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MEMS 的主要工艺类型与流程（LIGA 技术简介）目录O、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O、引言一、什么是MEMS技术1、MEMS的概念MEMS 即 Micro-Electro-MechanicalSytem，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1um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某射线深度光刻、微电铸、微铸 塑的 LIGA(Lithographgalvanfomungundabformug)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 技术特点是：小尺寸、多样化、微电子等1) 微型化：MEMS体积小(芯片的特征尺寸为纳米/微米级)、质 量轻、功耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短例如，一个压力成像 器的微系统，含有1024 个微型压力传感器，整个膜片尺寸仅为 10mm 某 10mm，每个压力芯片尺寸为50um某50um2) 多样化：MEMS包含有数字接口、自检、自调整和总线兼容等功 能，具备在网络中应用的基本条件，具有标准的输出，便于与系统集成在 一起，而且能按照需求，灵活地设计制造更多化的 MEMS3) 微电子化：采用MEMS工艺，可以把不同功能、不同敏感方向或 致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感阵列、微执行 器阵列甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。

微传感器 微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的微电子机械 系统4) MEMS 技术适合批量生产：用硅微加工工艺在同一硅片上同时可 制造出成百上千微型机电装置或完整的MEMS,批量生产可大大降低生产 成本5) 多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动 控制、物理、化学和生物等多学科，并集约当今科学发展的许多尖端成果2、MEMS 研究的历史MEMS技术被誉为21世纪带有革命性的高新技术，它的诞生和发展是 “需求牵引”和“技术推动”的综合结果随着人类社会全面向信息化迈进，信息系统的微型化、多功能化和智 能化是人们不断追求的目标，也是电子整机部门的迫切需求信息系统的 微型化不仅使系统体积大大减小、功能大大提高，同时也使性能、可靠性 大幅度上升，功耗和价格却大幅度降低目前，信息系统的微型化不单是 电子系统的微型化，如果相关的非电子系统小不下来，整个系统将难以达 到微型化的目标电子系统可以采用微电子技术达到系统微型化的目标，而对于非电子 系统来说，尽管人们已做了很大努力，其微型化程度远远落后于电子系统 这已成为整个系统微型化发展的瓶颈MEMS 技术设计微电子、微机械、微光学、新型材料、信息与控制， 以及物理、化学、生物等多种学科，并集约了当今科学技术的许多高新技 术成果。

在一个衬底上将传感器、信号处理电路、执行器集成起来，构成微电 子机械系统，是人们很早以来的愿望这个技术在1987 年被正式提出， 并在近 10 年来取得了迅速发展推动力可归纳为以下3点：（1）以集成电路为中心的微电子学的飞跃进步提供了基础技术在 过去的 40 年中，集成电路的发展遵循摩尔定律，即按每3 年特征尺寸减 小0.7倍、集成度每3年翻一番的规律发展据分析，IC特征尺寸的指 数减小规律还将继续10~20年目前，IC 工艺已进入超深亚微米阶段， 并可望到2022年达到0.05um，将研制生产巨大规模集成电路（GSI集成 度大于109）和单片系统集成（SOC）°IC的发展将为研制生产MEMS提供 坚实的技术基础2） MEMS 的发展始于 20 世纪 60 年代，是微电子和微机械的巧妙结 合MEMS的基础技术主要包括硅各向异性刻蚀技术、硅/硅键合技术、表 面微机械技术、LIGA技术等，已成为研制生产MEMS必不可少的核心技术 尤其是 20 世纪 90 年代开发的 LIGA 技术，成功地解决了大深宽比光刻的 难题，为研制开发三维微机械的加速度传感器、微型陀螺以及各类微执行 器、微型构件如微马达、微泵、微推进器、微振子、微电极、微流量计等 奠定了工艺技术基础。

3） 新材料、微机械理论、加工技术的进步，使得单片微电子机械 系统正在变为现实由于 MEMS 技术的发展迅速，1987 年决定把它从 IEEE 国际微机器人与过程操作年会分开，单独召开年会目前在美、日、欧三 地每年轮回一次3、MEMS 技术的研究现状我国 MEMS 的研究始于二十世纪八十年代末经过十多年的发展，我 国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基 础和技术储备，初步形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区其中,北京大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部开发出4种 MEMS 全套加工工艺和多种先进的单项工艺，已制备出加速度计样品，并 已开始为国内研究 MEMS 单位提供加工服务上海交通大学所属微米/纳米 加工技术重点实验室分部可以提供非硅材料的微加工服务，如LIGA技术 制作高深宽比微结构的基本加工技术、紫外深度光刻（UV-LIGA）、高深宽 比微电铸和模铸加工、功能材料薄膜制备等电子部十三所研究的融硅工 艺也取得了较大进展，制备出微型加速度计和微型陀螺样品1995 年，国家科技部实施了攀登计划“微电子机械系统项目” (1995~1999)1999 年，“集成微光机电系统研究”项目通过了国家重 点基础研究发展规划的立项建议。

经过十年发展，我国已开展了包括微型 直升飞机，力平衡加速度传感器、力平衡真空传感器、微泵、微喷嘴、微 马达、微电泳芯片、微流量计、硅电容式微麦克风、分裂漏磁场传感器、 集成压力传感器、微谐振器和微陀螺等许多微机械的研究和开发工作美国开发的基于MEMS光开关的路由器已经试用，预示着MEMS发展又 一高潮的来临目前部分器件已经实现了产业化，如微型加速度计、微型 压力传感器、数字微镜器件(DMD)、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等， 并且应用领域十分广泛1992 年“美国国家关键技术计划”把“微米级和纳米级制造”列为 “在经济繁荣和国防安全两方面都至关重要的技术”美国国家自然基金 会(NSF)把微米/纳米列为优先支持的项目美国国防部先进研究计划署 (DARPA)制订的微米/纳米和微系统发展计划，对“采用与制造微电子器件 相同的工艺和材料，充分发挥小型化、多元化和集成微电子技术的优势， 设计和制造新型机电装置”给予了高度的重视日本在1992 年启动了 2.5 亿美元的大型研究计划“微机械十年计划”在MEMS的重点研究单位UCBerkeley成立了由多所大学和企业组成的 BSAC (BerkeleySenorandAc tua tor)。

ADI公司看到了微型加速度计在汽 车领域应用的巨大前景，通过引入表面牺牲层技术，并加以改造，使微型加速度计的商品化获得巨大成功美国在发展初期确定军事应用为主要方向，侧重以惯性器件为代表的MEMS 传感器的研究；日本重点发展进入工业狭窄空间微机器人、进入人 体狭窄空间医疗微系统和微型工厂欧洲则重点发展uTAS（MicroTotalAnalyiSytem 全微分析系统）或 LOC （LabonChip 芯片实 验室）二、MEMS技术的主要工艺与流程1、体加工工艺体加工工艺包括去加工（腐蚀）、附着加工（镀膜）、改质加工（掺 杂）和结合加工（键合）主要介绍腐蚀技术腐蚀技术主要包括干法腐 蚀和湿法腐蚀，也可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀1） 干法腐蚀是气体利用反应性气体或离子流进行的腐蚀干法腐 蚀可以腐蚀多种金属，也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性刻蚀 又可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或MEMS工艺常用设备按刻蚀原 理分，可分为等离子体刻蚀（PE： PlamaEtching）、反应离子刻蚀（RIE： Reac ti onlonE tching ）和电感耦合等离子体刻蚀（ICP：InduetionCouplePlamaEtching）。

在等离子气体中，可是实现各向同性 的等离子腐蚀通过离子流腐蚀，可以实现方向性腐蚀2） 湿法腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度 的腐蚀液体里进行的腐蚀硅的各向同性腐蚀是在硅的各个腐蚀方向上的 腐蚀速度相等比如化学抛光等等常用的腐蚀液是HF-HN03腐蚀系统， 一般在HF和HNO3中加H20或者CH3COOH与H20相比，CH3COOH可以在 更广泛的范围内稀释而保持HNO3的氧化能力，因此腐蚀液的氧化能力在 使用期内相当稳定硅的各向异性腐蚀，是指对硅的不同晶面具有不同的 腐蚀速率比如， {100}/{111}面的腐蚀速率比为100 ： 1 基于这种腐蚀 特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构各向异性腐蚀剂一般分为 两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW （乙二胺，邻苯二酸和水）和联胺等 另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如：KOH, NaOH, LiOH, COH和 NH4OH 等在硅的微结构的腐蚀中，不仅可以利用各向异性腐蚀技术控制理想的 几何形状，而且还可以采用自停止技术来控制腐蚀的深度比如阳极自停 止腐蚀、PN结自停止腐蚀、异质自停止腐蚀、重掺杂自停止腐蚀、无电 极自停止腐蚀还有利用光电效应实现自停止腐蚀等等。

2、硅表面微机械加工技术美国加州大学 Berkeley 分校的 SenorandActuator 小组首先完成了三 层多晶硅表面微机械加工工艺，确立了硅表面微加工工艺的体系表面微机械加工是把 MEMS 的“机械”（运动或传感）部分制作在沉 积于硅晶体的表面膜（如多晶硅、氮化硅等）上，然后使其局部与硅体部 分分离，呈现可运动的机构分离主要依靠牺牲层（SacrificeLayer）技 术，即在硅衬底上先沉积上一层最后要被腐蚀（牺牲）掉的膜（如SiO2 可用 HF 腐蚀），再在其上淀积制造运动机构的膜，然后用光刻技术制造 出机构图形和腐蚀下面膜的通道，待一切完成后就可以进行牺牲层腐蚀而 使微机构自由释放出来硅表面微机械加工技术包括制膜工艺和薄膜腐蚀工艺制膜工艺包括 湿法制膜和干式制膜湿法制膜包括电镀（LIGA工艺）、浇铸法和旋转 涂层法、阳极氧化工艺其中LIGA 工艺是利用光制造工艺制作高宽比结 构的方法，它利用同步辐射源发出的某射线照射到一种特殊的 PMMA 感光 胶上获得高宽比的铸型，然后通过电镀或化学镀的方法得到所要的金属结 构干式制膜主要包括 CVD （ChemicalVaporDepoition）和 PVD （PhyicalVaporDepoition）。

薄膜腐蚀工艺主要是采用湿法腐蚀，所以 要选择合适的腐蚀液3、结合技术。