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1 MEMS设计流程1

1.1 引言1

1.1.1 设计流程4

1.2 MEMS设计方法6

1.2.1 设计方法学的历史背景6

1.2.2 MEMS的结构化设计方法8

1.3 头脑风暴9

1.4 麦克风案例9

1.4.1 麦克风的历史背景9

1.4.2 Avago的故事10

1.4.3 Knowles公司的故事18

1.4.4 关键构思总结20

1.5 材料和工艺选择21

1.5.1 材料选择21

1.5.2 工艺选择21

1.6 评估设计构思25

1.6.1 建模25

1.7 优化和其他设计方法26

1.7.1 设计优化26

1.7.2 不确定性分析26

1.7.3 失效模式及影响分析26

1.7.4 设计方法时序27

1.8 总结28

参考文献28

2 半导体和介质材料的添加工艺32

2.1 概述32

2.2 热转换33

2.2.1 工艺概述33

2.2.2 硅热氧化的材料特性和工艺选择指南37

2.2.3 实例研究38

2.3 化学气相淀积39

2.3.1 概述39

2.3.2 LPCVD多晶硅45

2.3.3 LPCVD二氧化硅55

2.3.4 LPCVD氮化硅58

2.3.5 LPCVD多晶SiGe和Ge62

2.3.6 LPCVD多晶碳化硅66

2.3.7 LPCVD金刚石73

2.3.8 APCVD多晶碳化硅77

2.3.9 PECVD硅77

2.3.10 PECVD二氧化硅78

2.3.11 PECVD氮化硅81

2.3.12 PECVD锗硅84

2.3.13 PECVD碳化硅87

2.3.14 PECVD碳基薄膜90

2.4 外延90

2.4.1 工艺概述90

2.4.2 外延多晶硅92

2.4.3 外延碳化硅93

2.4.4 Ⅲ～Ⅴ族材料和氮化镓95

2.5 物理气相淀积98

2.5.1 工艺概述98

2.5.2 溅射-淀积硅99

2.5.3 溅射-淀积碳化硅100

2.5.4 溅射-淀积SiO2101

2.5.5 溅射-淀积类金刚石碳（DLC）101

2.5.6 脉冲激光淀积（PLD）碳薄膜102

2.6 原子层淀积102

2.6.1 工艺概述102

2.6.2 工艺选择指南和材料特性103

2.7 旋涂薄膜105

参考文献106

3 金属材料的添加工艺119

3.1 引言119

3.1.1 概述119

3.1.2 制造方法的折中120

3.2 物理气相淀积122

3.2.1 蒸发122

3.2.2 溅射123

3.2.3 脉冲激光淀积126

3.3 电化学淀积126

3.3.1 电镀127

3.3.2 化学镀138

3.3.3 电镀和化学镀的比较143

3.4 LIGA和UV-LIGA工艺144

3.4.1 制备过程144

3.4.2 LIGA技术和UV-LIGA技术微结构的电镀145

3.4.3 多层金属结构147

3.5 金属材料特性和工艺选择指南150

3.5.1 附着性150

3.5.2 电气性能152

3.5.3 机械性能153

3.5.4 热性能154

3.5.5 磁性能155

参考文献156

4 聚合物材料的添加工艺162

4.1 SU-8162

4.1.1 材料性能164

4.1.2 加工种类165

4.1.3 课程学习167

4.1.4 SU-8的应用实例168

4.2 PDMS169

4.2.1 材料特性170

4.2.2 加工技术171

4.2.3 生物应用173

4.2.4 案例研究175

4.3 聚酰亚胺178

4.3.1 材料特性178

4.3.2 加工种类179

4.3.3 课程学习181

4.3.4 案例研究181

4.4 水凝胶182

4.4.1 明胶182

4.4.2 壳聚糖183

4.4.3 聚乙二醇185

4.4.4 案例研究186

4.5 聚对二甲苯187

4.5.1 材料特性188

4.5.2 加工工艺188

4.5.3 课程学习189

4.5.4 案例研究189

4.6 导电聚合物190

4.6.1 材料特性191

4.6.2 驱动机制和理论192

4.6.3 应用193

4.6.4 加工工艺194

4.6.5 案例研究196

4.7 其他聚合物197

4.7.1 苯并环丁烯197

4.7.2 液晶聚合物200

4.8 聚合物的压塑和模塑201

4.8.1 工艺概述201

4.8.2 衬底材料选择202

4.8.3 设备选择203

4.8.4 模具材料的选择和制造204

4.8.5 传统的模具加工方法206

4.8.6 工艺发展207

4.8.7 最小衬底厚度208

4.9 材料特性208

参考文献209

5 压电材料的添加工艺：压电MEMS230

5.1 压电薄膜简介230

5.1.1 正压电效应和逆压电效应231

5.1.2 材料——铁电材料和非铁电材料232

5.1.3 基本设计方程与模型236

5.1.4 材料选择指南249

5.1.5 应用249

5.2 极性材料：AlN和ZnO250

5.2.1 材料淀积250

5.2.2 图案化技术253

5.2.3 器件设计要点255

5.2.4 器件实例257

5.2.5 案例研究260

5.3 铁电材料：PZT262

5.3.1 材料淀积262

5.3.2 图案化技术267

5.3.3 器件设计要点270

5.3.4 器件实例274

5.3.5 采用PZT薄膜执行器的RF MEMS开关设计及工艺案例研究277

5.4 总结282

致谢282

参考文献283

6 形状记忆合金材料与工艺292

6.1 引言及原理292

6.1.1 基本原理292

6.1.2 TiNi和TiNi基三元合金介绍293

6.1.3 超弹性效应295

6.1.4 单程型、双程型、全程型SMA296

6.2 SMA执行器的材料特性与制造工艺296

6.2.1 体材料297

6.2.2 薄膜297

6.2.3 微机械加工299

6.2.4 刻蚀和剥离300

6.2.5 组装302

6.2.6 材料和工艺选择指导304

6.3 应用和器件309

6.3.1 医疗应用309

6.3.2 流体器件316

6.3.3 光纤开关319

6.3.4 触觉触点显示320

6.3.5 AFM悬臂梁321

6.3.6 案例研究322

6.4 总结325

致谢325

参考文献325

7 微机械加工中的干法刻蚀330

7.1 干法刻蚀330

7.1.1 刻蚀指标331

7.2 等离子体刻蚀334

7.2.1 刻蚀的类型335

7.2.2 等离子体源338

7.3 等离子体的工艺参数与控制342

7.3.1 能量驱动型各向异性刻蚀343

7.3.2 抑制驱动型各向异性刻蚀344

7.3.3 等离子体刻蚀的选择比345

7.4 实例：硅、二氧化硅和氮化硅刻蚀346

7.5 实例分析：高深宽比硅刻蚀工艺350

7.5.1 低温干法刻蚀350

7.5.2 Bosch工艺351

7.5.3 DRIE发展趋势354

7.6 压电材料的高深宽比刻蚀356

7.6.1 实例：玻璃（Pyrex）和石英的高深宽比刻蚀356

7.6.2 压电材料的高深宽比刻蚀359

7.7 化合物半导体的刻蚀361

7.7.1 实例：GaAs和AlGaAs的刻蚀362

7.7.2 实例：InP、InGaAs、InSb和InAs的刻蚀365

7.8 实例：离子束刻蚀367

7.9 总结369

参考文献371

8 MEMS湿法腐蚀工艺和过程376

8.1 引言376

8.2 湿法腐蚀原理和工艺架构378

8.2.1 表面反应和反应物／副产品传输382

8.2.2 腐蚀剂选择性和掩膜考虑385

8.2.3 直接腐蚀和剥离技术386

8.2.4 去除牺牲层387

8.2.5 减薄和去除衬底388

8.2.6 工艺架构的影响388

8.2.7 湿法腐蚀工艺的开发389

8.2.8 其他考虑和替代品392

8.3 湿法腐蚀设施和工艺的评估和开发394

8.3.1 设施要求394

8.3.2 圆片操作考虑396

8.3.3 安全问题397

8.3.4 培训398

8.4 IC兼容材料和湿法腐蚀398

8.4.1 氧化物和绝缘体的刻蚀399

8.4.2 硅、多晶硅、锗各向同性腐蚀406

8.4.3 标准金属腐蚀411

8.4.4 光刻胶去胶技术与圆片清洗工艺416

8.4.5 实例：IC兼容材料的湿法化学腐蚀421

8.5 非标准材料和湿法腐蚀424

8.5.1 非标准介质、半导体和金属刻蚀424

8.5.2 塑料和聚合物的腐蚀475

8.5.3 实例：非标准材料的湿法化学腐蚀475

8.6 硅各向异性腐蚀和硅腐蚀自停止477

8.6.1 硅的各向异性腐蚀478

8.6.2 重掺杂硅腐蚀自停止479

8.6.3 轻掺杂硅和锗硅腐蚀自停止485

8.6.4 离子注入硅腐蚀自停止486

8.6.5 电化学腐蚀和电化学腐蚀自停止487

8.6.6 光助硅腐蚀和腐蚀自停止492

8.6.7 薄膜腐蚀自停止494

8.6.8 实例：湿法化学和电化学腐蚀自停止496

8.7 牺牲层腐蚀497

8.7.1 牺牲层去除技术498

8.7.2 多晶硅微结构中牺牲氧化层的去除499

8.7.3 替代的牺牲和结构层组合500

8.7.4 用于增强牺牲层去除的腐蚀加速层504

8.7.5 漂洗液去除和抗粘附涂层505

8.7.6 实例：牺牲层去除和结构层释放508

8.8 湿法化学腐蚀形成多孔硅508

8.8.1 纳米多孔硅、中孔硅和大孔硅的形成509

8.8.2 选择性去除多孔硅511

8.8.3 实例：多孔硅形成512

8.9 湿法腐蚀的层分显和缺陷检测513

8.9.1 采用湿法腐蚀剂确定掺杂水平和缺陷514

8.9.2 采用化学腐蚀剂的层显517

8.9.3 例：层显和缺陷检测518

参考文献518

9 MEMS光刻和微加工技术545

9.1 引言545

9.2 紫外线（UV）光刻549

9.2.1 光掩膜549

9.2.2 光学投影系统554

9.2.3 光刻胶558

9.2.4 衬底562

9.2.5 紫外线光刻的工艺步骤563

9.3 灰度光刻567

9.3.1 光掩膜的像素化569

9.3.2 灰度光刻的光刻胶特性569

9.4 X射线光刻571

9.4.1 X射线掩膜572

9.4.2 X射线光刻胶574

9.4.3 曝光574

9.4.4 显影575

9.5 直写式光刻576

9.5.1 电子束光刻576

9.5.2 离子束光刻和聚焦离子束（FIB）579

9.5.3 气体辅助电子和离子束光刻582

9.5.4 蘸笔光刻（DPN）582

9.5.5 激光直写583

9.5.6 立体光刻和微立体光刻584

9.6 印刷／压印光刻587

9.6.1 喷墨印刷588

9.6.2 软光刻589

9.6.3 纳米压印光刻（NIL）590

9.6.4 转印591

9.7 案例研究594

9.7.1 案例研究1：衬底清洗——RCA Clean（s）595

9.7.2 案例研究2：衬底清洗，O2等离子体清洗595

9.7.3 案例研究3：衬底清洗，溶剂清洗596

9.7.4 案例研究4：正光刻胶加工：对于Shipley 1800系列光刻胶的一般处理596

9.7.5 案例研究5：正光刻胶加工：对Shipley S1813的特殊加工597

9.7.6 案例研究6：正光刻胶加工：对OiR 906-10的特殊加工598

9.7.7 案例研究7：负光刻胶加工：对NR7-1500PY的特殊加工599

9.7.8 案例研究8：电子束光刻600

9.7.9 案例研究9：PDMS模板的制作602

9.7.10 案例研究10：光掩膜的制造603

9.7.11 案例研究11：多光子吸收聚合（MAP）606

9.7.12 案例研究12：用聚焦离子束进行光刻607

参考文献609

10 MEMS中的掺杂工艺619

10.1 引言619

10.2 应用619

10.2.1 电特性619

10.2.2 腐蚀停止技术627

10.2.3 材料和工艺选择指南：腐蚀停止技术632

10.3 原位掺杂635

10.3.1 化学气相淀积635

10.3.2 晶体生长和外延637

10.4 扩散640

10.4.1 气相扩散642

10.4.2 固态扩散642

10.4.3 掩膜材料644

10.4.4 建模644

10.5 离子注入645

10.5.1 设备648

10.5.2 掩膜材料649

10.5.3 建模649

10.5.4 晶体损伤650

10.5.5 隐埋绝缘层651

10.5.6 案例研究：重掺杂多晶硅651

10.6 等离子体掺杂工艺652

10.7 杂质激活方法654

10.7.1 传统的退火方法655

10.7.2 快速热处理（RTP）655

10.7.3 低温激活656

10.7.4 工艺选择指南：杂质激活657

10.7.5 案例研究：快速热退火和传统热退火的比较658

10.8 测试分析659

10.8.1 电气测量659

10.8.2 结染色技术662

10.8.3 SIMS662

10.8.4 案例研究：结的表征和注入异常的分析663

参考文献664

11 圆片键合668

11.1 引言668

11.2 圆片直接键合671

11.2.1 背景和物理学672

11.2.2 成功实现圆片直接键合的参数673

11.2.3 成功实现硅片直接键合的一些推荐方法675

11.2.4 圆片直接键合过程677

11.2.5 阳极键合687

11.2.6 硅-玻璃激光键合691

11.3 带有中间材料的圆片键合691

11.3.1 热压键合691

11.3.2 共熔键合692

11.3.3 聚合物键合692

11.4 圆片键合技术的比较698

11.5 异质化合物的键合699

11.6 圆片键合工艺集成700

11.6.1 圆片局部键合700

11.6.2 圆片通孔技术701

11.7 圆片键合的表征技术706

11.8 已有的圆片键合平台708

11.8.1 圆片键合服务709

11.8.2 键合设备供应商710

11.9 总结714

参考文献714

12 MEMS封装材料720

12.1 MEMS封装及其应用720

12.1.1 封装类型721

12.1.2 MEMS封装与微电路或者集成电路封装的比较721

12.1.3 应用驱动及接口722

12.1.4 其他系统元件的接口723

12.2 封装选择725

12.2.1 金属727

12.2.2 陶瓷728

12.2.3 塑料730

12.2.4 阵列封装材料／圆片级封装731

12.2.5 定制封装731

12.2.6 硅密封732

12.2.7 玻璃密封732

12.3 盖子和盖密封733

12.3.1 光学应用733

12.4 芯片粘接材料及其工艺733

12.4.1 导电芯片粘接734

12.4.2 金属填充玻璃及环氧树脂735

12.4.3 其他芯片粘接材料735

12.4.4 倒装芯片键合737

12.4.5 载带互连737

12.5 引线键合737

12.5.1 金线键合738

12.5.2 铝系统739

12.5.3 铜系统740

12.6 电气连接工艺740

12.7 密封741

12.7.1 聚氨酯741

12.7.2 聚酰亚胺741

12.7.3 聚二甲基硅氧烷（PDMS）741

12.7.4 环氧树脂742

12.7.5 碳氟化合物（聚四氟乙烯）742

12.7.6 丙烯酸（PMMA）743

12.7.7 聚对二甲苯743

12.7.8 液晶聚合物（LCP）743

12.8 电气和温度要求744

12.8.1 电气特性考虑744

12.8.2 热学特性考虑744

12.9 气密性和吸气材料745

12.9.1 气密性和压力封装745

12.9.2 气密和真空封装745

12.10 质量和可靠性745

12.10.1 MEMS封装可靠性746

12.10.2 MEMS封装及质量保证748

12.11 案例研究749

12.11.1 MEMS加速度计750

12.11.2 微镜阵列751

12.11.3 MEMS麦克风751

12.11.4 MEMS光闸752

12.12 总结755

参考文献756

13 表面处理及平坦化760

13.1 防止粘附的释放工艺和表面处理技术760

13.1.1 湿法化学释放技术762

13.1.2 干法释放技术763

13.2 表面分析763

13.2.1 表面化学组分763

13.2.2 表面结构和形貌765

13.2.3 表面能测量766

13.3 MEMS的粘附和摩擦767

13.3.1 粘附和摩擦的测量767

13.3.2 表面粗糙度的影响769

13.4 MEMS表面的化学改性769

13.4.1 低表面能的处理769

13.4.2 硅氧烷和硅烷处理769

13.4.3 弱化学吸附的表面活性剂薄膜771

13.4.4 材料性能和工艺选择指南771

13.5 生物应用中的表面因素771

13.5.1 表面改性技术772

13.5.2 原始衬底表面的改性773

13.5.3 预处理衬底表面的改性780

13.5.4 案例研究792

13.6 光学应用中的表面涂层798

13.6.1 表面涂层上光学现象的基本原理798

13.6.2 材料特性和工艺选择指南810

13.7 化学机械平坦化824

13.7.1 综述824

13.7.2 应用828

13.7.3 抛光垫和抛光液830

13.7.4 不同材料的抛光考虑因素837

13.7.5 清洁和污染控制840

13.7.6 案例研究841

参考文献847

14 MEMS工艺集成859

14.1 引言859

14.2 工艺集成的概念860

14.3 集成化MEMS工艺的概念862

14.4 IC加工和MEMS加工的区别863

14.5 MEMS工艺集成的难点865

14.5.1 表面形貌866

14.5.2 材料兼容性867

14.5.3 热兼容性868

14.5.4 电路／MEMS分别加工869

14.5.5 设备制约870

14.5.6 电路／MEMS分离871

14.5.7 芯片的分割、组装和封装872

14.6 工艺集成的实现874

14.6.1 集成化MEMS工艺集成的策略875

14.7 可制造性设计877

14.7.1 综述877

14.7.2 可制造性器件设计877

14.7.3 可制造性工艺设计878

14.7.4 MEMS制造中的精度问题880

14.7.5 封装设计和组装882

14.7.6 可制造性系统设计882

14.7.7 环境偏差883

14.7.8 测量偏差883

14.7.9 可制造性设计的一些建议883

14.8 现有MEMS工艺技术回顾884

14.8.1 工艺选择指南884

14.8.2 非集成化MEMS工艺流程887

14.8.3 集成CMOS MEMS工艺技术综述929

14.9 MEMS工艺开发的经济现实950

14.9.1 MEMS开发成本和时间950

14.9.2 生产成本模型953

14.10 总结961

参考文献962