三种常用的微机电系统(MEMS)制造技术

MEMS器件利用半导体加工技术来制造三维机械结构,三种最常用的MEMS制造技术包括体微加工(Bulk Micro Machining)、表面微加工(Surface Micro Machining)和LIGA。

  MEMS指微机电系统,这种技术用于制造由电子和机械部件组成的微型系统。系统的尺寸可能从几微米或更小到几毫米不等。MEMS已经被证明是一种高效的、具有巨大潜力的技术。这项技术的一些应用实例包括传感器、加速度计、打印机墨盒、机器人等。

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  图中显示了3种最常用的MEMS制造技术

  MEMS器件利用半导体加工技术来制造三维机械结构,三种最常用的MEMS制造技术包括体微加工(Bulk Micro Machining)、表面微加工(Surface Micro Machining)和LIGA。

  一、体微机械加工(Bulk Micro Machining)

  在体微机械加工中,将衬底的大部分,即单晶硅,一种非常稳定的机械材料,被特别地移除,形成三维的MEMS器件。一种用于体微机械加工的MEMS三维结构示意图

  微器件的体微机械加工制造通常采用自上而下的制造技术,即在制备好的硅片上刻蚀,以制造出三维MEMS元件。它是一种减法工艺,使用湿各向异性腐蚀或干法蚀刻,如反应离子蚀刻(RIE),以创建大的坑,槽和通道。通常用于湿法蚀刻的材料包括硅和石英,而干法蚀刻通常用于硅、金属、塑料和陶瓷。

  ·湿法蚀刻

  在湿法蚀刻中,通过将材料(通常是硅片)浸入化学蚀刻剂的液浴中来去除材料。这些腐蚀剂可以是各向同性的(HNA—HF、HNO3和Ch3COOH的混合物)或各向异性(KOH)。各向异性腐蚀剂在优选方向上腐蚀速度更快;蚀刻取决于衬底的晶体取向。

  ·干法蚀刻

  在干法刻蚀中,高能离子在等离子体相内加速,向待蚀刻的材料提供反应所需的额外能量。MEMS最常见的形式是反应离子刻蚀(RIE),它利用射频(RF)功率形式的附加能量来驱动化学反应。

  ·深度反应离子刻蚀(DRIE)

  深度反应离子刻蚀(DRIE)是一种高深宽比的蚀刻方法,它包括高密度等离子体刻蚀(如RIE)和保护性聚合物沉积交替进行,以获得更大的纵横比。

  压阻效应是体积微机械传感器(如压力传感器)中广泛应用的一种转导机制。在压阻材料中,应力的变化引起应变和相应的电阻变化。因此,当注入的压阻在隔膜的最大应力点形成时(对于压力传感器),施加压力下的偏转会导致电阻的变化。

  二、表面微加工

  在表面微机械加工中,三维结构是通过在晶圆表面上有序地添加和移除一系列薄膜层来构建的,这些薄膜层分别称为结构层和牺牲层。牺牲层沉积,然后移除,形成结构层之间的机械空间或间隙。表面微机械悬臂梁的工艺步骤如下:

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  该图显示了表面微机械悬臂的不同处理步骤

  许多表面微机械传感器采用电容转换方法将输入的机械信号转换为等效的电信号。在电容传导法中,传感器可以被认为是一个机械电容器,其中一个板相对于所施加的物理刺激而移动。这改变了两个电极之间的间隙,相应地改变了电容。这种电容的变化相当于输入的机械刺激。

  三、LIGA

  LIGA是一个德语首字母缩写,由字母LI(伦琴平版印刷术,意思是X射线光刻术)、G(镀锌,意思是电沉积)和a(Abformung,意思是将其他材料模制成高宽高比结构)组成。因此,在这种技术中,厚的光刻胶暴露在X射线下以产生随后用于形成高纵横比电镀三维结构的模具。LIGA工艺可以制造出比传统加工工艺更小、也比表面微加工零件更大的微零件。LIGA的工艺步骤如下图所示。

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  LIGA的处理步骤的图

  ·熔焊

  为了形成复杂的大型结构,可以采用熔焊工艺(采用体加工和表面微机械加工)。它需要通过原子键合各种晶圆来建立一个结构。在这种情况下,空腔在底部晶圆中被整体蚀刻。然后,第二片晶片然后粘合形成埋腔。随后在顶部晶圆上刻印DRIE掩模材料。然后进行各向异性蚀刻以释放微结构,然后移除DRIE掩蔽材料以制造最终器件。

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