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1、微電子機械系統(tǒng)
硅已在集成電路領域顯示出其巨大的魅力，并使人類跨入了信息社會,成了技術進步的動力，這主要得益于硅工藝的完美和杰出的電特性.正因為如此，世界上的主要工業(yè)化國家都對微電子技術進行了大量的投資，以求在該領域占有一席之地,這種競爭進一步促進了微電子技術的發(fā)展.
但是，微電子技術作為一種資源，并沒有得到充分地利用，可以說目前僅利用了它的百分之幾，是極大的浪費.因此如何充分利用這一資源是極其重要的研究課題，半導體微機械加工技術就是拓寬微電子技術應用領域一個成功的例子.這一技術充分利用了極為豐富的微電子技術資源，用它替代傳統(tǒng)的機械加工方法來實現(xiàn)各種機械結構，使得將傳感器、執(zhí)行
2、器和處理器集成在同一芯片上制作出微電子機事實上，桂不僅有良好的電特性，而且它還是一
械系統(tǒng)(MEMS)成為可能，這在傳統(tǒng)機械加工領域種極好的機械材料，表1給出了有關材料的機械特性[5-，從表中可以看出.硅有很好的彈性及機械強度，非常適合制作機械部件.目前利用微機械技術不僅制作出了各種傳感器，而且還制作出了執(zhí)行器、微機械光學元件及各種微機械構件，顯示出硅作為機械材料應用具有極為廣泛的前景.
二、MEMS的主要技術
MEMS的制作除了需用常規(guī)微電子工藝外，還需用其它特殊技術，以便形成微機械結構.MEMS的設計則必須考慮尺寸效應，因為當線度小到一定程度時，傳統(tǒng)機械的設計
3、理論存在局限性.
1.體微機械技術
體微機械技術是最早在生產中得到應用的技術，大多數(shù)硅壓力傳感器的生產均使用了該技術.該技術是采用化學腐蝕的方法來對硅片進行微機械加工，常用的有各向同性和各向異性兩種.各向同性腐蝕液主要有HNA,各向異性腐蝕液主要有EDP、KOH、N2H4和TMAH.用HNA腐蝕液，橫向尺寸不好控制，用得較少，主要作為一種輔助手段加以使用.EDP的優(yōu)點是掩膜方便，但腐蝕溫度高，腐蝕時易在硅片上產生生成物沉淀而使腐蝕終止且毒性大.KOH腐蝕溫度低、選擇比高達400:1，毒性小，存在的問題是對SiOz腐蝕過快，深腐蝕需用Si3\保護.H2N4存在的問題是毒性大，
4、腐蝕液揮發(fā)性強，對腐蝕容器的密封性要求高.TMAH是近幾年出現(xiàn)的一種各向異性腐蝕液，它的優(yōu)點是不含堿金屬離子，對Si02和Si3N,幾乎不腐蝕，是一種非常有前途的各向異性腐蝕液.
使用各向異性腐蝕液時，由于其(100)面和(111)面的腐蝕速率相差很大，其橫向尺寸非常好控制，但腐蝕深度的控制是個大問題，靠通過腐蝕時間來控制深度誤差很大，因此自停止腐蝕技術應運而生.該技術能使腐蝕自動終止在特定層，故可精確控制膜厚.自停止腐蝕主要有P++自停止和p—n結自停止，P—自停止是腐蝕自動終止在P+T層上，P—層的厚度即是膜厚;P—n結自停止是在N區(qū)上加正電位，腐蝕自動終止在N區(qū)，N區(qū)的厚度即是
5、膜厚?為了防止由于P—n結漏電使腐蝕提前終止在P區(qū)，又發(fā)展了三電極和四電極自停止腐蝕技術?幾種自停土腐蝕方法的比較2.表面微機械技術
表面微機械技術的基本概念是先在硅片上淀積一層犧牲層材料，然后再淀積一層結構材料，腐蝕掉犧牲層后，結構材料即自由懸空，這樣可形成各種微機械結構.表面微機械技術可分為干法腐蝕犧牲層和濕法腐蝕犧牲層兩種?采用干法腐蝕方法的犧牲層材料有聚酰亞銨和光刻膠，結構材料主要是金屬，采用干法腐蝕對片上的其它器件影響較小,但橫向腐蝕尺寸有限，比較難做大尺寸的微機械結構?采用濕法腐蝕方法的犧牲層材料有多晶硅、硅、PSG、A1和Cr等，結構材料有多晶硅、Si3N4和Si02等
6、，濕法腐蝕對犧牲層有很高的選擇性，橫向腐蝕的尺寸基本沒有限制，可在很大范圍內獲得不同尺寸的微機械結構，但在腐蝕犧牲層時如何保護其它器件不被腐蝕是個大問題.目前用得較多的是濕法腐蝕犧牲層.
3.LIGA技術
L1GA技術是最近出現(xiàn)的技術，利用LIGA技術制作的微機械結構，可獲得很大的高寬比，對于寬度僅為數(shù)Mm的圖形，其高度可達1000Mm.LIGA技術的基本過程是，采用同步輻射光源曝光，通常可使厚達100pm的PMMA顯影出很大高寬比的微圖形，然后電鍍，去掉PMMA后就可獲得很大高寬比的機械構件.LIGA在制作很厚的微機械結構方面有其獨特的優(yōu)點，是常規(guī)的微電子工藝所無法替代的
7、，它的出現(xiàn)豐富了MEMS的內容，使得原來難以實現(xiàn)的微機械結構能夠制作出來，它將會在MEMS領域發(fā)揮重要的作用.目前使用LIGA已制作出熱驅動微繼電器、微馬達、磁執(zhí)行器、微光學元件以及許多微機械零件.
4?鍵合技術
硅硅直接鍵合技術和硅玻璃靜電鍵合技術在MEMS制造中可發(fā)揮重要作用.硅硅直接鍵合技術早期是為了獲得高質量的SOI硅片而出現(xiàn)的，采用該技術可制作出體硅性能的SOI硅片.之后又利用該技術來制造大功率器件?也獲得了較好的結果.它在MEMS中的應用是從壓力傳感器開始的，目前已制作出壓力、加速度傳感器和微機械諧振器等多種器件.它的最大特點是可實現(xiàn)硅一體化微機械結構，不存在界
8、面失配問題，有利于提高器件的性能;由于它是采用兩硅片來制作器件，因此在設計時具有很大的靈活性，便于實現(xiàn)復雜的微機械結構.它在工藝也非常簡單，將硅片經過表面處理后貼合在一起，再進行高溫處理即可實現(xiàn)鍵合.目前關于這一技術的研究正在朝降低鍵合溫度的方向努力，已可在12CTC下實現(xiàn)鍵合.可以肯定，它在MEMS中的地位越來越重要.
硅玻璃靜電鍵合的工藝過程為，在350C?5003C下，硅玻璃之間施加幾白-伏的直流電壓，幾分鐘后硅和玻璃即可鍵合在一起.這一技術最早被用在壓力傳感器的制造上，主要是為了減少由傳感器的封裝引起的界面失配帶來的不穩(wěn)定，但硅硅鍵合技術出現(xiàn)后，它的作用受到一定的影響，因為從
9、理論上講硅硅鍵合的界面根本就不存在失配.硅玻璃靜電鍵合技術為硅與其它材料的鍵合提供了手段，這樣在MEMS的設計時有更大的活動余地，不僅可考慮用硅來制作，而且還可與玻璃結合來實現(xiàn)更復雜的結構，因此它在MEMS領域將會繼續(xù)發(fā)揮一定的作用.
S?設計技術
MEMS的設計在許多方面與一般的器件及1C的設計類似，現(xiàn)有的許多設計工具均可用于MEMS的設計.但畢竟MEMS有機械結構，因此還必須進行機械及力學設計.對于MEMS的機械及力學設計來說，某些傳統(tǒng)機械設計的理論存在局限性.微機械結構由于尺寸小，其表面特性起主要作用，因此必須考慮尺寸效應.例如，若單位體積的力為單位表面積的力為/,其
10、線度為L，密度為卜則牛頓第二定律為：中a為加速度，L很小時，表面力起主要作用，而對于傳統(tǒng)機械來說，表面力起較次要的作用.此外MEMS大多數(shù)用的是薄膜材料，其力學性能與體材料存在一定的差異，這也是設計時需要考慮到的.而MEMS的動力學特性則更為復雜，設計時也應注意到它與傳統(tǒng)機械的區(qū)別.目前已有一些MEMS專用設計軟件，如MIT的MEMCAD和密執(zhí)安大學的CAEMEMS.
三、MEMS的應用
目前MEMS最有實用價值的應用領域是傳感器，MEMS的市場幾乎被傳感器所占領，這其中壓力傳感器所占市場份額最大.早在七十年代初已有利用微機械技術制作的壓力傳感器，并用在航空和航天領域.近年
11、來汽車工業(yè)是壓力傳感器的最大市場，需要大量低價的傳感器，要求工作溫度范圍為一40C?125C，精度優(yōu)于1%，壽命超過10年.通用汽車公司已建立了一條硅壓力傳感器全自動生產線，它是世界上第一家利用微機械技術來生產高性能廉價壓力傳感器的公司，同樣的設計還被用來制作高度表和渦輪助推發(fā)動機使用的壓力傳感器.1993年產量超過1千萬只，是世界上最大的硅壓力傳感器生產廠家.福特公司開發(fā)了硅電容式絕壓傳感器，克萊斯勒公司與摩托羅拉公司合作開發(fā)了橫向壓阻式硅壓力傳感器.1993年全世界這類壓力傳感器的年產量高達2500萬只，帶處理電路，封裝完好能高可靠工作的壓力傳感器平均價格為10美元/只，可見其市場前景極為
12、可觀.
醫(yī)學領域是MEMS另一個較大的市場,其中以醫(yī)用血壓傳感器用途最廣.在硅微機械壓力傳感器出現(xiàn)之前，血壓是用易碎的壓力傳感器來測量的，成本高達600美元.汽車用壓力傳感器的發(fā)展也推動了醫(yī)用壓力傳感器的實用化，在過去十幾年醫(yī)用壓力傳感器的年產量由40000只增到1700萬只，而價格也從60美元左右降到10美元以下.體內用壓力傳感器是另一類重要的醫(yī)用傳感器，其需求量近幾年有大幅度增長.
MEMS在傳感器方面的應用是最富有成效的，現(xiàn)在利用微機械技術可以制作各種傳感器，除了壓力傳感器外，其它如加速度傳感器、流量傳感器、應變傳感器、氣體傳感器、化學傳感器、生物傳感器、微機
13、械諧振傳感器和真空傳感器等等，絕大部分傳感器的制作或多或少均要用到微機械技術，可見MEMS在傳感器領域的作用是舉足輕重的.
MEMS另一個很有前途的應用是光學及光電子學領域.光可無接觸地與芯片耦合，一旦光進入了芯片，為控制光路所進行的機械運動均在片內進行，與外界無關，因此不存在片內的機械運動與外界機械運動的匹配問題.MEMS應用存在的最大問題就是微機械運動力距很小，無法在外界得到應用，所以MEMS在光學及光電子學領域中的應用是大有可為的.TI公司利用表面微機械技術制作出了微投影儀，該投影儀由微反射鏡面陣組成，反射鏡的偏轉角由電壓來控制.利用微機械技術制作的微分光計，可在一個小的芯片上
14、實現(xiàn)分光功能.該分光計由光柵，反射鏡和探測器陣列組成，被測光通過光柵后不同波長的光傳播方向不一樣，因此這些光被反射鏡反射后根據(jù)波長的不同將會到達不同的位置，在相應的位置上集成光探測器就可測出不同波長的光強.利用微機械技術已制作出微透鏡、微光開關、微光閥、微斬光器、微機械M—Z干涉儀等許多光學元件.更令人感興趣的是,將硅與化合物半導體鍵合技術和MEMS結合，在硅片上就可制作LD、光探測器、處理電路及有關光學元件，這樣在一個芯片上就包含了一個光學系統(tǒng)，就類似一個光學平臺被集成一起，形成了微機械光學系統(tǒng).
執(zhí)行器是MEMS最活躍、最富有新意的應用領域.微執(zhí)行器的驅動力主要有靜電、壓電、電磁
15、和熱.以靜電作為動力的微執(zhí)行器利用靜電間的吸引力，改變極板間的電壓就可推動某一板作機械運動;在不同電極之間加相位不同的脈沖*R要相位差適當也可使某一極板怍機械運動.這類微執(zhí)行器有微馬達、微閥門、微光閥、微光開關和微投影儀等，可以說靜電力是MEMS中用得最廣的一種驅動力.利用壓電材料的逆壓電效應也可產生機械運動，這是壓電驅動的基礎，而改變壓電材料上的電壓，它將會產生伸縮作機械運動，這類微執(zhí)行器有微閥門，微直線電機、微光開關等.電磁驅動主要是利用洛倫滋力，當微結構上的線圈通電流后，在磁場作用下，它將受到洛倫滋力的作用，從而產生機械運動.利用電磁力驅動的微閘門(Micro-flap)可產生2MN的力
16、和大于l〇〇Mm的位移.利用微機械結構的熱應力也可產生機械運動，這就是熱驅動的原理.上述這些驅動方式還可用來做微機械諧振器的激勵源，驅動諧振器作機械振動.表3是幾種驅動方式的比較，相對來說，以靜電力驅動方式為最佳，使用得也最多.MEMS還被用來制作各種機械零件，如微齒輪、微軸承、微連接器、微攝子和微探針等.還可以用來制作微致冷器,這種致冷器由一系列微管道組成，這些微管道做在硅或化合物半導體芯片的背面，管道中通入冷卻氣體可有效地降低正面器件工作區(qū)的溫度，提高最大功耗.
展望MEMS的應用前景，人們所期望的是能將傳感器、處理器和執(zhí)行器集成在一起構成一個微型機器人系統(tǒng)，目前已研制出一些由傳
17、感器和處理器構成的智能傳感器，可以說它是一個非常初級的系統(tǒng)，離上述目標還相差甚遠，但經過人們的不斷努力，相信在不久的將來人類能制作出真正的微型機器人系統(tǒng).
四、國外主要研究機構
國外MEMS研究機構主要集中在美國、日本和歐洲.日本通產省在1992年投資建立了微機械中心(MicromachineCenter—MMC)，1993年9月以前有29家公司和6個機構支持MiMC，它的主要任務是關干微機械的研究、信息收集及提供、建立微機械標準，與日本及海外的微機械研究機構合作交流，進行微機械的科普教育工作.MMC近幾年的研究目標是開發(fā)出一種小型的機械系統(tǒng)，能夠運動到非常細的管道里，并承擔檢査和維護類似于電站或人體那樣復雜系統(tǒng)的任務.
微電子機械系統(tǒng)
