摘要：微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS) 是一項(xiàng)21 世紀(jì)可以廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。硅微機(jī)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(diǎn)、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(jī)械加工中常用的腐蝕、鍵合、光刻、氧化、擴(kuò)散、濺射等工藝。
關(guān)鍵詞：微電子機(jī)械系統(tǒng)；體微加工；表面微加工；LIGA

微電子機(jī)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(jī)械加工工藝、半導(dǎo)體硅微機(jī)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(jī)械、流體、電子、光學(xué)及其它一些器件。其中硅微機(jī)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(jī)械系統(tǒng)

1.1 微電子機(jī)械系統(tǒng)的定義

微電子機(jī)械系統(tǒng)是指采用微機(jī)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(jī)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(jī)械系統(tǒng)開辟了一個新的技術(shù)領(lǐng)域，微電子機(jī)械系統(tǒng)的研究不僅涉及元件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(jī)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(jī)械系統(tǒng)將微電子、精密機(jī)械、生化和信息處理等高新技術(shù)有機(jī)整合，利用半導(dǎo)體加工工藝來制作微尺度的機(jī)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(jī)械系統(tǒng)中的機(jī)械不限于狹義的機(jī)械力學(xué)中的機(jī)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(jī)械系統(tǒng)的特點(diǎn)

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(jī)械電氣性能優(yōu)良，強(qiáng)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(jī)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(jī)械系統(tǒng)涉及電子、機(jī)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(jī)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(jī)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(xiàng)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(shí)施微型衛(wèi)星(0.1kg～10 kg) 計(jì)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(shí)驗(yàn)室和公司已有大量的MEMS 研究小組，并已開發(fā)出許多種實(shí)用化的MEMS產(chǎn)品進(jìn)入市場。如AD 公司的加速度計(jì)，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(jī)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(jī)器人。德國的LIGA 技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，他們已在實(shí)驗(yàn)室里制造出了微傳感器、微電機(jī)、微執(zhí)行器、集成光學(xué)和微光學(xué)元件、微型流量計(jì)以及直徑為數(shù)百微米的金屬雙聯(lián)齒輪等微機(jī)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(shí)施了攀登計(jì)劃“微電子機(jī)械系統(tǒng)項(xiàng)目”(1996 年～1999 年) 。1999 年實(shí)施了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“集成微光機(jī)電系統(tǒng)研究項(xiàng)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(jī)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(jī)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(jī)、微傳感器(加速度計(jì)、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(jī)械加工工藝研究，形成了成熟的工藝技術(shù)。目前MEMS 已從實(shí)驗(yàn)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(jī)械系統(tǒng)的加工方法

3.1 傳統(tǒng)機(jī)械加工方法

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

3.2 半導(dǎo)體硅微機(jī)械加工方法

以美國為代表的半導(dǎo)體硅微機(jī)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(jī)械系統(tǒng)的器件，可以實(shí)現(xiàn)微電子與微機(jī)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)。