(完整版)第1章微细加工与MEMS技术引论
电子科技大学 MEMS课件 第一章总结
曾经有人问1996年化学Nobel奖获得者-Rice大学的Richard Smalley，如果重新开始，最希望从事什么领域的研究工作，他不假思索的提出一个预言性的概念：Lilliputian 工程."We're talking about the miniaturization of everything you can imagine," Smalley said. "Eventually, we will be designing tiny devices so that every atom is there for a particular reason.”1.1概念的提出碳纳米管研制，直径约为500nm，能够在电压驱动下转动。
电动机的旋转叶片是一片金叶，长度不到300nm，叶片安装在一根由多层碳纳米管做成的转轴上。
2003年世界十大科技进展:纳米电动机2004年世界十大科技进展:分子马达通过光或电的驱动，使分子围绕一个轴旋转，能够停止或暂停。
这一成果将使纳米级“分子机械”能够在一些较大机械无法应用的工业和外科手术中大显身手.2005年世界十大科技进展:找到控制单分子行动的方法利用特种显微镜仪器，让一个分子做出各种动作。
使用金属探针，刺激联苯分子的不同部位，还可以使其产生不同的电子反应。
2006年世界十大科技进展:最小发电机问世纳米发电机。
它可以收集机械能，比如人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的能量；震动能，比如声波和超声波产生的能量；流体能量，比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。
这是一个结构特殊的分子，它也有四个“轮子”，当接收到电流时就向前“行驶”，不过，它“行驶”的距离要以纳米来计算这种分子“电动车”将来可用于许多微观领域，比如把微量药物送达人体所需要的地点。
不过研究人员表示，这还有很长路要走，因为本次实验是在零下200多摄氏度的低温和高度真空环境中完成的，如何在常规环境下也能让分子“电动车”工作是首先要解决的问题。
第一章+绪论+-2016
本课程主要内容
第一章 绪论 第二章 光学曝光技术 第三章 电子束曝光技术 第四章 聚焦离子束加工技术 第五章 扫描探针加工技术 第六章 复制技术 第七章 沉积法图形转移技术 第八章 刻蚀法图形转移技术 第九章 间接纳米加工技术 第十章 自组装纳米加工技术 第十一章 微纳米加工技术的应用
亮点
光学曝光是微纳加工的主流方法。 电子束曝光是迄今为止分辨率最高的一种光刻技术。 离子束虽然在光刻方面应用得不多，但离子束却是一种灵活的微纳米加工工具。 扫描探针加工以其简单和低成本受到大多数科研人员的青睐。 扫描探针和模型复制可以看做是光刻技术的延伸，是一种非光学的二维图形制
10-8分一个晶体管 7纳米的限制
这些微小器件是怎么加工出来的？
传统的加工方法？ 哦，No， No……. 集成电路芯片的发明人Jack Kilby认识到传统晶体管制作方法的局限性，提出了在 平面衬底材料上通过薄膜材料的沉积与光刻方法来实现多只晶体管与电路系统的 集成。 这种平面集成方法奠定了后来50年微纳米加工技术发展的基础
微纳加工技术发展近况
已经能够将数十亿只晶体管做在方寸大小的芯片上 最小电路尺寸为32纳米的集成电路芯片已经进入大批量生产阶段 22纳米的集成电路也开始试生产 16纳米的集成电路到了研发阶段 可以将普通机械齿轮传动系统微缩到肉眼没法观察的尺寸 可以制作基于碳纳米管或纳米线的晶体管，制作检测单个分子的传感器 可以实现单个分子与原子的操纵
作技术。在没有昂贵的光学曝光或电子束曝光系统的条件下，利用扫描探针或 纳米压印也可以进行纳米加工。而大面积连续纳米压印已经成为工业化生成大 面积纳米结构的主要方法。 无论用何种方法光刻都只是完成了平面微纳米加工过程的一半。光刻得到的只 是光刻胶图形。为了实现真正的二维或准三维微纳米结构，还必须将光刻胶图 形转移到衬底材料上，这种转移包括添材料（薄膜沉积）或减材料（刻蚀）。 间接加工方法就是一些聪明的能够绕过现有设备加工能力极限的方法。 最终超越传统纳米加工极限的技术是分子自组装加工技术。
MEMS技术导论
应用
MEMS在工业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和物生工程、农业、环 境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。 MEMS的应用领域中领先的有：汽车、医疗和环境；
◆ Optical
MEMS ◆ RF MEMS ◆ Data Storage ◆ Bio. ◆ Power MEMS ◆ MEMS for Consumer Electronics ◆ MEMS In Space ◆ MEMS for Nano.
数 字 信 号 处 理 器
模 拟 信 号 处 理 器
执 行 器 信息 其它
感测量 通讯/接口单元
控制量
光/电/磁
以微电子技术为基础，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术 •半导体加工工艺发展起来的硅表面加工和体加工的硅微细加工。 •八十年代中期以后利用X射线光刻、电铸、及注塑的LIGA（德文Lithograph Galvanformung und Abformug简写）技术诞生， •利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工（EDM）、超声波加工、等离子体加工、 激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。MEMS的封装技术也很重要。传 统的精密机械加工技术在制造微小型机械方面仍有很大潜力。
Courtesy: Sandia national laboratory
•2000年底/：MEMSSi宣布研制成功与标准 CMOS兼容的加速度计
• 系统研究阶段 • 20世纪90年代末，开始微型飞行器、微型 卫星、微型机器人等研究。
目前MEMS器件市场应用
• • • • • • • 微喷嘴－－喷墨打印头 加速度计－－汽车安全气囊传感器 压力传感器 微型控制阀 微型磁强计 生物芯片 光开关
（完整版）MEMS的主要工艺类型与流程
（完整版）MEMS的主要⼯艺类型与流程MEMS的主要⼯艺类型与流程（LIGA技术简介）⽬录〇、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、课程⼼得〇、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1µm⼩于1nm，结合了电⼦和机械部件并⽤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(1概述)-王文廉资料
12
2018/11/20
NUC 2012
13
MEMS器件和MEMS系统
一只蚂蚁和微齿轮
美国提出的硅固态卫星, 直径仅15cm
NUC 2012
清华一号
(50kg, 0.07m3)
14
清华大学联合英国萨瑞大学研制
2018/11/20
第一章微机电系统概述
主要内容：
微机电系统基本概念及特点。
微机电系统的历史、发展与前景。 微机电系统的主要特征。 微机电系统的器件、系统和应用领域。
2018/11/20
NUC 2012
3
微观 世界
光学显微镜
电子显镜
2018/11/20
NUC 2012
4
微机电系统基本概念及特点
隔膜
2018/11/20
分子的
NUC 2012
5
微机电系统基本概念及特点
批量生产
2018/11/20
NUC 2012
6
什么是MEMS
微机电系统（Micor Electro —Mechanical Systems, MEMS）是在微电子技术的基础 上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA 技术和精密机械加工等多种微加工技术， 并应用现代信息技术构成的微型系统。 它包括感知和控制外界信息(力、热、光、 生、磁、化等)的传感器和执行器，以及 进行信号处理和控制的电路。
微机电系统技术基础
王文廉
课程内容
微机电系统概述 微系统的工作原理 用于MEMS和微系统的材料 微系统加工工艺 传感器、致动器 微制造综述 微系统设计
2018/11/20
NUC 2012
2
第一章微机电系统概述
主要内容：
MEMS_NEMS_概论
1.2 MEMS特征
Hale Waihona Puke 3、由于MEMS制造技术是以硅微加工技术为基础， 可以像 IC工艺一样用微电子工艺技术，在无尘室 中大批量、低成本的进行规模型生产，这样可以 大大降低器件的成本，提高器件的一致性与可靠 性，使性价比与传统机械制造技术相比大幅度地 提高。
2009-2-21
第一讲 MEMS/NMES概论
18
1.3 MEMS发展历史
MEMS的发展已经有很长的历史，它出现于1960年， 70代年出现了硅基的压力传感器，80年代在硅表面 的微机械加工和牺牲层技术得到发展，从那时起确 定了硅和p型硅为微机械结构的极好材料。
上世纪90年代便迎来了MEMS发展的极盛时期。
第一讲 MEMS/NMES概论 7
2009-2-21
1.1 MEMS定义
微机器 Micro machine (Japan) 微型电子机械系统MicroElecoMechanical System (USA) 微系统 Micro System (Europe)
在北美，微机电系统通常称为MEMS，顾名思义MEMS是 由微机械和微电子线路组成的微系统。在欧洲则通常称为 微系统（microsystem）。在日本通常称为微机器 （micromachine）。它们都以微小（micro）为特征，有的 强调机械，有的强调系统，但当前人们常不加区别地统称 为MEMS。 日本国家MEMS中心（http://www.iijnet.or.jp/MMC/）给 micromachine下的定义是：A micromachine is an extremely small machine comprising very small (several millimeters or less) yet highly sophisticated functional elements that allow it to perform minute and complicated tasks.[微机器是一种 极其小的机器，它由非常小（数微米或更小）但是具有高 度复杂功能的部件构成，能够完成灵巧和复杂的任务。
MEMS技术导论
• 基本结构：基于弹簧之上的质量悬挂。 • Sensing原理：外加加速度时，探测质量块发生 相对位移。
• 原理： • （1）电容式：质量块为电容一极。需专用电路探测微小电容变 化e－15F。 • （2）压阻式：测试弹簧的内应力 • 参数： • （1）测试范围，G • （2）响应度，V/G • （3）带宽，Hz • （4）横轴响应度：评价加速度计对垂直于主轴方向上的加速度 的抵抗能力。
• 常用actuation方法 • electrostatic actuation 库仑力，两加电压的单元之间。耗能低。 Piezoelectric actuation, 特点：当压电薄膜较厚，可提供较大的力。耗能低 Thermal actuation 耗能较大。如双层不同材料，热膨胀系数差异引起 的弯屈。密封腔内的液体受热后的膨胀对墙壁施 压。 Magnetic actuation 机理：Lorentz力。通有电流单元在磁场中受力。 Actuation using shape-memory alloys 特点：提供能量密度最大的actuation。与Si工艺集 成困难。
气囊，测试范围＋，－50GHz，带宽1kHz 引擎振动，测试范围：1GHz，分辨率100微G，带宽10KHz以上。 心脏起博器,多轴加速度计，监测活动水平，测试范围＋，－2GHz， 带宽50Hz，需要耗能小。 军事应用，测试范围可达1000G。
• 四种主要的加速度计 （1）压阻体微机械工艺加速度计
工艺： •有一p型重掺杂层 的Si片与SiO2/Si直 接键合 •将p型重掺杂层的 衬底腐蚀去除。 •正面光刻形成压阻 单元。 •溅射并光刻形成电 极和连线。 •背面光刻形成腔室 和薄膜。
• 质量流量Sensor： • 原理：气体流动，带走被加热单元的热量，使之温度变化。 • （1）温度变化可用电阻值变化。通过电桥，测出电压变化。 此变化值正比于气体流动量。） • （2）用pn结的温度变化 • （3）用热电偶的温度变化 • MEMS特点： • 加热源和衬底支架之间的热隔离好，保证热损失完全由于气 体流动。 • 被加热部件热容量小，反应速度快。 • 双向质量流量Sensor： • 相邻两薄膜－上有加热单元和温敏电阻。500微米见方。 • 气体流量冷却上加热单元，同时给下加热单元升温。使两薄 膜上的电阻差值增大，通过电桥获得更高的探测灵敏度。
MEMS的发展及其加工技术简介
MEMS的发展及其加工技术简介MEMS的发展及其加工技术简介一、引言随着科学的进一步发展，人类社会正向人性化、多元化的方向发展。
由此孕育而生的多元化技术已经蓬勃发展。
MEMS的出现和发展既是建立在多学科基础之上产生的交叉性学科和技术，它的出现必将为工业技术带来巨大的变革。
微小型化始终是当代科学技术发展的重要方向。
微电子技术的发展,不仅使计算机与信息技术等领域面貌一新,而且在许多领域引发了一场微小型化的革命。
以加工微米/纳米机构和系统为目的的微米/纳米技术在此背景下应运而生。
一方面,人们利用物理、化学方法将原子和分子组装起来,形成有一定功能的微米/纳米结构;另一方面,人们利用精细加工手段加工出微米/纳米结构。
前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘学科的产生;后者在小型机械制造领域开始了一场革命,导致了MEMS 技术的出现。
二、MEMS 技术的国内外发展概况MEMS是典型的多学科交叉的前沿性研究领域,不仅与微电子学密切相关,还与现代光学、气动力学、流体力学、热学、声学、磁学、自动控制、仿真学和材料科学等相互交叉、渗透和综合,几乎涉及到自然与工程科学的所有领域。
MEMS 的主要研究内容是建立在MEMS理论基础和技术基础之上对MEMS设计技术、MEMS 材料、MEMS微细加工及MEMS的应用领域的研究。
MEMS的发展史,最早可追朔到19 世纪。
1962 年,第一个硅微压力传感器问世,其后开发出尺寸为50～500μm的齿轮、气动涡轮、联接件等微机构。
70年代后,美国学者提出了基于硅半导体材料的微机械的设想。
1988年美国加州大学伯克利分校Muller 研究小组发明了转子直径为60～100μm 的硅静电电机,在当时引起很大轰动,它表明了应用硅微加工技术制造微小可动结构的可行性,与集成电路兼容制造微小系统的优势。
同期,MIT、Berkely、Stand—ford等大学和AT&T及NSF 的15名科学家向美国政府提出MEMS研究建议。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
5
肖克莱
巴丁
( William Shockley) (John Bardeen)
布拉顿 (Walter BratFabrication & MEMS Technology
8
半导体产业发展史上的几个里程碑
❖ 1962年Wanlass和C. T. Sah —— CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上。
❖ 1967年Kahng和S. Sze ——非挥发存储器 ❖ 1968年Dennard（登纳德）—— 单晶体管DRAM ❖ 1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏
16位 MPU 80年，256K DRAM，2 m 84年，1M DRAM，1 m 85年，32 位 MPU，M 68020
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
11
86年，ULSI（300万 ~ 10亿个元件/芯片）， 4 M DRAM ( 8×106, 91 mm2, 0.8 m, 150 mm ) ， 于 89 年开始商业化生产，95 年达到生产顶峰。主要工 艺技术：g 线（436 nm）步进光刻机、1 : 10 投影曝光、 负性胶 正性胶、各向异性干法腐蚀、LOCOS 元件 隔离技术、LDD 结构、浅结注入、薄栅绝缘层、多晶 硅或难熔金属硅化物、多层薄膜工艺等。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
4
获得1956年Nobel物理奖
特点：体 积小，无 真空，可 靠，重量 轻等。
晶体管的剖面图
1947年12月23日第一个晶体管， NPN Ge晶体管。 W. Schokley， J. Bardeen，W. Brattain晶体管的剖面图
微细加工技术的应用十分广泛，主要应用于微电子器件、 集成电路以及微机电系统（MEMS）的制造。 • 加工尺度：亚毫米 ~ 纳米量级。 • 加工单位：微米 ~ 原子或分子线度量级（10–10 m）。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
3
1.2 微细加工技术在集成电路发展中的作用
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
2
第 1 章 引论
1.1 主要内容
微细加工技术的涉及面极广，具有 “大科学” 的性质，其 发展将依赖于基础材料、器件物理、工艺原理、精密光学、电 子光学、离子光学、化学、计算机技术、超净和超纯技术、真 空技术、自动控制、精密机械、冶金化工等方面的成果。
一、半导体产业发展历程
第一台通用电子计算机
：ENIAC（
Electronic Numerical Integrator and Calculator）
1946年2月14日 Moore School，Univ. of Pennsylvania
19,000个真空管组成
大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：50吨； 功率：140KW； 平均无故障运行时间：7min
1960年仙童公司制造的IC
1959年 美国仙童/飞兆公司（ Fairchild Semiconductor ） 的R.Noicy（罗伯特.诺依斯）开发出用于IC的Si平面工艺 技术，从而推动了IC制造业的大发展。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1/16英寸，仅 包含2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
9
集成电路发展简史 58年，锗 IC 59年，硅 IC 61年，SSI（10 ~ 100 个元件/芯片），RTL 62年，MOS IC，TTL，ECL 63年，CMOS IC 64年，线性 IC
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
12
88年，16 M DRAM（3×107, 135 mm2, 0.5 m, 200 mm）， 于 92 年开始商业化生产，97 年达到生产顶峰。主要 工艺技术：i 线（365 nm）步进光刻机、选择 CVD 工艺、 多晶硅化物、难熔金属硅化物多层布线、接触埋入、 化学机械抛光（CMP）工艺等。
6
获得2000年Nobel物理奖
Ti公司Jack Kilby （杰克.基尔比）
1958年第一块集成电路：TI公司的 Kilby，12个器件（两个晶体管、 两个电容和八个电阻），Ge晶片
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
7
Robert Noyce (罗伯特.诺依斯)
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
10
65年，MSI （100 ~ 3000个元件/芯片） 69年，CCD 70年，LSI （3000 ~ 10万个元件/芯片），1K DRAM 71年，8位 MPU IC，4004 72年，4K DRAM，I2L IC 77年，VLSI（10万 ~ 300万个元件/芯片），64K DRAM，
微细加工与MEMS技术
电子科技大学
微电子与固体电子学院
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
1
教材： 《微电子制造科学原理与工程技术》，Stephen A. Campbell， 电子工业出版社
主要参考书： •《微细加工技术》，蒋欣荣，电子工业出版社 VLSI Technology, S. M. Sze •《半导体制造技术》，Michael Quirk, Julian Serda，电子工 业出版社
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology