微机电系统的加工技术及其研究进展

　　1　引　言

　　微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,缩写为MEMS)是微机械与微电子功能集成于一体的微型器件或装置,是机械的、光学的或其他功能与电子功能相结合的微型集成系统。在欧洲称之为微系统(Microsystem),日本称之为微机器(Micromachine)。MEMS是近20年发展起来的一个前沿性、多学科交叉的新兴研究领域,涉及微机械学、微电子学、微光学、微流体力学、微热力学、材料学、物理学、化学、生物学以及微细加工、自动控制等多种学科和技术。美国、欧洲、日本都制定了相应的国家发展计划,在信息通信、环境安全、航空航天、生物医学和国防军事等应用领域,已经或将要获得重大突破,从而对科学技术、国民经济和国防建设产生深远的影响^[1,2]。

　　MEMS的加工技术发源于集成电路的微细加工技术,但并不仅限于此,而是重点开发了能够大批量加工MEMS中微机械结构的微机械加工技术,所以说MEMS是微细加工技术创新发展的产物。自1958发明集成电路以来,芯片的发展基本遵循摩尔(Moore)定律:集成电路的集成度每3年增加4倍,而特征尺寸缩小2。现在,集成电路的线宽已从初期的10.00μm降到0.13μm,集成度从1 k DRAM提高到3 GDRAM,在一个芯片上能制造上千万个晶体管和电容,已发展到可提供高速度、微型化、低成本的信号调制与运算能力。但是,作为机电系统中用作获取信息和执行操作的传感器和执行器,在功能、尺寸、重量和成本等方面,还远远落在集成电路的后面。因此,微机械加工技术已成为发展MEMS的一项关键技术。

　　微机械加工技术与微电子加工技术的主要区别在于,前者加工的微结构应是三维立体的或可活动的,如连杆、挡板、槽沟、孔、棱锥、微桥、微腔、弹簧、微轴、齿轮、悬臂梁等,加工材料不只是硅等半导体,还有塑料、玻璃、陶瓷和金属,加工厚度需要几十至几百微米,而且微结构要有较大的深宽比(几十至几百)。

　　迄今开发成功的微机械加工技术主要有硅表面微加工技术、硅体微加工技术、LIGA技术、准LIGA技术^[3～6]和快速成型技术等。本文将介绍这些加工技术及其研究进展情况。

　　2　硅表面微加工技术

　　硅表面微加工技术是以硅片为基体,利用微电子加工技术中的氧化、淀积、光刻、腐蚀等工艺,在硅片表面上形成多层薄膜图形,然后把下面的牺牲层腐蚀掉,以保留上面的微结构图形。图1给出了这种加工技术的基本工艺过程。薄膜层材料常用多晶硅、氧化硅、氮化硅、玻璃和金属,为微结构器件提供敏感元件、电接触线、结构层、掩模和牺牲层。牺牲层(常用SiO^₂)做在淀积和光刻形成图形的结构层的下面,可用湿法腐蚀除去,使结构层与基底隔开。