详细的MEMS材料和制造技术

微机电系统(简称MEMS)是一种工业技术,将微电子技术与机械工程融合在一起。其工作范围在微米范围内。 MEMS在日本被称为微机械,在欧洲被称为微系统技术(MST)。

微机电设备的尺寸通常在20微米至1毫米之间。它们通常包含一个微处理器和许多获取外部信息的微型传感器。微机电系统处理技术是从半导体处理技术转变而来的,因此可以在实践中使用,通常用于制造电子设备。微机电系统具有多种原材料和制造技术,可根据不同的性能要求(例如应用和市场)进行选择。

一,MEMS材料

1,硅

silicon硅是用于制造集成电路的主要原材料。由于在电子行业制造微小结构方面已经有许多实际的硅制造经验,因此硅也是MEMS的非常常见的原材料。硅的物理性质也具有某些优点。单晶硅符合胡克定律,几乎没有弹性滞后,因此几乎不消耗能量,其运动特性非常可靠。此外,硅不易断裂,因此非常可靠,使用寿命可达数万亿次。

通常,MEMS的生产方法是在基板上沉积一层材料,然后使用光刻和蚀刻将其形成各种所需的结构。

2,高分子材料

尽管电子行业在硅加工方面的经验非常丰富和宝贵,并提供了巨大的经济效益,但纯硅仍然非常昂贵。聚合物材料非常便宜,并且具有多种特性。使用注射成型,压纹和三维光固化成型等技术,也可以使用高分子材料制造微机电系统。这样的系统对于诸如便携式血液测试设备的微流体应用特别有益。

3.金属

hen金属也可用于制造MEMS。尽管金属与硅相比缺乏其良好的机械性能,但是在金属的适用范围内它是非常可靠的。

二,MEMS加工技术

①,传统加工方法

传统的加工方法是指使用大型机器制造小型机器,然后使用小型机器制造微型机器。它可用于处理某些特殊场合下使用的微机械设备,例如微操纵器和微工作台。

日本代表了传统的加工方法。日本对MEMS的研究重点是超精密加工,因此它们使传统加工更加小型化。

这种加工方法可分为两类:超精密加工和特殊的微加工。超精密加工使用金属作为加工对象,并使用硬度高于加工对象的硬度的工具来切割目标材料,所得到的三维结构尺寸可以小于0.01mm。这项技术包括金刚石工具的微切削,微钻,微铣削以及微研磨和磨削。

特殊的微加工技术是通过直接加工能量来实现分子或原子一样小的切割过程。特殊处理是利用能量形式,例如电能,热能,光能,声能和化学能。常见的加工方法有:电火花加工,超声加工,电子束加工,激光加工,离子束加工和电解加工。超精密加工和特殊的微加工技术具有微米和亚微米的加工精度。它可以批量生产模量仅为0.02的齿轮之类的微机械部件,以及无法通过其他加工方法制造的复杂微结构器件。

②,基于硅的MEMS技术

以美国为代表的美国基于硅的MEMS技术使用硅蚀刻或集成电路工艺技术来处理硅材料,以形成基于硅的MEMS器件。该方法与传统的IC工艺兼容,适用于低成本的批量生产。它已成为基于硅的MEMS技术的主流。

当前的基于硅的微加工技术可分为体微加工技术和表面微加工技术。

体微加工技术:

胎体微加工技术是用于处理硅基板的技术。通常,使用各向异性化学蚀刻,并且单晶硅的不同晶体方向的腐蚀速率是各向异性的,以进行腐蚀以产生不同的微机械结构或微机械零件。其主要特征是硅的腐蚀速率与硅的晶体取向,掺杂浓度和外加电势有关。

另一种常用的技术是电化学腐蚀,现已发展为电化学自停止腐蚀。它主要用于硅腐蚀以制备薄而均匀的硅膜。使用这项技术,可以制造出精确的MEMS三维结构。

cas体微加工技术主要通过硅的深蚀刻和硅晶片的整体键合来实现,可以将几何尺寸控制在微米级别。可以在大型硅晶片上执行各向异性化学蚀刻,从而使MEMS器件能够高精度地批量生产,同时消除了由磨削加工引起的残余机械应力,并提高了MEMS器件的稳定性和成品率。

表面微加工技术:

表面微细加工技术是根据某些要求在硅晶片的正面形成薄膜并对薄膜进行加工以形成微结构的技术。所有处理仅涉及硅晶片的正面。它由加利福尼亚大学伯克利分校于1980年代开发。它使用多晶硅作为结构层,使用二氧化硅作为牺牲层。表面微加工技术与集成电路技术最相似。它的主要特征是在“薄膜+沉积”的基础上,使用常见的IC工艺(如光刻和蚀刻)来制备微机械结构。最后,使用选择性蚀刻技术来释放结构单元。可移动的2D或3D结构。

该技术可用于沉积二氧化硅膜,氮化硅膜和多晶硅膜。金属膜如铝,钨,钛和镍可以通过蒸发和溅射涂层制备。薄膜处理通常使用光刻技术,例如紫外线光刻,X射线光刻,电子束光刻和离子束光刻。通过光刻将设计的微机械结构图转移到硅晶片上,然后通过等离子体蚀刻和反应离子蚀刻对多晶硅膜,氧化硅膜和各种金属膜进行蚀刻,以形成微机械结构。

该技术避免了批量微制造所需的双面对准和背面腐蚀等问题,与集成电路技术兼容,并且具有成熟的工艺,可以在直径为几十微米的单晶硅基板上产生数百批。毫米。 MEMS设备。

③,深蚀刻技术

深蚀刻技术是指将深的反应离子蚀刻到硅芯片中,然后将其蚀刻到芯片内部的牺牲层,并在蚀刻完成后被蚀刻掉,从而使原来埋在芯片内部的结构可以自由移动。

深度蚀刻技术是LIGA的一种微加工方法。 LIGA方法是指一种综合的微机械加工技术,包括同步X射线深光刻,微电铸模和注射复制等主要工艺步骤。

使用LIGA技术可以加工各种金属,塑料,陶瓷和其他材料,以获得高纵横比的精细结构,并且加工深度可以达到数百微米。

与其他三维微加工技术相比,LIGA技术具有以下特征:

制作三维三维结构,高度为数百至1000μm,长径比大于200,且侧壁平行于亚微米范围偏移;

没有对微观结构的侧面形状的限制,侧面尺寸可以小至0.5μm,精度可以达到0.1μm;

混凝土被广泛使用。金属,合金,陶瓷,玻璃和聚合物均可通过LIGA进行加工。

微电铸与铸造的巧妙结合可以实现低成本的大规模复制生产。

LIGA的主要工艺步骤如下:在进行X射线掩模光刻和X射线深光刻之后,进行微电铸以生产微复制模具,并用于进行微复制过程和二次微复制。进行电铸,然后使用微型铸造技术大规模生产微型设备。

由于LIGA所需的同步X射线源相对昂贵,因此已经在LIGA的基础上创建了准LIGA技术。它使用紫外光源代替同步X射线源。尽管它不能达到LIGA加工的技术性能,但它也可以满足微加工。许多要求。上海交通大学和北京大学开发的具有自主知识产权的DEM技术也是LIGA技术之一。该技术使用电感耦合等离子体深蚀刻来代替同步加速器X射线深光刻,然后执行常规的微电铸和微复制工艺。这项技术不需要昂贵的同步加速器X射线源和特殊的X射线掩模。具有广阔的应用前景。

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