全面的微系统技术

一、微系统技术

在微系统技术微系统技术的发展历史上，集成电路（IC）是技术的起点。电子器件小型化和多功能信成是微加工技术的推动力。如果没有微加工和小型化技术的迅猛发展，许多今天看来理所当然的科学和工程成就都不可能实现。

微系统技术是由集成电路技术发展而来的，经过了大约20年的萌芽阶段，即由20世纪60年代中期到20世纪80年代。在这段萌芽时期，主要是开展一些微系统技术的零散研究。例如，开发了硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构；一些研究机构和工业实验室里的研究者开始利用集成电路的加工技术制造微系统技术器件，例如悬臂梁、薄膜和喷嘴；微传感器的关键部件，如单晶硅和多晶硅中的压阻被发现、研究和优化。

在微系统技术的研发时期，涌现出了一些具有重要意义的研究成果。1967年，Westinghouse公司发明了一种谐振栅晶体管（RGT）。它与传统的晶体管不同，RGT的电栅极不是固定在栅氧化层上，而是相对硅衬底可动。由静电力控制栅电极和衬底之间的间距。RGT是静电微执行器的最早实例。

佳能公司最早开发了基于热气泡技术的喷墨打印技术，而惠普公司在1978年首先发明了基于硅微机械加工技术的喷墨打印机喷嘴。喷嘴阵列喷射出热气泡膨胀所需液体体积大小的墨滴，如图1-1所示。气泡破裂又将墨汁吸入到存放墨汁的空腔中，为下一次喷墨做准备。通过滴入红、蓝、黄三种基本色实现彩色打印。

图1-1

在20世纪80年代后期，在微机械技术这个新领域的研究者主要是研究硅的应用——单晶硅衬底或者多晶硅薄膜。多晶硅薄膜技术的应用产生了一些表面微机械加工的机械结构，如弹簧、传动机械和曲柄等。

20世纪90年代，全世界的微系统技术研究进入一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。非常成功的例子有美国Analog Devices（模拟器件）公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器，以及美国Texas Instruments（仪器）公司用于投影显示的数字光处理芯片。

相对于宏观的机电传感器，微系统技术技术带来了两个重要的优点，即高灵敏度和低噪声。同时，由于微系统技术技术采用批量生产，而不是采用手工组装的方式，有效地降低了传感器的使用成本。

20世纪90年代后期，光微系统技术发展迅速。世界各地的研究人员竞相开发微光机电系统和器件，希望能将二元光学透镜、衍射光栅、可调光微镜、干涉滤波器，相位调制器等部件应用到光学显示、自适应光学系统、可调滤波器、气体光谱分析仪和路由器等应用领域。

生物微系统技术包括生物学研究、医疗诊断和临床介入等方面的微系统技术研究和应用。由于生物微系统技术结构和器件的尺寸大小、集成功能多，它们已经在一些医疗方面得到应用，例如视网膜植入，耳蜗植入、嵌入生理传感器以及含有传感器的智能手术工具等。

二、微系统技术的本质特征

2.1小型化

毫无疑问，微系统技术将会不断有新的应用领域。技术发展和商业化的原因有时候并不完全相同。然而，微系统技术器件和微加工技术具有三种特点，称为“3M”，即小型化、微型电子集成及高精度的批量制造。典型的微系统技术器件

~1cm之间，当然，微系统技术器件阵列或整个微系统技的长度尺寸大约在1m

术系统的尺寸会更大一些。小尺寸能够实现柔性支撑、带来高谐振频率、低热惯性等很多优点。然而小型化带来的并不全是更好的特性，也可能带来问题。有些在宏观尺度下非常显著的物理效应，当器件尺寸变小以后，性能可能会变得很差。与之相反，有些对于宏观器件可忽略的物理效应，在微观尺寸围会突然变得突出，这称之为比例尺度定律。这人定律可以有效解释物理学在不同尺寸下的作用规律。例如，跳蚤可以跳过自身高度的几十倍，而大象则根本不能跳。定性观察表明：重量小的物体受重力影响小、小型化可以带来更快的速度、高功率密度和高效率。

尺度效应是微系统技术中许多物理现象不同于宏观现象的一个非常得要的原因，随着尺寸的减小，表面积（2L）与体积（3L）之比相对增大，表面效应十分明显，这将导致微机电系统的受力环境与传统机电系统完全不同。以潜水艇为例，当把潜水艇缩小到针头大小时，螺旋桨即使转动与很难使潜水艇前进，这主要是由于尺度变化，使得潜水艇受到水的黏性阻力变得相当突出，二者的驱动原理已经完全不同。正因如此，像细菌一样的微小生物体它们在液体中依靠的是螺旋状长长的鞭毛边旋转边前进。

2.2微系统技术中的力

对于我们所考虑的微机电系统，其尺寸量级在微米和纳米之间，在这种围起主要作用的是万有引力和电磁力。物体间作用的万有引力和电磁力的强度主要取决于3个因素，即作用力的密度、物体的尺度及物体间的作用距离。

万有引力和静电力表达方式很相似，从作用距离来看，二者都与距离平方成反比。从作用体的尺度来看，二者也都与物体尺度成正比。但从作用力的密度来看，二者有很大区别。首先引力常数和库仑力常数相差就很大，其次静电力和电荷成正比，万有引力和质量成正比，而单位尺度下的质量却比单位尺度下的电荷也要小很多，因此，静电力的密度要比万有引力的密度大很多个量级。除此之外，万有引力一定是吸引力，而静电力可以是吸引力也可以是排斥力，取决于电荷的

同号或异号。微机电系统结构的尺寸很小，质量也很小。由于万有引力的密度极小，因此对于微机电系统来说万有引力是可以忽略的。与万有引力不同，电磁力的作用却是普遍的和多样的。电磁力中包括静电力、电场力、磁场力、洛仑兹力、多极电场力以及偶极电场力引发的德瓦尔斯力等很多形式。

微机电系统的结构尺寸大多数都在微米量级，有的作用尺寸甚至达到纳米量级。因此，对于微机电系统来说，表面力和线力相对体积力来说起到的作用更明显，如静电力、摩擦力、阻尼力、卡西米尔力等都属于表面力，它们在微机电系统中的重要作用都在不同程度上显现，而安培力属于线力，受尺度的影响最不显著，它在宏观和微观机电系统中，静电力常常可作为一种驱动力来产生电容两极间的相对运动，但当两极板间距较小或电压较大时，两个极板间的静电力也会引起板间的吸合。对于谐振系统，若要使两极板间产生周期振动，则周期性的驱动力是期望的主动动作，而极板间的吸合趋势就是不期望的被动作用。对于表电开关，极板间的吸合是期望的主动作用，未吸合的振动就变为不期望的被动作用。除此之外，微摩擦力和空气阻尼力等也在微机电系统中起着主动或被动的作用。空气阴尼会影响系统的品质因子，但空气阻尼也常常被用来调节品质因子。摩擦力会使微构件很快磨损而导致失效，但摩擦力有时也可用来作为约束或固定。

由于上述的在宏观尺度上被忽略的各种面力，在微观尺度下都显现出来。相对于宏观状态，微机电系统的力学环境发生了很大的变化。当系统特征尺度达到微米或纳米量级时，许多物理现象与宏观状态也有明显不同，当它受不同环境和不同加工过程的影响时，力学参数也会有明显变化。与尺度高次方成正比例的惯性力，电磁力等的作用相对减小，而与尺度低次方成比例的摩擦力、黏性力、弹性力、表面力、静电力的作用相对增大；原来宏观条件下被忽略的毛细力、空气阻尼力、卡西米尔力和德瓦尔斯力等，在微结构的相互作用中已不能再被忽略，因此微机系统是一个多场力作用的系统。另外，虽然微机电系统的基本结构都是固体形态的，但从微尺度角度考虑，温度引起的水滴液体形态和固有的空气气体形态等也都是同时存在的。因此，微机电系统又是一个多相共存的系统。总之，一般来说，从力学作用的角度看，微机电系统是一个多场共存并耦合和多相共存并耦合的系统。因此，微机电系统具有特殊的力学环境。

三、集成电路制造工艺也材料概述

3.1掺杂

定义：将特定杂质参入到半导体规定区域。

目的：改变材料电学性质。

基本方法：扩散法；离子注入法。

3.2外延（常常是用相同材料）

定义：在硅衬底上产生单晶层。

目的：产生不同导电类型、电阻率、不同厚度的隔离、防止击穿电压。

基本方法：气相外延。

3.3薄膜层技术（常常用不同的材料）

定义：形成厚度在~nm m 间的薄膜。

目的：实现特定功能

方法：物理沉积，包括：真空蒸镀；溅工艺。

3.4光刻工艺

光刻工艺过程举例：

图3-1

在图3-1中的是相关的典型步骤：

（a ） 清洁处理、涂敷光刻胶、前烘

（b ） 暴光

（c ） 显影

（d ） 坚膜

（e ） 腐蚀

（f ） 去胶

四、 硅微机械加工工艺

4.1体硅微机械加工工艺

定义：直接在基底材料表面上腐蚀去除材料，形成三维结构。

图4-1

如图4-1中所示，体硅微机械加工艺一般是在硅、碳化硅、石英等材料上采用各向同性、各向异性或者自停止方法得到相应三维结构。

4.2表面硅微机械加工工艺

定义：通过去除薄膜结构下的支撑层来获得可动的机械单元，而不是在衬底下面加工。

硅二氧化硅多晶硅

图4-2

如图4-2所示典型牺牲层腐蚀工艺的具体步骤：

(1)氧化，做体硅腐蚀掩膜层；

(2)光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口；

(3)体硅腐蚀出所需底层结构；

(4)去除SiO2；

(5)生长或淀积牺牲层材料；

(6)光刻牺牲层材料成所需结构；

(7)生长结构材料；

(8)光刻结构材料；

(9)牺牲层腐蚀，释放结构层；

(10)防粘结处理。

五、微系统技术的封装技术

5.1封装的定义与目的：

(1)狭义封装（PKG）

把微裸芯片固定于基板上，用外壳包封在基板上，包封腔灌注树脂或惰性气体，引出I/O接线端子。起防护目的。

(2)系统封装（SIP）

不同功能裸芯片通过微互联技术，混截于一个封装体，完成系统功能集成，对外引出I/O端子和机械固连方式。

封装的目的是把功能集成，并使设备小型化，增强包容性、兼容性，减小信号传输路径。

5.2微系统技术加工的新发展趋势及存在的问题

（1）趋势：

◆低温键合（150℃以下）；

◆防粘附（表面粗糙技术、表面钉台技术）；

◆片上封装（在晶圆上）；

◆特高深宽比（与现有工艺兼容）；

◆传统特种加工进军微系统技术；

◆发展封装技术（已相对独立于IC、微系统技术）。

(2)存在的问题

◆ 层间、焊盘、焊点的界面应力清除问题；

◆ 热胀系数不匹配、残余应力、变形、本征应力清除问题；

◆ 微结构工作过程中热变形；

◆ 结构粘附（由于加工过程中干、湿引起的问题）。

六、 微结构静电场及电场力

6.1无限大平板模型

两个导体可组成一个电容。当在导体上施加一电压时，导体上就会产生电荷。导体形成的电容可定义为

q C u

= 在微机电系统中，许多微结构间都是通过构成电容来工作的。结构间的静电力就是电荷之间库仑力的宏观表现。因此可以应用库仑定律计算结构间的静电力。在实际应用中，一般不去计算点电荷之间的库仑力，取而代之的是计算两导体之间的电势能，然后应用虚位移原理，确定微结构间的静电力。

任意两导体之间储存的能量实际上是电容的能量，可表示为

212

W CU = 无限大平板模型是目前微结构中应用最多的，此模型假设a 、b 相对于d 无限大，即忽略电容的边缘效应，根据电容定义，可求得

ab C d

ε= 利用电势能和虚位移原理可求得平行运动静电力为

22122x W C b F U U a a d

ε??===?? 以及垂直运动静电力为

22122y W C b F U U d d d

ε??===-?? 对于微机电系统中的静电微结构，尺度为微米量级甚至更小，而且由于加工条件限制，a 、b 不能过长，而间距d 不能太小，d 相对于a 、b 不能取无限大，一般不能简单直接应用上述公式，而需要考虑边缘效应带来的影响。另外，由于实际的平行板可能并不真正平行，平行结构的连接还存在拐角。平行板厚度也会影响。因此针对实际问题，需在无限大平板电容模型的基础上，考虑各类效应的影响。

6.2考虑边缘效应模型

基于分离变量法得到的级数解

对于这种模型，采用求解极板间电场分布的拉普拉斯方程来确定极板间的电容，可得如下的电容关系式

()021coth 2421

k k d a b c k πεπ∞=??+????=+∑ 式中，coth 为双曲余切函数。其能量为：212

W CU =。从而有横向驱动力 ()2

220d 121sin 2x k b U F a k d h a επ∞==??+???

?∑ 法向驱动力 ()2

20121sin 2k y W bU F d k d h a a επ∞=?==???+????∑

在求解过程中，电场边界不是完全封闭的，且没有考虑极板厚度对电容的影响，因此上式都不是精确解。

6.3基于保角变换计算式

应用保角变换是求解二维平板电容的一种典型方法，相关文献给出了考虑边缘电场的电容计算式，由于在求解过程中作了近似处理，因此该解析式也是近似解。

0221ln 1ln 1ab b a a C d d d εεπππ??????=+++++?? ????????? 所以，2

12W CU =。横向驱动力为

()22

22212212ln 12x b b d a d F U U d a d a d εεπππ?

?+ ?+??=++++∕∕∕ 在实际应用中，a

d 为10~50，所以上式可以化简为 212x b b d F U d d a d εεπ????=

+ ???+???

? 法向驱动力为 ()2

22212112ln 12y d W abU a d F d d a d a d επππ??+???+==+???+++??????∕∕∕ 对上式静电力进一步简化为

221y abU d F d a d επ?

?=+ ?+??

6.4考虑极板厚度是的边缘效应

平行板电容的模型是假设电荷都附在表面上，并未考虑板厚的影响。这对无限大平行平板是可行的，但对于有限宽度a 的平行板，电荷在板厚的边缘也有分布，因此当厚度较大时，也需要考虑板厚对电容的影响。

由于边缘效应，微机械加工结构的电容比用无限大平板公式计算偏大。要获得精确的微机械加工电容值只能通过泊松方程。

对于一个厚极板电容，电容极板的宽度为a ，极板间距d ，长度为b ，上极板厚度为h ，则电容的近似解析式为

0C C β=

式中，β是一个修正常数，

221ln ln 122d

a d h a d a d πβππ???=++++ ? ??? 0a

b C d ε= 0C 是不考虑边缘效应时的电容。此时横向驱动力为

2122x b b F U d a εεπ??=+ ???

法向驱动力为

2222322222212244y h h h h d d d d d c ab b b F U U U d d d h εεεππ????+++ ? ??==++?上式，经简化整理可得

2

2122y ab d F U d a επ?=++ ? 括号中第三项在0h =是有极小值，当0h > 时，第三项随着h 的增大而单调递

增。当h →∞时，第三项d 2h a

π→ ，即第二项与第三项相等，显然只有当2d a π= 时，边缘电容的影响才可以忽略不计。

七、 毛细力

毛细管插入液体中时，液体沿管径上升或下降一定的高度，这就是毛细现象。

能够产生

明显毛细现象的管叫做毛细管。

液体之所以能在毛细管上升或下降是因为液体表面类似紧的橡皮膜，如果液面是弯曲的，它就有变平的趋势。因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力。浸润体在毛细管中的液面是凹形的，它对下面的液体施加拉，使液体沿着管壁上升，当向上的拉力跟管液柱所受的重力相等时，管的液体停止上升，达到平衡。同样的分析也可以解释不浸润液体在毛细管下降的现象。

7.1毛细力在平行板间的作用

在微表面加工艺中，当牺牲层被刻蚀完成以后，器件要用去离子水清洗刻蚀剂及刻蚀物，从去离子水中取出时，在两个平行平面间形成一个“液体桥”界面。即使加工中不存在“液桥”，由于湿度的作用在微结构的间隙间也容易形成“液桥”。液桥的形成也是毛细作用的结果，而引起毛细现象的原因说到底都是来源于分子间相互作用的表面力。表面力σ是界面上每单位面积的自由能，即形成单位表面所需的功。

如图7.1所示，在平行板之间形成一液桥。根据拉普拉斯公式，液桥会产生单位面积的拉普拉斯压力，大小为

1

12

11

P P

r r

ν

σ

??

-=+

?

??

图7.1

式中，σ为液面的表面力，1

r

，2

r

为表示液体表面的两个曲率半径，θ为接触角。

然而，在微机械结构中，横向尺寸常常比纵向尺寸大得多，因此12

r r

?

，同时若设两板间距离为l，则上式的表达式可以简化为

1

1

2cos

P P

r l

ν

σσθ

-==

式中，θ为液体在固体表面上的接触角；l是两平行板的距离，12cos

l rθ

=

。

当液桥的上下平板不是同一种材料时，其对应的接触角也可能不一样，此时的拉普拉斯方程可写为

()

12

1

cos cos

P P

l

ν

σθθ

+

-=

该式的液桥拉普拉斯压力表明，在气压界面处，气压大于液桥液体的压力，形成向的合压力。设该向的合压力为l P α ，则有l v l P P P α=- 。

接触角一般和液体的润湿性及固体表面的粗糙度有关。液体水和固体玻璃形成的接触角一般只有十几度。而对不润湿液体，其接触角可以是钝角。

在表面微型机械结构的制造过程中，较强的毛细相互作用常使得组成这些结构的微桥、微梁与基底粘附而导致失效。而在微尺度试验中，微桥与微梁又是微尺度材料常数和性能检测时常用的试件样式，如果实验中加载端与被检测的微尺度试件发生毛细粘附，将直接影响检测数据的准确性。对于梳齿结构的谐振器等器件来说，若相对温度大而形成液滴，则这种液滴就会在齿间产生液桥，进面坚齿间的相对运动产生阻力或粘附力。

对于微机电系统结构来说，如果封装不好，在65％相对湿度下水就开始毛细凝聚。毛细力的作用下，如果结构的恢复力不强的话，微结构中的梁就会和底座间发生粘连。此外，当有水气凝聚时，除长程的毛细引力外，微结构中还有由氢键、化学键及金属键引起的短程作用，致使微结构发生粘连。为避免由于加工过程产生的水气导致毛细力的作用进而引起微机电结构失效，了解毛细力的产生过程并加以适当的干燥方法是必要的。