微機電系統(tǒng)設計與加工

前言

　　一、制造技術長盛永恒　　先進制造技術是20世紀80年代提出的，由機械制造技術發(fā)展而來。通?？梢哉J為它是將機械、電子、信息、材料、能源和管理等方面的技術，進行交叉、融合和集成，綜合應用于產(chǎn)品全生命周期的制造全過程，包括市場需求、產(chǎn)品設計、工藝設計、加工裝配、檢測、銷售、使用、維修、報廢處理、回收利用等，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、敏捷、高效、低耗、清潔生產(chǎn)，快速響應市場的需求。因此，當前的先進制造技術是以產(chǎn)品為中心，以光機電一體化的機械制造技術為主體，以廣義制造為手段，具有先進性和時代感?！　≈圃旒夹g是一個永恒的主題，與社會發(fā)展密切相關，是設想、概念、科學技術物化的基礎和手段，是所有工業(yè)的支柱，是國家經(jīng)濟與國肪實力的體現(xiàn)，是國家工業(yè)化的關鍵?，F(xiàn)代制造技術是當前世界各國研究和發(fā)展的主題，特別是在市場經(jīng)濟高度發(fā)展的今天，它更占有十分重要的地位?！　⌒畔⒓夹g發(fā)展并引入到制造技術，使制造技術產(chǎn)生了革命性的變化，出現(xiàn)了制造系統(tǒng)和制造科學。制造系統(tǒng)由物質(zhì)流、能量流和信息流組成，物質(zhì)流是本質(zhì)，能量流是動力，信息流是控制；制造技術與系統(tǒng)論、方法論、信息論、控制論和協(xié)同論相結(jié)合就形成了新的制造學科。　　制造技術的覆蓋面極廣，涉及到機械、電子、計算機、冶金、建筑、水利、電子、運載、農(nóng)業(yè)以及化學、物理學、材料學、管理科學等領域。各個行業(yè)都需要制造業(yè)的支持，制造技術既有普遍性、基礎性的一面，又有特殊性、專業(yè)性的一面，制造技術既有共性，又有個性。　　我國的制造業(yè)涉及以下三方面的領域：　　·機械、電子制造業(yè)，包括機床、專用設備、交通運輸工具、機械設備、電子通信設備、儀器等?！　　べY源加工工業(yè)，包括石油化工、化學纖維、橡膠、塑料等?！　　ぽp紡工業(yè)，包括服裝、紡織、皮革、印刷等?！　∧壳笆澜缦冗M制造技術沿著全球化、綠色化、高技術化、信息化、個性化和服務化、集群化六個方面發(fā)展，在加工技術上主要有超精密加工技術、納米加工技術、數(shù)控加工技術、極限加工技術、綠色加工技術等，在制造模式上主要有自動化、集成化、柔性化、敏捷化、虛擬化、網(wǎng)絡化、智能化、協(xié)作化和綠色化等?！《?、圖書交流源遠流長　近年來，國際間的交流與合作對制造業(yè)領域的發(fā)展、技術進步及重大關鍵技術的突破起到了積極的促進作用，制造業(yè)科技人員需要及時了解國外相關技術領域的最新發(fā)展狀況、成果取得情況及先進技術應用情況等。

內(nèi)容概要

本書是MEMS系列圖書的一本，主要介紹MEMS技術中材料和加工方面的知識。內(nèi)容包括：MEMS中的材料，MEMS制造，LIGA及其微模壓，基于X射線的加工，EFAB技術及其應用，單晶SiC MEMS制造、特性與可靠性，用于碳化硅體微加工的等離子體反應深刻蝕，聚合物微系統(tǒng)：材料和加工，光診斷方法考察微流道的入口長度，應用于航空航天的微化學傳感器，惡劣環(huán)境下的MEMS器件封裝技術，納機電系統(tǒng)制造技術，分子自組裝基本概念及應用。    本書主要面向MEMS專業(yè)的高年級本科生和研究生，也可供MEMS技術研究人員參考。

書籍目錄

譯叢序言 譯者序 第1章 緒論   參考文獻 第2章 MEMS中的材料   2.1 簡介   2.2 單晶硅   2.3 多晶硅   2.4 二氧化硅   2.5 氮化硅   2.6 鍺基材料   2.7 金屬   2.8 碳化硅   2.9 金剛石   2.10 Ⅲ-V材料   2.11 壓電材料   2.12 結(jié)論   參考文獻 第3章 MEMS制造   3.1 濕法體微加工工藝   3.2 歷史沿革   3.3 硅晶體學   3.4 硅襯底   3.5 硅作為機械材料在MEMS中的應用   3.6 硅的其他傳感特性   3.7 濕法各向同性及各向異性腐蝕   3.8 半導體在偏壓和光照作用下的腐蝕   3.9 腐蝕停止技術   3.10 濕法體硅微加工工藝   3.11 計算機模擬軟件   3.12 濕法體微加工實例   3.13 表面微加工簡介   3.14 表面微加工工藝的歷史沿革   3.15 薄膜的機械特性   3.16 表面微加工工藝   3.17 表面多晶硅微加工技術的改進   3.18 非多晶硅的表面微加工工藝   3.19 體硅與表面微加工技術的比較   3.20 材料的制備和特性   3.21 多晶硅表面微加工實例   參考文獻 第4章 LIGA及其微模壓   4.1 引言   4.2 LIGA-背景   4.3 LIGA及準LIGA工藝   4.4 應用實例   參考文獻 第5章 基于X射線的加工   5.1 引言   5.2 DXRL基本原理   5.3 制模   5.4 材料特性和改進   5.5 平坦化   5.6 突角和凹角的幾何形狀   5.7 多層DXRL工藝   5.8 犧牲層與組裝   5.9 應用實例   5.10 結(jié)論   參考文獻 第6章 EFAB技術及其應用   6.1 引言   6.2 技術優(yōu)勢   6.3 EFAB技術   6.4 EFAB的應用   參考文獻 第7章 單晶SiC MEMS制造、特性與可靠性   7.1 引言   7.2 6H-SiC光電化學制造工藝   7.3 6H-SiC量規(guī)因數(shù)的特征   7.4 高溫金屬化   7.5 傳感器特性   7.6 可靠性評價   7.7 結(jié)論   致謝   參考文獻 第8章 用于碳化硅體微加工的等離子體反應深刻蝕   8.1 引言   8.2 高密度等離子體刻蝕基本原理   8.3 SiC刻蝕基本原理   8.4 SiC DRIE的應用   8.5 結(jié)論   參考文獻 第9章 聚合物微系統(tǒng)：材料和加工   9.1 引言   9.2 MEMS中的聚合物材料   9.3 聚合物微加工技術   9.4 器件舉例   9.5 未來的方向與挑戰(zhàn)   參考文獻 第10章 光診斷方法考察微流道的入口長度   10.1 引言   10.2 微尺度流體力學中的光診斷測量學   10.3 μPIV概況   10.4 微流道中流的入口長度測量   10.5 μPIV技術的拓展   參考文獻 第11章 應用于航空航天的微化學傳感器   11.1 引言   11.2 航空航天應用   11.3 傳感器制備技術   11.4 化學傳感器開發(fā)   11.5 未來方向、傳感器陣列以及商業(yè)化   11.6 商業(yè)應用   11.7 結(jié)論   致謝   參考文獻 第12章 惡劣環(huán)境下的MEMS器件封裝技術   12.1 引言   12.2 封裝材料   12.3 圓片級封裝   12.4 高溫電氣互連系統(tǒng)   12.5 粘合芯片結(jié)構(gòu)的熱機械特性   12.6 高溫陶瓷封裝系統(tǒng)   12.7 相關討論   致謝   參考文獻 第13章 納機電系統(tǒng)制造技術   13.1 引言   13.2 NEMS兼容的工藝技術   13.3 納米機器的制備：與生物學的交叉   13.4 結(jié)論   參考文獻 第14章 分子自組裝基本概念及應用   14.1 引言   14.2 分子-分子的相互作用力   14.3 分子-基片之間的作用   14.4 功能化表面的應用   14.5 結(jié)論和前景展望   參考文獻

章節(jié)摘錄

　　在MEMS應用中，單晶硅起到了幾個最關鍵的作用。單晶硅是最通用的體加工材料，因為它有良好的各向異性腐蝕特性以及與掩膜材料的兼容性。在表面微機械加工中，不管器件結(jié)構(gòu)本身是不是硅材料，單晶硅襯底都是最理想的MEMS結(jié)構(gòu)平臺。而在硅基集成MEMS器件中，單晶硅又是IC器件中的首要載體材料?！　◇w硅加工技術，是指使用干法刻蝕和濕法腐蝕工藝，結(jié)合刻蝕掩膜和材料的自停止腐蝕特性在硅襯底上“雕刻”出微結(jié)構(gòu)。從材料特性的角度來看，兩個主要的材料特性造就了體硅加工技術的多樣化：①選用各向異性腐蝕劑，比如EDP和KOH，它們主要腐蝕單晶硅材料特定的晶面；②選擇不同的掩膜材料和自停止腐蝕材料并結(jié)合腐蝕劑，就可以在襯底的特定區(qū)域形成保護，不被腐蝕。　　刻蝕工藝的一個最重要的參數(shù)就是刻蝕的方向性（即側(cè)壁形貌）。如果刻蝕在任意方向的刻蝕速率都是相同的，就稱為各向同性刻蝕；相反，各向異性刻蝕通常指垂直方向的刻蝕速率要遠大于水平方向的。值得注意的是，在硅襯底上通過各向異性刻蝕形成的側(cè)壁形貌，同樣可以通過反應離子深刻蝕、離子束轟擊、激光鉆孔等方法實現(xiàn)?！　「飨蛲詽穹ǜg的主要作用是去除表面缺陷、形成單晶結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移單晶或多晶薄膜圖形。常見的硅各向同性腐蝕液有：氫氟酸（HF）、硝酸（HNO2）和水或醋酸（cH3COOH）的混合物，通常稱硅各向同性腐蝕為HNA方法。　　硅的各向異性腐蝕液對（100）面和（110）面的刻蝕速率要遠大于（111）面。例如典型的KOH腐蝕（100）和（111）面的刻蝕速率比大約是400：1。SiO2、si1N4和其他金屬[如鉻（cr）、銅（cu）等]都是硅各向異性腐蝕的良好掩膜。si3N4因為具有良好的化學穩(wěn)定性，而常被用作長時間KOH腐蝕時的掩膜。　　在自停止腐蝕技術中，重摻雜硼元素（大于7×109／cm3）的硅材料對某些腐蝕劑可以形成有效阻擋，被稱為p+摻雜自停止技術。實質(zhì)上，腐蝕是電荷轉(zhuǎn)移的過程，腐蝕速率依賴于摻雜類型和濃度。由此推斷，重摻雜的材料可能會有更高的刻蝕速率，因為它擁有更多的可動載流子。這在各向同性刻蝕劑（如HNA）中是正確的，如在p型或n型摻雜濃度大于1018／cm3時的速率為1～3Um／min，而在摻雜濃度小于1017／cm3時的速率幾乎為零。但是，在各向異性腐蝕（如EDP和KOH）中，結(jié)果大不相同。重摻雜硼（大于7×1019／cm3）的硅在KOH中的腐蝕速率比未摻雜的硅慢大概5～100倍，在EDP中甚至達到250倍。通過p自停止技術形成的自停止層深度一般都小于101Um，因為硼摻雜是通過擴散實現(xiàn)的。通過高溫（1175℃）和長時間（15～20h）擴散，自停止層深度可達到2011Um。在硅表面進行離子注入同樣可以形成自停止層，但是注入深度可能只有幾微米，且需要高能量和大電流粒子加速。雖然通過在自停止層上再外延生長摻硼的硅可以增加厚度，但是外延的成本很高，因此這種方法通常很少使用。

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