摘要：微電子機械系統(tǒng)(MEMS) 是一項21 世紀(jì)可以廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。硅微機械加工工藝是近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的MEMS 主流技術(shù)。介紹了MEMS 的特點、國內(nèi)外MEMS的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了MEMS 的三種加工方法，著重探討了硅微機械加工中常用的腐蝕、鍵合、光刻、氧化、擴散、濺射等工藝。
關(guān)鍵詞：微電子機械系統(tǒng)；體微加工；表面微加工；LIGA

微電子機械系統(tǒng)(MEMS) 代表了一種未來將改變整個工業(yè)和帶來下一次技術(shù)革命的不平凡的技術(shù)，可以預(yù)測MEMS 技術(shù)將是一次新的工業(yè)革命。MEMS 利用傳統(tǒng)的機械加工工藝、半導(dǎo)體硅微機械加工工藝和軟X 射線深層光刻電鑄成型工藝等來制作微尺度的機械、流體、電子、光學(xué)及其它一些器件。其中硅微機械加工工藝是制作MEMS 的主流技術(shù)，越來越多地用于MEMS 的加工中。

1 微電子機械系統(tǒng)

1.1 微電子機械系統(tǒng)的定義

微電子機械系統(tǒng)是指采用微機械加工技術(shù)和微電子技術(shù)相結(jié)合的工藝技術(shù)，可以批量制作，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口、通訊等于一體的微型器件或微型系統(tǒng)。

微電子機械系統(tǒng)開辟了一個新的技術(shù)領(lǐng)域，微電子機械系統(tǒng)的研究不僅涉及元件和系統(tǒng)的設(shè)計、材料、測試、控制、集成、能源以及與外界的聯(lián)接等許多方面，還涉及微電子學(xué)、微機械學(xué)、微動力學(xué)、微流體學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、信息與控制等多個學(xué)科領(lǐng)域，是綜合性高新技術(shù)。微電子機械系統(tǒng)將微電子、精密機械、生化和信息處理等高新技術(shù)有機整合，利用半導(dǎo)體加工工藝來制作微尺度的機械、流體、電子、光學(xué)及其它一些器件，在單一或多個芯片上集成傳感、信號處理、控制及驅(qū)動于一體。微電子機械系統(tǒng)中的機械不限于狹義的機械力學(xué)中的機械，包括力、熱、聲、光、磁乃至化學(xué)、生物等具有能量轉(zhuǎn)化、傳輸?shù)裙δ艿男?yīng)。

1.2 微電子機械系統(tǒng)的特點

1.2.1 微型化

MEMS 器件體積小、質(zhì)量輕、功耗低、性能穩(wěn)定、諧振頻率高，響應(yīng)時間短，可以集成控制、感應(yīng)和執(zhí)行等多種功能。

1.2.2 以硅為主要材料

硅的機械電氣性能優(yōu)良，強度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似，熱傳導(dǎo)接近鉬和鎢。

1.2.3 可批量生產(chǎn)

用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型電子機械裝置或完整的MEMS 器件，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)周期短，性能一致性好，對環(huán)境的損害小等。

1.2.4 集成化

可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS 器件。

1.2.5 多學(xué)科交叉

微電子機械系統(tǒng)涉及電子、機械、材料制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

2 微電子機械系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

微電子機械系統(tǒng)自20 世紀(jì)80 年代末期發(fā)展至今，一直受到世界各發(fā)達(dá)國家的廣泛重視，美、日、德、荷蘭等國政府將MEMS 技術(shù)作為戰(zhàn)略性的研究領(lǐng)域之一，投入巨資進(jìn)行專項研究，美國和日本的MEMS 技術(shù)處于領(lǐng)先地位。美國完成《MEMS 的軍事應(yīng)用》研究報告，指出了MEMS 在精確制導(dǎo)武器、靈巧武器、偵察通訊、破壞敵方指揮系統(tǒng)和戰(zhàn)斗力等方面的應(yīng)用前景。美國宇航局已在實施微型衛(wèi)星(0.1kg～10 kg) 計劃，并提出了納米衛(wèi)星( < 0.1 kg) 設(shè)想。美國的大學(xué)、國家實驗室和公司已有大量的MEMS 研究小組，并已開發(fā)出許多種實用化的MEMS產(chǎn)品進(jìn)入市場。如AD 公司的加速度計，管芯尺寸為1.5 mm ×1.5 mm ，量程達(dá)±50 g ，靈敏度為15mV/g ；Park 公司已開發(fā)出用于掃描隧道顯微鏡(STM) 和原子力顯微鏡(AFM) 的微型傳感器，它由懸臂梁、微針尖以及信號檢測和放大的集成電路組成。日本在微機械技術(shù)領(lǐng)域的研究十分活躍，近幾年已經(jīng)利用電火花加工技術(shù)、IC 技術(shù)和光成型技術(shù)加工出各種傳感器和執(zhí)行器，研制成功主要用于生物和醫(yī)療的微型機器人。德國的LIGA 技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，他們已在實驗室里制造出了微傳感器、微電機、微執(zhí)行器、集成光學(xué)和微光學(xué)元件、微型流量計以及直徑為數(shù)百微米的金屬雙聯(lián)齒輪等微機械零件。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國從20 世紀(jì)80 年代末開始研究MEMS ，1995年國家科技部實施了攀登計劃“微電子機械系統(tǒng)項目”(1996 年～1999 年) 。1999 年實施了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“集成微光機電系統(tǒng)研究項目”。已形成了幾個研究方向:微型慣性器件和慣性測量組合；機械量微型傳感器和致動器； 微流量器件和系統(tǒng)；生物傳感器、生物芯片和微操作系統(tǒng)；微型機器人；硅和非硅制造工藝。我國在基礎(chǔ)理論研究和相關(guān)技術(shù)方面取得了一些有特色的成果，有些已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。開展了包括微型直升機、微傳感器(加速度計、微陀螺、壓力傳感器、流量傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器、紅外傳感器陣列) 、微泵、微噴、微馬達(dá)、微光器件、DNA 芯片等MEMS 器件的研究。清華大學(xué)于2000 年6 月發(fā)射成功進(jìn)入700 km太陽軌道的“航天清華一號”微小衛(wèi)星，其質(zhì)量只有60 kg、體積僅0.07 m3 。北京大學(xué)微電子所以IC 加工線為基礎(chǔ)，深入開展硅微機械加工工藝研究，形成了成熟的工藝技術(shù)。目前MEMS 已從實驗室探索走向產(chǎn)業(yè)化軌道，潛在市場很大，應(yīng)用領(lǐng)域很廣，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工工業(yè)、能源動力、信息通訊、國防產(chǎn)業(yè)、航空航天和醫(yī)藥及生物工程等領(lǐng)域，而且在家庭服務(wù)、人體研究及環(huán)境治理等方面也有巨大的應(yīng)用前景。

3 微電子機械系統(tǒng)的加工方法

3.1 傳統(tǒng)機械加工方法

傳統(tǒng)機械加工方法以日本為代表， 日本研究MEMS 的重點是超精密機械加工，她更多的是傳統(tǒng)機械加工的微型化，這種加工方法利用大機器制造小機器，再利用小機器制造微機器，可以用于加工一些在特殊場合應(yīng)用的微機械裝置，例如微型機械手、微型工作臺等。

3.2 半導(dǎo)體硅微機械加工方法

以美國為代表的半導(dǎo)體硅微機械加工方法與傳統(tǒng)IC 工藝兼容，利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對硅基材料進(jìn)行加工，形成硅基微電子機械系統(tǒng)的器件，可以實現(xiàn)微電子與微機械的系統(tǒng)集成，并適合于批量生產(chǎn)，已經(jīng)成為MEMS 的主流技術(shù)。當(dāng)前硅基微加工技術(shù)可分為體微加工技術(shù)和表面微加工技術(shù)。