微機(jī)電系統(tǒng)的三種材料和加工技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems，縮寫為 MEMS）是將微電子技術(shù)與機(jī)械工程融合到一起的一種工業(yè)技術(shù)，它的操作范圍在微米范圍內(nèi)。微機(jī)電系統(tǒng)在日本被稱作微機(jī)械（micromachines），在歐洲被稱作微系統(tǒng)技術(shù)（Micro Systems Technology，MST）。

微機(jī)電設(shè)備的尺寸通常在20微米到一毫米之間，它們內(nèi)部通常包含一個微處理器和若干獲取外界信息的微型傳感器。微機(jī)電系統(tǒng)的加工技術(shù)由半導(dǎo)體加工技術(shù)改造而來，使其可以應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，而后者一般用來制造電子設(shè)備。微機(jī)電系統(tǒng)有多種原材料和制造技術(shù)，根據(jù)應(yīng)用、市場等性能需求的不同進(jìn)行選擇。

一、MEMS的材料

1、硅

硅是用來制造集成電路的主要原材料。由于在電子工業(yè)中已經(jīng)有許多實(shí)用硅制造極小的結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，硅也是微機(jī)電系統(tǒng)非常常用的原材料。硅的物質(zhì)特性也有一定的優(yōu)點(diǎn)。單晶體的硅遵守胡克定律，幾乎沒有彈性滯后的現(xiàn)象，因此幾乎不耗能，其運(yùn)動特性非?？煽俊４送夤璨灰渍蹟?，因此非?？煽?，其使用周期可以達(dá)到上兆次。

一般微機(jī)電系統(tǒng)的生產(chǎn)方式是在基質(zhì)上堆積物質(zhì)層，然后使用平板印刷和蝕刻的方法來讓它形成各種需要的結(jié)構(gòu)。

2、高分子材料

雖然電子工業(yè)對硅加工的經(jīng)驗(yàn)是非常豐富和寶貴的，并提供了很大的經(jīng)濟(jì)性，但是純的硅依然是非常昂貴的。高分子材料非常便宜，而且其性能各種各樣。使用注射成形、壓花、立體光固化成形等技術(shù)也可以使用高分子材料制造微機(jī)電系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)尤其有利于微液體應(yīng)用，比如可攜測血設(shè)備等。

3、金屬

金屬也可以用來制造微機(jī)電系統(tǒng)。雖然比起硅來金屬缺乏其良好的機(jī)械特性，但是在金屬的適用范圍內(nèi)它非?？煽?。

二、MEMS加工技術(shù)

①、傳統(tǒng)機(jī)械加工方法

傳統(tǒng)機(jī)械加工方法指利用大機(jī)器制造小機(jī)器 ,再利用小機(jī)器制造微機(jī)器 ?？梢杂糜诩庸ひ恍┰谔厥鈭龊蠎?yīng)用的微機(jī)械裝置 ,例如微型機(jī)械手、 微型工作臺等。

傳統(tǒng)機(jī)械加工方法以日本為代表 ,日本研究 MEMS的重點(diǎn)是超精密機(jī)械加工 ,因此他們更多的是將傳統(tǒng)機(jī)械加工進(jìn)行微型化 。

此加工方法可以分為兩大類：超精密機(jī)械加工及特種微細(xì)加工。超精密機(jī)械加工以金屬為加工對象，用硬度高于加工對象的工具，將對象材料進(jìn)行切削加工，所得的三維結(jié)構(gòu)尺寸可在0.01mm以下。此技術(shù)包括鉆石刀具微切削加工、微鉆孔加工、微銑削加工及微磨削與研磨加工等。

特種微細(xì)加工技術(shù)是通過加工能量的直接作用，實(shí)現(xiàn)小至逐個分子或原子的切削加工。特種加工是利用電能、熱能、光能、聲能及化學(xué)能等能量形式。常用的加工方法有：電火花加工、超聲波加工、電子束加工、激光加工、離子束加工和電解加工等。超精密機(jī)械加工和特種微細(xì)加工技術(shù)的加工精度已達(dá)微米、亞微米級，可以批量制作模數(shù)僅為0.02左右的齒輪等微機(jī)械元件，以及其它加工方法無法制造的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)器件。

②、硅基MEMS技術(shù)

以美國為代表的硅基MEMS技術(shù)是利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對硅材料進(jìn)行加工，形成硅基MEMS器件。這種方法可與傳統(tǒng)的IC工藝兼容，并適合廉價(jià)批量生產(chǎn)，已成為目前的硅基MEMS技術(shù)主流。

當(dāng)前硅基微加工技術(shù)可分為體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)。

體微加工技術(shù)：

體微加工技術(shù)是對硅的襯底進(jìn)行加工的技術(shù)。一般 采用各向異性化學(xué)腐蝕 ,利用單晶硅的不同晶向的腐蝕速率存在各向異性的特點(diǎn)而進(jìn)行腐蝕，來制作不同的微機(jī)械結(jié) 構(gòu)或微機(jī)械零件，其主要特點(diǎn)是硅的腐蝕速率和硅的晶向、攙雜濃度及外加電位有關(guān)。

另一種常用技術(shù)為電化學(xué)腐蝕 , 現(xiàn)已發(fā)展為電化學(xué)自停止腐蝕 ,它主要用于硅的腐 蝕以制備薄面均勻的硅膜。利用此技術(shù)可以制造出MEMS的精密三維結(jié)構(gòu)。

體微加工技術(shù)主要通過 對硅的深腐蝕和硅片的整體鍵合來實(shí)現(xiàn) ,能夠?qū)?何尺寸控制在微米級。由于各向異性化學(xué)腐蝕可以 對大硅片進(jìn)行 ,使得 MEMS 器件可以高精度地批量 生產(chǎn) ,同時(shí)又消除了研磨加工所帶來的殘余機(jī)械應(yīng) 力 ,提高了 MEMS 器件的穩(wěn)定性和成品率。

表面微加工技術(shù)：

表面微加工技術(shù)是在硅片正面上形成薄膜并按一定 要求對薄膜進(jìn)行加工形成微結(jié)構(gòu)的技術(shù) ,全部加工僅涉及到硅片正面的薄膜。是在20世紀(jì)80年代由美國加州大學(xué)Berkeley分校開發(fā)出來的，它以多晶硅為結(jié)構(gòu)層，二氧化硅為犧牲層。表面微加工技術(shù)與集成電路技術(shù)最為相似，其主要特點(diǎn)是在“薄膜+淀積”的基礎(chǔ)上，利用光刻、腐蝕等IC常用工藝制備微機(jī)械結(jié)構(gòu)，最終利用選擇腐蝕技術(shù)釋放結(jié)構(gòu)單元，獲得可動的二維或三維結(jié)構(gòu)。

用這種技術(shù)可以淀積二 氧化硅膜、氮化硅膜和多晶硅膜 ;用蒸發(fā)鍍膜和濺射 鍍膜可以制備鋁、鎢、鈦、鎳等金屬膜 ;薄膜的加工一 般采用光刻技術(shù) ,如紫外線光刻、X 射線光刻、電子 束光刻和離子束光刻。通過光刻將設(shè)計(jì)好的微機(jī)械 結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)移到硅片上 ,再用等離子體腐蝕、反應(yīng)離子 腐蝕等工藝來腐蝕多晶硅膜、氧化硅膜以及各種金 屬膜 ,以形成微機(jī)械結(jié)構(gòu)。

這一技術(shù)避免了體微加工所要求的雙面對準(zhǔn)、背面腐蝕等問題 ,與集成電路 的工藝兼容，且工藝成熟，可以在單個直徑為幾十毫米的單晶硅基片上批量生成數(shù)百個MEMS裝置。

③、深層刻蝕技術(shù)

深層刻蝕技術(shù)指深層反應(yīng)離子向硅芯片內(nèi)部刻蝕，刻蝕到芯片內(nèi)部的一個犧牲層，并在刻蝕完成后被腐蝕掉，這樣本來埋在芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)就可以自由運(yùn)動。

深層刻蝕技術(shù)屬于微機(jī)械加工方法 LIGA 的一種 ,LIGA 方 法是指采用同步 X 射線深層光刻、微電鑄制模和注 塑復(fù)制等主要工藝步驟組成的一種綜合性微機(jī)械加 工技術(shù)。

利用LIGA技術(shù)可以加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料，得到大深寬比的精細(xì)結(jié)構(gòu)，其加工深度可達(dá)幾百微米。

LIGA技術(shù)與其它立體微加工技術(shù)相比有以下特點(diǎn)：

可制作高度達(dá)數(shù)百至1000μm，深寬比可大于200，側(cè)壁平行偏離在亞微米范圍內(nèi)的三維立體微結(jié)構(gòu)；

對微結(jié)構(gòu)的橫向形狀沒有限制，橫向尺寸可以小到0.5μm，精度可達(dá)0.1μm；

用材廣泛，金屬、合金、陶瓷、玻璃和聚合物都可以作為LIGA的加工對象；

與微電鑄、鑄塑巧妙結(jié)合可實(shí)現(xiàn)大批量復(fù)制生產(chǎn)，成本低。

LIGA的主要工藝步驟如下：在經(jīng)過X光掩模制版和X光深度光刻后，進(jìn)行微電鑄，制造出微復(fù)制模具，并用它來進(jìn)行微復(fù)制工藝和二次微電鑄，再利用微鑄塑技術(shù)進(jìn)行微器件的大批量生產(chǎn)。

由于LIGA所要求的同步X射線源比較昂貴，所以在LIGA的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了準(zhǔn)LIGA技術(shù)，它是用紫外光源代替同步X射線源，雖然不能達(dá)到LIGA加工的工藝性能，但也能滿足微細(xì)加工中的許多要求。而由上海交通大學(xué)和北京大學(xué)聯(lián)合開發(fā)、具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的DEM技術(shù)，也是LIGA技術(shù)中的一種。該技術(shù)采用感應(yīng)耦合等離子體深層刻蝕工藝來代替同步輻射X光深層光刻，然后進(jìn)行常規(guī)的微電鑄和微復(fù)制工藝，該技術(shù)因不需要昂貴的同步輻射X光源和特制的X光掩摸板而具有廣泛的應(yīng)用前景。