MEMS加工技术及其工艺设备.doc
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1、MEMS加工技术及其工艺设备 作者: 日期:11 个人收集整理 勿做商业用途MEMS加工技术及其工艺设备童志义摘要:微电子机械和纳米技术的研究覆盖了亚微米到纳米尺寸的特征范围,它主要依靠光刻和图形转换设备和工艺获得,但又不仅限于半导体加工范畴.光学光刻设备、感应耦合等离子体刻蚀,金属的溅射涂覆,金属的等离子体增强、介质隔离、掺杂注入、粒子束微写设备和射线源可以看作和纳米技术的机械加工手段,其各有独具的优势限制。现正被用于定制的器件到真空微电子器件和新颖的纳米工具的研究与开发应用.抗蚀剂喷涂技术为复杂形貌的器件光刻提供了高均匀性作图的厚胶基础.对于技术进入产业化的主要技术瓶颈封装技术研究与开发已
2、成为当今世界各国关注的热点。同时,对于器件的测试技术的研究,目前在国际上也引起了高度的重视。关键词: 微电子机械系统; 纳米技术; 光刻; 微电铸抗蚀剂喷涂; 微机械加工; 封装;测试MEMS Micromachining Technology and ToolsTONG Zhi-yi(The No。 45 Institute Research of CETC Pingliang 744000 China)Abstract: Research into Microelectromechanics(MEMS) and Nanotechnology covers the range of feat
3、ure dimensions from submillimetre to nanometer scales. It relies upon tools and processes for lithography and pattern transfer drawn largely but not exclusively from the silicon semiconcluctor industry。 Optical lithography systems, ICP, Sputter coating of metals, Plasma enhanced chemical vapour depo
4、sition of metals and dielectric insulators and ion implantation doping, particle beam nanowriter tools and X-ray sources may be regarded as themachine toolsfor MEMS and Nanotechnology, each with their unique advantages and limitations。 They are being exploited for RD applications ranging from custom
5、ized MEMS to vacuum microelectronics and novel nanotools. The technique bottleneck that MEMS technology come into industrialize of MEMS packaging technical RD is being the highlights of the whole world .Whilst ,the research of MEMS testing technique is also caused the height attach importance to the
6、 global area.文档为个人收集整理,来源于网络本文为互联网收集,请勿用作商业用途Keywords: MEMS Nanotechnology Processes Lithography LIGA Spray coating icromachining Packaging Testing 是微电子技术与机械,光学领域结合而产生的,是世纪年代初兴起的新技术,是微电子技术应用的又一次革命性实验.很有希望在许多工业领域,包括信息和通讯技术,汽车,测量工具,生物医学,电子等方面成为关键器件,把在衬底上的与集成在一起,还可以产生许多新的功能。但是制造的加工技术主要有三种,第一种是以美国为代表的利用
7、化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工,形成硅基器件;第二种是以日本为代表的利用传统机械加工手段,即利用大机器制造出小机器,再利用小机器制造出微机器的方法;第三种是以德国为代表的(德文光刻,电铸的塑铸三个词的缩写)技术,它是利用射线光刻技术,通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。其中硅加工技术与传统的工艺兼容,可以实现微机械和微电子的系统集成,而且该方法适合于批量生产,已经成为目前的主流技术。 随着电子,机械产品微小化的发展趋势,未来年,微机械与微机电产业将逐渐取代半导体产业成为主流产业,为此,日本,美国一些著名企业均开始加强其组件模块制造能力. 当前,微机械与产业已被日本政府列入未来年
8、保持日本竞争力的产业,虽然目前组件模块市场主要集中在一些特殊应用领域,但未来的年内,组件模块市场规模将扩大到目前的倍,相关系统市场将增长倍(见表),因此,掌握组件模块技术将有利于未来在市场取得主动权。 微系统的增长包括微电子机械和最近对半导体产业设备和工艺开发具有重大影响的纳米技术.光学式电子束直写光刻与湿法蚀刻硅工艺的结合,促进了早期的技术的发展。最近,随着感应耦合等离子体刻蚀系统在深度垂直侧壁结构的应用使在单晶硅的开发成为可能。与此同时,半导体多晶硅的淀积和刻蚀工艺在复杂的多层系统中也获得成功的应用.而在硅材料和传统刻蚀、淀积工艺之外的一些新的发展趋势正在引起人们更多的关注。 加工技术 传
9、统的制造业依赖大量的关键机械设备和有关的工艺,这些设备和工艺已有几十年甚至上百年的历史了。例如铸造、锻造、车削、磨削、钻孔和电镀等均是一个综合的制造环境所必不可少的。这些设备和工艺与大量的其它物理和化学手段及工艺均用作制造环境的基础,它们在半导体产业中均具有其相应的替代技术.光学光刻,耦合等离子刻蚀,金属的溅射涂覆,金属的等离子体增强化学汽相淀积和介质隔离以及在掺杂工艺中的离子注入和衬底处理,现都已成为集成电路制造中的常规工艺.基于电子束制版和光学投影光刻及电子束直写光刻这种基本的图形加工技术现已成为先进的纳米尺寸作图技术的主要角色。上述的这些设备和技术以及一些还未流行的设备的工艺目前正被用于
10、的纳米技术制造,且成为微时代的微机械加工设备,三维微细加工的主要途径有光刻、准分子激光加工、体硅加工技术和深度反应离子刻蚀等。 从目前看来,对于大多数半导体产业来说,采用光学光刻分辨力小至 的可能性不可排除。其它的一些准备用于光学加工受到限制的替代技术有射线技术或极紫外投影光刻,电子束投影光刻()以及接近式射线光刻。所有这些技术将与电子束直写系统和聚集离子束系统一起用于纳米尺寸光刻,并正在日益进入更为宽阔的的纳米技术应用领域。除了这些粒子束设备以外,基于扫描隧道显微镜()原子力显微镜()的探针系统也能用于光刻,进行分子的原子级材料的加工处理。 从工艺上讲,的制造技术分为部件及子系统制造工艺和封
11、装工艺、前者包括半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等;后者包括硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯片组件工艺等. 与微电子系统比较,区别在于其包含有微传感器、微执行器、微作用器、微机械器件等的子系统,相对静态微器件的系统而言,的加工技术难度要高。 加工技术是在硅平面技术的基础上发展起来的,虽然历史不长,但发展很快,已成为当今最重要的新技术之一.从目前应用来看,其加工技术主要可分为硅基微机械加工技术和非硅基微机械加工技术。 硅基微机械加工技术 目前正在使用的硅基微机械加工技术有三种:体硅体微机械加工、表面微机械加工 、复合
12、微机械加工。体硅微机械加工 这种加工是将整块材料,如单晶硅基片加工成微机械结构的工艺,与微电子生产中的亚微米光刻工艺比较,其工艺尺度相对较大而粗糙,线宽一般在几微米到几百微米之间。根据蚀刻方法的途径的差异,体硅微机械加工又分为硅各向异性化学湿法腐蚀技术,熔解硅片技术, 反应离子深刻蚀技术。表面微机械加工技术 这种技术是利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置,被加工的微机械装置一般包括一层用作电连接的多晶硅层和一层或多层的机械加工多晶层,由它们形成各种机械部件,如悬臂梁、弹簧、联动杆等。由于整个工艺都基于集成电路制造技术,因此可以在单个直径为几十毫米的单晶硅基片上批量生成数百个微机械装置。 这
13、种技术的最大优点是在与工艺完全兼容,但是,它制造的机械结构基本上都是二维的,若利用多层加工,也可制造结构复杂,功能强大的系统,但是微型元件的布局平面化和残余应力等问题必须在设计中予以考虑。 ()电子束光刻 在扫描电子显微镜基础上发展而来的电子束光刻系统,提供了小至纳米尺寸分辩力的聚合物抗蚀剂图形转印的一种灵活的曝光设备,远远地超过了目前光学系统的分辨力范围。最先进的系统如光刻公司的 矢量扫描电子束曝光机,提供了小至几纳米的高斯束探针。激光控制的工作台允许基本图形拼接形成整体图形。这些系统提供了独特的灵活手段,适用于没有最终分辩损失的纳米技术要求的器件加工。 聚焦离子束光刻 利用聚焦离子束设备修
14、复光掩模和集成电路芯片经过年的发展在半导体业内已被接受。其与扫描显微镜,精密刻蚀和淀积的独特结合,能使聚焦离子束设备在研究中形成最佳的研究与开发的选择方法.很高的探针分辩力还形成了新的机器(小至 )。它意味着聚焦离子束方法将在纳米技术的研究与开发中扮演一种非常关键的角色。这种系统通常由一个液态金属离子源提供一束镓离子加速到 后在靶材表面产生最大溅射率. 扫描探针加工技术() 扫描探针加工技术作为一种无掩模的加工手段,因其所需设备简单和加工精度达纳米量级,正在受到广泛的重视和研究。这项技术可以作刻蚀或者淀积加工,甚至可以用来操纵单个原子和分子。目前已经成功应用到刻划金属(和)半导体(和)以及绝缘
15、材料(和硅烷),还用于自组装单分子()薄膜上。复合微机械加工技术 该技术是体硅微机械加工技术和表面微机械加工技术的结合,具有两者的优点,同时也克服了二者的不足。非硅基微机械加工技术 加工技术 加工技术包括三个基本步骤,即借助于同步辐射光实现深层光刻,将样品浸入电解液中在凹槽处电镀金属以及去除光刻胶和隔离层,制造微塑注模进行微复制注塑成形的微电铸技术。这种技术能实现高深宽比的三维结构,其关键是深层光刻技术。为实现高深宽比,纵向尺寸达到数百微米的深度刻蚀,并且侧壁光滑,垂直,一方面需要高强度,平行性很好的光源,这样的光源只有用同步辐射光才能满足;另一方面要求用于技术的抗蚀剂必须有很好的分辩力,机械
16、强度,低应力,同时还要求基片粘附性好。技术的最大优势在于: ()深宽比大,准确度高.所加工的图形准确度小于 ,表面粗糙度仅 ,侧壁垂直度,纵向高度可达 以上; ()用材广泛。从塑料(、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等)到金属(、)到陶瓷()等,都可以用技术实现三维结构; ()由于采用微复制技术,可降低成本,进行批量生产。激光微机械加工技术 技术虽然具有突出的优点,但是它的工艺步骤比较复杂,成本费用昂贵。为了获得光源,需要复杂而又昂贵的同步加速器。相对于加工技术而言,激光微机械加工技术具有工艺简单、成本低等优点,它代表未来加工技术发展的方向. 激光微机械加工技术依靠改变激光束的强度和扫描幅度对涂在基片
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