艺--3D微结构制作技术2020/2/25第二讲MEMS主要技术583dphotoniccrystalfabricatedbyLIGA2020/2/25第二讲MEMS主要技术59LIGACharacteristics:HighAccuracy2020/2/25第二讲MEMS主要技术60HighAspectRatio2020/2/25第二讲MEMS主要技术61AnyLateralShape2020/2/25第二讲MEMS主要技术622020/2/25第二讲MEMS主要技术632020/2/25第二讲MEMS主要技术64LIGAProcess2020/2/25第二讲MEMS主要技术652020/2/25第二讲MEMS主要技术66OutlineofthemicromoldingprocessusingLIGAtechnology.(a)Photoresistpatterning(b)electroplatingofmetal(c)resistremoval(d)moldedplasticcomponents.2020/2/25第二讲MEMS主要技术672020/2/25第二讲MEMS主要技术682020/2/25第二讲MEMS主要技术692020/2/25第二讲MEMS主要技术702020/2/25第二讲MEMS主要技术712020/2/25第二讲MEMS主要技术722020/2/25第二讲MEMS主要技术732020/2/25第二讲MEMS主要技术742020/2/25第二讲MEMS主要技术752020/2/25第二讲MEMS主要技术762020/2/25第二讲MEMS主要技术772020/2/25第二讲MEMS主要技术782020/2/25第二讲MEMS主要技术792020/2/25第二讲MEMS主要技术80LithographyandLIGA