一文解读微机电系统的基础知识

被称作微系统的微机电系统, 也就是 Micro– , 即 MEMS, 是一项处于微尺度状况下达成机械结构跟电子电路融合的技术体系, 还是物联网技术切实落地进程里的关键支撑技术中的一种。现在要说说微机电系统的装配构成, 技术给予依靠, 制造筹备以及将来发展趋向。

一类技术系统, 它被称作微系统, 叫微机电系统, 也就是MEMS, 是Micro–的那种, 在微尺度之下达成机械结构跟电子电路整合, 还是物联网技术落实进程里核心支撑技术中的一个。

含有加速度传感器、陀螺仪、压力传感器、微型反射镜、喷墨打印头、麦克风以及扬声器等的器件, 属于典型的MEMS器件。这类器件在制造以及组装的时候, 大多采用半导体工艺, 其核心是晶片级集成的MEMS芯片, 此芯片会把微机械结构与电子电路整合在同一个基底上, 进而形成有着完整功能的微型器件。

现阶段, 称作关键电子元件的MEMS, 已被广泛渗透进多个领域, 这些领域涵盖家用电器, 汽车电子, 物联网终端, 通信设备以及医疗器材等。

MEMS跟集成电路（IC）于制造工艺以及微小型化技术范畴之内有着诸多的共性之地, 可是这二者在其功能定位方面, 在其工作原理那里, 在其应用场景所处的地方, 所表现出的差异是相当显著的。

由晶体管、电容器、电阻器等纯电子元件所构成的集成电路, 其核心作用在于达成电信号的处理、控制、逻辑运算以及数据存储, 它乃是电子设备的“信息处理核心”。

因为MEMS把物理运动以及物理量测量当作核心功能, 它是由传感器也就是信号感知单元, 和执行器也就是驱动单元构成的, 着重达成“物理量 – 电信号”的转换或者机械动作的驱动。从结构以及形态方面来讲, MEMS的应用场景致使其外观、内部构造以及尺寸有着比较大的差异, 小到微米级别的传感器芯片, 大到集成化的微型执行机构, 都在MEMS的范畴之内。它的典型应用除了前面提到的传感器及声学器件之外, 还涵盖微型阀门、光开关等功能组件。

有一种形象的类比能够助力理解二者的定位, 要是把专注于信息处理以及存储功能的集成电路比作人体的大脑, 那么兼具机械运动与传感功能、拥有各类物理作用的MEMS, 就好像人体的运动系统与感觉器官, 前者承担信息的运算和记忆, 后者负责环境感知与动作执行, 二者协同支撑现代电子设备综合功能的达成。

微机电系统的定义与核心构成

微机电系统之中, 关键的物理尺寸那是小到远远不足1微米, 大到能有数毫米。要判断是不是微机电系统, 核心在于看其衬底之上是不是至少含有部分具备机械功能的元件, 不管这些元件能不能运动。它所拥有的器件类型十分多样, 存在着没有机械运动元件的简单结构, 还有把微电子技术与微机械结构集成于同一硅衬底之上的复杂机电系统。

微机电系统的关键构成部分是微型传感器, 微型传感器属于“换能器”, 它能够把一种能量形式转变成另一种能量形式。微机电系统还有微型执行器, 微型执行器同样属于“换能器”, 它也能够将一种能量形式转换为另一种能量形式。

微型传感器能起到感知环境的功效, 其能够把温度、压力、惯性力、化学物质、磁场、辐射等物理或者化学信号, 转变为电信号或者光信号。在过去几十年当中, 研究人员研发制作出了对应近所有传感模态的微传感器, 好多微传感器的性能超越了宏观的同类产品。就像微机电系统级压力传感器, 在精度、响应速度等方面呈现出更优的表现。

它参考集成电路也就是IC产业的大规模制造技术方式, 于确保性能得以维持的情况下, 极大程度降低了单个器件的成本价格, 基于硅质的分立型微传感器达成了商业化的目标, 与之相关的市场环境依旧处于增长态势之中。

微型执行器, 作为微机电系统里的执行部件, 其体型微小, 却能产生宏观层面上的影响。现今已开发出多种微执行器, 其中有控制气体以及液体流动状况的微型阀门, 还有改变光束方向的光学开关与反射镜, 另外还有用于显示之用的独立控制微镜阵列, 适用于多种场景条件的微谐振器, 能够产生正流体压力的微型泵, 以及调节机翼气流情况的微型襟翼等等。

研究人员在飞机机翼前缘装上小型微执行器, 仅凭借这些微型器件达成了飞机转向控制, 这款飞机在高速飞行之际, 能够以近乎一个机翼半径的转弯半径来完成180度的转向操作。

只有当微型传感器、微型执行器跟集成电路于同一衬底上进行集成时, 微机电系统的潜力才能够得以充分发挥。传感器负责收集环境信息, 电子设备会对信息加以处理和制定决策, 执行器依据决策去执行操作从而改变环境状态。正是这种协同模式使得微机电系统成为物联网的重要构成部分, 如同“眼睛、耳朵、鼻子”那般, 持续地进行收集、存储、处理以及交换信息, 与其他联网设备相互配合来完成对环境的感知与控制。

微机电系统技术的核心特性

微机电系统技术具备自身所拥有的特点, 这些特点使得它于许多领域之中发挥关键重要的作用。

它运用类集成电路工艺去制造, 能够把多种功能集成于单个微芯片之上。微型传感器有着集成能力, 微型执行器具备集成能力, 微型结构同样拥有与微电子技术的集成能力, 这不但提升了产品的功能密度, 还为物联网的实现给予了重要支持。

从成本角度而言, 它参考了集成电路领域的批量化制造工艺, 尽管生产设备与每片晶圆的起始开支不算是低廉的程度, 然而借助大批量生产的方式, 成本能够分摊至众多芯片上, 使得复杂微型机电系统的单个器件或者微芯片成本大幅下降, 正是这种低开销特质, 致使微机电系统能够大规模地进行布置, 在维护以及更换之际也更具备经济实惠性。

凭借集成电路制造技术, 凭借硅及其他多种薄膜材料的机械优势, 二者相结合, 使得微型机电产品稳定性大幅提升, 耐用性大幅提升, 这便是微机电系统的一大优势。硅作为核心材料, 其屈服强度接近不锈钢, 在工程材料里, 强度重量比名列前茅, 为微机电系统具备高可靠性奠定基础。

微机电系统有着显著特征, 那便是微型化, 微型化也就带来了相当多的好处。好处之一是让产品的便携属性得到提升, 好处之二是使产品的功耗得以减低, 好处之三是能够在不额外增加产品重量的情形下, 于更小的空间范围之内集成更多的功能。与此同时, 信号路径的缩短以及功能的高密度集成, 又进一步促使机电系统的整体性能获得提升。

微机电系统的技术基础

（一）微传感器技术

微传感器得以实现, 是基于电阻式, 基于磁式, 基于光电导式, 基于压阻式, 基于压电式等多种物理原理, 而这些原理, 已经在微机电系统器件当中成功获得应用。

压阻材料的电阻, 会随着所施加的那种机械应变而发生变化了, 这样的一种现象于半导体当中, 是尤为明显突出。应变呢可以改变材料的电子能带其结构, 进而对载流子散射率以及传输方向产生影响喏。应变系数可是压阻材料的关键指标, 它被定义为电阻的归一化变化量与之应变的比值, 是在某些配置情况之下, 硅存在的应变系数能够达到200, 然而金属电阻的应变系数通常仅仅是2至5。

压阻传感器的电阻, 也就是应变传感元件, 通常被放置在柔性表面或者结构上, 微机械加工技术能够选择性地去除衬底材料, 以此降低器件传感区域的刚度, 这类传感器常常应用于汽车、医疗以及工业控制市场。

图1两种利用半导体中的压阻效应制成的微系统硅微传感器

在微机电系统传感器里头, 电容式传感由于其结构简洁, 所以应用十分广泛。对于两端器件所拥有的电容C而言呢, 它能够依靠公式C=(ε_0×ε_r×A)/d来进行计算, 这里面ε_0代表的是真空介电常数, ε_r指的是电极间材料的相对介电常数, A是电容面积, d是电极间距。电容式传感器达成传感主要借助五种方式来达成: 其一为改变电极间距；其二呀是改变中心电极相对于两个外部电极的位置从而实现差分测量；其三是改变电极重叠面积；其四是改变电极的差分重叠面积；其五呀是改变电介质在电极间空间的位置（就如同图2所展示的那样）。

图2电容器用作传感元件的不同配置方式

压电效应是制造微传感器的重要物理现象, 它是指机械应变在材料里产生电极化, 也就是电势, 施加电场则会在材料中诱导出机械应变, 前者用于传感器, 后者常被用于执行器。硅和锗属于有中心对称的晶体, 没有压电效应, 除非有应变诱导, 石英、锆钛酸铅, 也就是PZT、氧化锌, 即ZnO等没有对称中心的材料有着压电特性, 其中PZT和ZnO能够通过薄膜形式沉积在衬底上, 用于微机电系统制造。

压电微机电系统扬声器横截面结构示例

（二）微执行器技术

微机电系统执行器得以实现, 是基于静电式原理, 基于压电式原理, 基于磁式原理, 基于双金属式原理, 基于形状记忆合金（SMA）式等多种原理, 每种原理都各自具备特点, 需要依据应用场景来进行选择。

静电驱动借助两个带有相反电荷的极板之间的相互吸引力, 当施加电压V之时, 极板间所产生的力F能够依据公式F=(ε_0×ε_r×A×V^2)/(2×d^2)进行计算, 其中参数含义和电容公式一致。这种驱动方式便于制造, 并且能够与电子设备集成, 功耗低, 机械带宽高。不过, 力会随着位移以及施加电压呈非线性变化, 所产生的力相对较小, 工作电压或许较高。

双金属式微执行器凭借两种不同材料热膨胀系数的差异来开展工作, 由两种材料制成的复合结构, 在被加热以后, 会产生热诱导应力, 倘若结构具备足够的柔性就会出现弯曲, 其热应变能够借助公式。

进行计算, 当中αfilmA是顶层薄膜的热膨胀系数, αfilmB是底层薄膜的热膨胀系数, 是双金属元件的温度, 是环境的温度。

这类执行器能够达成合理的位移量, 其偏转和功率呈现线性关系, 然而加热功耗较高, 机械带宽较低, 设计以及制造相对复杂, 并且对环境条件敏感。在薄的柔性硅悬臂梁之上沉积铝薄膜, 借助铝层通电焦耳加热, 这样便能够制成简单的双金属微执行器, 由于两种材料膨胀系数存在差异, 悬臂梁会出现弯曲。

制造微执行器常用的材料是形状记忆合金（SMA）, 它加热时会出现马氏体向奥氏体的相变, 还会恢复到无应变状态, 也就是具有记忆效应。当作为执行器使用时, SMA在室温下处于马氏体相并且无应变, 在室温下施加应变后, 通过加热引发相变, 便能实现应变恢复, 进而产生较大的执行器能量密度。

SMA能以溅射沉积方式, 于硅晶圆之上形成薄膜, 一般借助焦耳加热, 其具有记忆效应, 该效应呈现可逆特性, 能够被重复使用, 它具备能量密度高的特点, 可达成超过8%的大恢复应变, 然而它存在功耗高的状况, 并且机械带宽较低, 其加工过程较为复杂, 在高应变水平时反复循环的话, 有可能出现疲劳。

（三）微机电系统常用材料

制造微机电系统器件的材料有半导体, 还有金属, 也包括玻璃, 以及陶瓷和聚合物等。微机电系统器件要满足电学方面功能需求, 要满足机械方面功能需求, 要满足化学方面功能需求, 要满足热学等多方面功能需求。所以选择材料的时候, 需要综合考量其电学特性, 还要综合考量其非电学特性。

硅材料, 硅是微机电系统里极为常用的材料, 相关的基础设施以及知识体系成熟, 并且机械性能出色, 屈服强度近乎不锈钢, 强度重量比在工程材料当中位居前列。然而硅存在局限性, 应变一旦超过极限就会出现灾难性失效, 而且具有各向异性, 材料特性会依据晶体轴相对于载荷的取向而产生变化, 这些均需要在器件设计时予以考虑。

在薄膜材料方面, 除了单晶硅之外, 多晶硅、氮化硅、沉积玻璃以及铝等这类薄膜材料, 也在微机电系统制造当中有着广泛的应用, 这些薄膜, 通常是借助化学气相沉积, 也就是CVD工艺, 像低压化学气相沉积, 即LPCVD, 还有等离子体增强化学气相沉积, 也就是PECVD, 或者是通过物理气相沉积, 即PVD方法, 比如蒸发、溅射来进行沉积的。

其中多数薄膜沉积的众多技术具备成本效益高的特性, 属于微电子制造里热门的选择, 然而通常会生成较大的残余应力以及应力梯度, 这给具备机械功能的微机电系统器件制造带来了挑战。薄膜的残余应力以及应力梯度跟材料类型、沉积温度、沉积方法还有衬底材料有关联, 其数值范围能够从高度压应力延伸至高度拉应力。

工艺条件以及流程, 在制造过程里会对材料特性高度依赖, 特别是机械特性, 薄膜沉积之后的残余应力, 于后续热加工步骤当中, 有可能发生非常显著的变化, 并且, 每种微机电系统器件, 一般都有着定制化的工艺流程, 薄膜最终的应力值, 很难提前进行预测, 所以, 微机电系统器件的开发以及制造, 需要和材料特性测量一起同步开展, 借助迭代优化设计, 这同样让开发时间以及成本有所增加。

另外, 薄膜材料特性的测定存有困难, 像是没办法把薄膜从衬底剥离开之后开展载荷 – 挠度测量, 然当前在微机电系统领域已设计出多种测试结构的情况下其可拿来测量关键材料特性。

（四）微机电系统设计工具

相较于集成电路设计而言, 微机电系统设计更为复杂。集成电路领域之中制造工艺技术以及设计规则相对成熟, 设计人员把这二者整合进计算机辅助设计工具里, 再仅考虑电学效应, 如此便能够开展设计工作, 并且相关工具预测器件性能时的准确性比较高。

微机电系统设计存在多重问题呢, 要针对每一种器件类型去研发定制化工艺流程, 在流程确定以前设计规则是未知的, 材料特性取决于未知的工艺流程以及条件, 好多微机电系统器件会同时展现出电学、机械、热学、化学等诸多物理现象, 进而形成强耦合场, 并且微机电系统设计人员还得拥有深厚的制造工艺知识。

工艺建模工具跟集成电路行业使用的工具大体相同, 它能够协助设计人员去创建工艺模型以及掩模图形, 借助数值技术来仿真加工步骤, 然而它预测机械材料特性的能力比较弱, 它的核心优势当中的一个是可以创建器件的三维渲染图。

有物理层面的设计工具, 它借助偏微分方程来对真实三维连续体里的组件行为予以建模, 其涵盖解析工具以及数值工具, 像有限元法、边界元法、有限差分法这种, 多数是宏观设计当中数值建模工具的改进后的版本, 是这样子的。

器件级模型属于宏模型或者降阶模型, 它能够在有限的范围之内捕捉组件的物理行为, 并且与系统级模型相互兼容, 系统级模型是高层次的框图以及集总参数模型, 它把系统描述成一组耦合的常微分方程。

微机电系统的制造方法

微机电系统制造, 融合了集成电路领域的成熟技术, 像氧化、扩散、离子注入、低压化学气相沉积（LPCVD）还有溅射这些, 也结合了专业化的微机械加工工艺, 其工艺技术具备定制化特性, 拥有多样化加工能力。

用途广博能够普遍运用的微机电系统设备, 跟属于集成电路的芯片相类似, 这二者皆是借助半导体技术而制造出来的。

（一）前端制造工艺

古老的微机械加工技术是体微机械加工, 微型机械组件借助选择性去除衬底材料来实现, 化学、物理或者化学机械方法均可采用, 其中湿法化学体微机械加工在工业界有着广泛应用。

常用的体微机械加工技术, 有种是化学湿法蚀刻, 要把衬底浸到反应性化学溶液里, 这样暴露区域就能被蚀刻, 而且是以可测量的速率被蚀刻。它的蚀刻速率高, 选择性也是高的, 还能够通过调整蚀刻溶液成分、温度、衬底掺杂浓度、晶面等等参数去优化工艺。它的基本机理包含反应物传输、表面反应、反应产物传输这三个步骤, 依据速率限制步骤的不一样, 分成“扩散限制型”, 这种可通过搅拌提高速率, 还有“反应速率限制型”, 它的重复性和蚀刻速率更优, 在实际应用里更常用。

体微机械加工里的化学湿法蚀刻, 主要被划分成各向同性湿法蚀刻以及各向异性湿法蚀刻, 各向同性湿法蚀刻的速率跟衬底晶体取向没啥关系, 蚀刻是在各个方向均匀开展的, 硅最常用的蚀刻剂是硝酸也就是HNO₃、氢氟酸也就是HF和乙酸也就是HC₂H₃O₂的混合溶液, 反应式是Si+HNO3+HF→+NO+H2O, 该反应由于亚硝酸的再生有着自催化特性, 并且需要在剧烈搅拌的情况下进行以便确保横向与垂直蚀刻速率一致。它的掩模材料常常是二氧化硅以及氮化硅, 当中氮化硅由于蚀刻速率更为低故而更加常用。

衬底晶体取向会对各向异性湿法蚀刻的速率产生依赖, 硅晶体不同平面的蚀刻速率存在显著差异, 这种差异和不同平面的键配置以及原子密度相关, 该类蚀刻一般通过、和法向晶体平面的蚀刻速率来作为表征标准, 其中沿着平面的蚀刻速率处于最慢的状态, 不同晶格方向的蚀刻速率差异能够高达1000:1, 这是由于平面所暴露的硅原子密度是最高的, 并且平面下方存在三个硅键形成了化学屏蔽。

凭借这一特性, 各向异性湿法蚀刻能够达成高分辨率蚀刻以及严格的尺寸把控, 并且能够开展双面加工以形成自隔离结构，这对于暴露于恶劣环境的微机电系统器件（例如压力传感器）的封装是有益处的, 当前已在硅压力传感器、体微机械加工加速度计等器件制造中得到广泛应用, 该技术已经成熟了30年。

取向硅衬底, 经过各向异性湿法蚀刻之后, 能够形成倒金字塔形的蚀刻坑, 还能形成平底梯形的蚀刻坑（就像图3所展示的那样）, 其扫描电子显微镜也就是SEM的照片, 清晰地展示出了梯形蚀刻坑, 展示出了压力传感器用薄膜的背面结构（就如同图4a和图4b所展示的那样）。

图3, 取向硅衬底浸入了各向异性湿法蚀刻剂溶液, 之后呈现出蚀刻轮廓形状的示意图模样。

分别是图4（a）以及图4（b）, 呈现的是取向硅衬底浸入到各向异性湿法蚀刻剂之后的SEM图, 其比例尺为1微米。

常用的具有各向异性特点的湿法蚀刻剂大体上总共涵盖三类, 其一是水性碱性溶液, 比如氢氧化钾记作为KOH, 氢氧化铵记作为NH₄OH, 还有四甲基氢氧化铵记作为TMAH等等, 这类蚀刻剂蚀刻速率高, /平面蚀刻速率的比值相对而言比较高, 其中TMAH在特定的状况之下对于铝的蚀刻速率极低, 适用于经过预处理的微电子晶圆, 不过对于二氧化硅掩模的蚀刻速率相对较高, 有可能致使晶圆出现碱污染, 而这种碱污染能够借助适当的清洗程序予以缓解；其二是乙二胺和邻苯二酚记作为EDP, /平面蚀刻速率的比值更高, 能够使用的掩模材料数量更多, 然而具备致癌性, 蚀刻过程不容易进行观察, 清理起来存在困难；其三是其他专用蚀刻剂。

氮化硅, 是各向异性湿法蚀刻常用的掩模材料, 热生长二氧化硅也能够使用, 不过要留意控制厚度, 特别是在使用KOH蚀刻剂的时候, 光刻胶不可以用于任何各向异性蚀刻剂, 钽, 也就是Ta, 金, 也就是Au等金属, 在EDP里具备良好的耐蚀刻性，铝在特定状况下对于TMAH也拥有耐蚀刻性。

蚀刻速率、蚀刻速率比还有蚀刻选择性, 这些归属于各向异性蚀刻剂的, 主要是取决于溶液化学成分跟温度的, 并且是遵循阿伦尼乌斯定律R=R0exp(−Ea/(κT的), 这里面R₀意味着常数, Eₐ代表激活能, k为乃是玻尔兹曼常数, T即为开尔文温度。

在体微机械加工里头, 精确把控硅薄膜厚度或者蚀刻深度是关键的需求, 不过, 由于受到负载效应、温度变化、衬底厚度差异等这些因素的影响, 蚀刻的均匀性是很难保证的。定时蚀刻是凭借蚀刻速率与时间的乘积来确定深度的, 可其控制的难度比较大, 还容易受到多种因素的影响。所以, 蚀刻停止法就出现了, 它主要涵盖掺杂蚀刻停止法以及电化学蚀刻停止法。

通过高浓度p型硼掺杂即大于5×10¹⁹ cm⁻³来形成蚀刻停止层, 这一过程是掺杂蚀刻停止法, 该方法会令高掺杂区域蚀刻速率显著降低比如按图5所示那般 , 可问题是高掺杂表面层也许不适用于部分器件像压阻器件 ；电化学蚀刻停止法能提供良好的尺寸控制 , 还能制造轻掺杂材料膜片这种适用于高质量压阻器件的 , 不过它需要特殊夹具以及电子控制系统。

图5, 呈现的是, 在不同蚀刻剂浓度的状况之下, 取向硅晶圆的蚀刻速率, 和硼浓度之间的关系图。

表面微机械加工属于主流制造技术, 其核心流程涵盖, 沉积薄膜材料当作临时牺牲层, 在牺牲层之上沉积且图案化结构层也就是薄膜器件层, 去除临时牺牲层, 致使机械结构层脱离约束从而自由移动。拿多晶硅悬臂梁制作来说, 先是沉积并图案化氧化物牺牲层, 接着沉积并图案化多晶硅结构层, 最终去除牺牲层便可得到可自由移动的悬臂梁如图6所展示的那样。

图6表面微机械加工工艺示意图

这项技术, 在垂直方向的尺寸能够得到精确控制, 其垂直尺寸是由沉积膜的厚度来决定的, 在水平方向的尺寸同样能进行精确控制, 这里的水平尺寸是由光刻以及蚀刻工艺的保真度所决定的, 它可以和微电子器件相互兼容从而达成集成, 还能够借助薄膜沉积的特性, 像是LPCVD的保形覆盖这种特性, 并且采用的是单面晶圆加工方式, 其集成密度相较于其他方式更高, 单位芯片的成本相较于其他更低。

其缺点在于，结构薄膜的机械特性未知, 这需要进行测量, 而且残余应力较高，要通过高温退火来降低, 残余应力还会随着后续热加工而变化, 机械特性的重现性难以达成, 并且在结构层释放过程中, 容易因为毛细作用力而发生粘连, 这就需要特殊的释放工艺以及抗粘连涂层。图7呈现出了运用表面微机械加工工艺制造的多晶硅谐振器结构。

图7采用表面微机械加工工艺制造的多晶硅谐振器结构

使两个或多个晶圆连接起来, 进而形成多晶圆堆叠结构的技术是晶圆键合技术, 它主要分成三类, 一类是直接键合, 也就是熔融键合, 一类是场辅助键合, 即阳极键合, 还有一类是使用中间层的键合, 所有这些方法都要求衬底具备高平整度, 还要有光滑度和清洁度。

常用于硅晶圆之间连接的直接键合, 或者是硅与氧化, 硅晶圆之间的连接, 其基本工艺涵盖清洁与表面制备、预键合、退火前检查、高温退火（一般约为1000°C）、最终检查这五个步骤, 晶圆借助表面水合产生的氢键进行初步连接, 经高温退火后键合强度能与单晶硅相媲美, 而等离子体处理能将退火温度降低, 至250 – 300°C甚至更低。

阳极键合把硅晶圆跟派热克斯即Pyrex 7740晶圆键合起来, 是利用电场以及高温来达成的, 通过Pyrex玻璃里钠离子的迁移去形成强电场, 进而实现表面化学融合, 它具备这样的优势, Pyrex 7740跟硅的热膨胀系数相近, 残余应力很低, 于是被广泛应用于微机电系统封装。

除此之外, 共晶键合, 也就是使用金中间层的那种键合方式, 玻璃料键合, 亦凭借着玻璃浆料中间层来达成, 聚合物键合, 借由环氧树脂、聚酰亚胺等中间层进行的键合, 它们在微机电系统制造里都分别有着各自的应用。

具有制造极深特征微结构能力的高深宽比微机电系统制造技术, 涵盖硅的深反应离子蚀刻, 也就是 DRIE ;玻璃的深反应离子蚀刻 ;LIGA 技术 ;热压印。硅的 DRIE属于高度各向异性的等离子体蚀刻工艺 , 其蚀刻深度能够达到数十微米 , 亦或数百微米 , 甚至可以贯穿硅衬底 , 主流工艺乃是博世工艺 , 此工艺借助六氟化硫蚀刻周期同八氟环丁烷聚合物沉积周期交替开展 , 以此达成深沟槽加工 （如图 8 所示）。

图8深反应离子蚀刻（DRIE）工作原理示意图

处于该工艺蚀刻状态下的物质呈现出的侧壁, 是那种既有类似搓板状的形态, 又有类似扇贝状的形态, 最新的相关设备所具备的蚀刻速率已然能够超过每分钟二十微米, 掩模选择性在面对光刻胶时分值达到七十五比一, 面对氧化物时能达到一百五十比一, 深宽比表现也是极其优异, 最高可达到三十比一, 实际较为常用的比例则是十五比一, 利用其制造而成的硅微结构, 通过横截面SEM照片清晰地展现, 清晰地呈现出了高深宽比以及深沟槽的特性, 就如同图九所展示的那样。

图9, 是硅晶圆横截面的照片, 由扫描电子显微镜（SEM）拍摄, 它把利用深反应离子蚀刻（DRIE）技术所能制造出的, 高深宽比的, 和深沟槽结构展示了出来。

有这样一种情况, 玻璃的深反应离子蚀刻能够形成沟槽, 这种沟槽深度超过 100 微米、深宽比超过 4:1, 其呈现的样子如图 4.10 所示 , 它采用镍硬掩模, 该掩模选择性约为 10:1 , 蚀刻工艺具备连续且无扇贝状图案的特点, 但该工艺容易受到微掩模的影响。还有 LIGA 技术, 它先是通过 X 射线曝光 PMMA 层, 接着显影后电镀金属, 之后去除 PMMA 从而获得金属微结构, 这种技术具有侧壁光滑、垂直性良好、穿透深度深等优势, 不过成本较高, 它的变体能够通过工具嵌件重复使用来降低成本。热压印技术, 借助金属工具嵌件来操作, 进而把图案, 实施压印动作于聚合物衬底之上, 其具备成本低的特性, 同时尺寸控制良好, 所以适用于微流体组件的生产。

图10, 是一张扫描电子显微镜（SEM）照片, 照片里呈现的是玻璃衬底中蚀刻的高深宽比结构该, 照片由微机电系统与纳米技术交流中心完成。

（二）其他微机械加工技术

再者说, 除了上述核心工艺之外, 二氟化氙（ XeF₂）干法蚀刻技术, 电火花微加工技术, 激光微加工技术，聚焦离子束（FIB）微加工这一技术, 等等这些, 它们也都在微机电系统制造当中发挥着相应的作用呢。

硅的各向同性蚀刻剂是 XeF₂ 干法蚀刻, 对于氮化硅、二氧化硅等材料选择性高, 不存在粘连问题, 适用于 CMOS 晶圆上的微结构加工；电火花微加工是利用电击穿放电来去除导电材料, 能够制造数十微米的小孔, 不过属于串行工艺, 速度缓慢且成本高昂；激光微加工借助聚焦激光能量达成材料熔化、汽化或者光消融, 适用于多种材料, 飞秒激光技术的运用进一步提高了加工精度以及材料兼容性；FIB 微加工可以把光斑聚焦到 50 纳米, 达成极小结构制造, 还能够完成离子诱导沉积、光刻、掺杂等多种任务, 具备成像和成分分析功能。

微机电系统的未来趋势

微机电系统往后会朝着更高的集成度, 且能拥有更多功能, 还有更小尺寸规模去递进发展。随着制造能力有所提高, 有希望于在单个硅片之上集成好多传感器, 以及多种执行器, 还有先进电子设备, 在很小的空间之内达成多功能, 并同步保持低成本。与此同时, 微机电系统跟纳米技术的深度融合往后还会持续加大, 会促使性能边界得到更进一步拓展, 应用场景面也能够得到进一步拓宽。

采用通信网络连接物理对象, 从而实现信息收集、存储、处理以及交换的物联网, 其核心发展方向是微机电系统在其中的应用。微机电系统器件能够满足物联网对于廉价、不引人注意, 还兼具感知与控制能力的设备需求。它会在智能家居、工业物联网、智能交通、医疗健康等诸多领域发挥作用, 成为推动物联网规模扩张的主要驱动力。

評決を下す

微机电系统技术, 是一项融合了多学科知识的技术, 是具备多样化加工能力的综合性技术, 它不是针对特定应用的单一制造工艺, 也不是针对特定器件的单一制造工艺, 它借助微型化来改变机械系统的设计理念, 它通过批量制造来改变机械系统的, 设计理念, 它凭借与电子设备的集成来改变机械系统的设计理念, 它为各领域智能产品开发提供了新的能力。

纵使微机电系统器件于产品的成本、尺寸以及重量里头所占比例一般较小, 可对产品的性能、可靠性还有可负担性起着关键作用, 微机电系统行业跟集成电路行业存在共同的起源, 然而应用范围更为广泛、技术形态更加多样, 已然发展成一项独立的标志性技术, 在物联网时代, 微机电系统的多样性、经济重要性以及潜在应用范围会持续扩大, 为科技进步与产业升级给予支撑。