1.3 MEMS的制造技術

1.3.1 微電子加工工藝

MEMS制造工藝是集成電路工藝和微機械加工特有的工藝結合，而微電子加工工藝主要包括光刻、沉積、腐蝕、鍵合、外延、體硅加工、表面加工、LIGA（lithograph galvanformung和abformug的縮寫，包括X光光刻、電鑄、注模等工藝）技術、準分子激光工藝、分子操縱技術和封裝技術。

光刻技術是微電子加工的非常重要的技術，占微電子加工的三分之一，是衡量微電子加工工藝的重要指標。光刻技術的原理是利用光通過掩膜板上的圖形窗口，照射襯底上的敏感薄膜，在襯底上形成所需的圖形。其工藝主要包括掩膜制備、基片前處理、上膠、前烘、曝光、顯影、后烘、蝕刻、去膠。

沉積分為化學氣相沉積和物理氣相沉積。化學氣相沉積是利用氣體通過某種方式激活，在襯底上發生化學反應，而沉積出所需的固體薄膜。物理氣相沉積是通過蒸發，電離或濺射等過程，產生金屬粒子并與反應氣體發生反應形成化合物沉積所需要的薄膜。

腐蝕是利用化學和物理的方法對原有材料需要去除的部分進行去除。物理腐蝕是利用放電時產生的高能惰性氣體離子對材料進行物理轟擊，主要包括腐蝕性氣體離子的產生、離子轟擊基片、基片表面腐蝕和腐蝕反應物清除。化學腐蝕法是將腐蝕材料線氧化，在進行化學反應，使其生成氧化物進行溶解。

鍵合技術主要包括：陽極鍵合技術、硅-硅基片直接鍵合技術和金-硅共晶鍵合技術。陽極鍵合技術是在強電場作用下，將兩個被鍵合表面緊密貼在一起，通過氧-硅化學鍵將被鍵合的材料牢固的結合在一起。而硅-硅基片直接鍵合不需要任何黏結物也不需要引入其他材料，但必須在高溫下進行，1000～1200℃。金和硅的共熔溫度較低，大約363℃，因此金-硅鍵合過程是低溫鍵合。

外延技術是在單晶硅或GaAs的表面上生長出一層新單晶的技術，由襯底表面線外延伸的稱為外延。

體硅加工技術是通過腐蝕技術有選擇性地去除部分硅基片以形成微機械結構。

表面加工技術是通過在硅基底上形成薄膜，并按要求對薄膜進行加工，從而得到完全建立在硅基底表面上的MEMS技術。主要優點是與常規的集成電路工藝兼容。

LIGA技術是20世紀80年代由德國的Karlsruhe研究中心在制造微噴嘴時研制出來的，主要工藝包括深層同步輻射X射線光刻、電鑄成型和注塑成型。LIGA技術具有可制造出大的高寬比的結構、材料廣泛、加工精度高及可重復復制。

準分子激光器輸出波長處于電磁波普紫外區域的射線，通過吸收強的紫外線，準分子激光輻射的整個能量就集中在材料的一個薄層內，從而形成高能量密度。

分子操縱技術是通過對分子的操縱實現在納米尺度上對材料進行加工。實現分子操縱的設備主要有掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和光鑷子。

MEMS封裝技術中面臨的主要問題是MEMS的核心元件都是敏感元件，工作時需要同外界環境接觸，對于執行元件來說，問題是執行元件的接口。封裝設計中需要考慮的問題包括封裝和制造的成本、封裝同外界環境的關系、封裝可靠性、非工作黏附對封裝的影響及盡量減少引線和接點。

1.3.2 精密加工

精密加工是在亞微米量級下進行加工的，主要的工藝有精密磨削、研磨、激光加工、電子束加工、離子束加工。

精密磨削主要加工硬質材料，機床精度、砂輪材料、砂輪修整方法、加工余量、磨削深度、走刀次數和切削液體是影響加工質量的主要因素。

研磨是在器件表面和研具間加入研磨劑，在一定壓力下使磨具和被磨器件做相對運動，從而使得研磨劑中的大量微粒均勻地將器件表面抹掉一層極薄的物質。

激光加工是利用高能量的激光束轉化為熱能，對器件進行切割、打孔和焊接等操作。激光加工具有加工速度快、效率高、熱響應小、沒有工具耗損等優點。

電子束加工工藝是在真空條件下，用電流加熱陰極發射電子束，利用聚焦加速后的電子束具有很高的能量，并以極高的速度沖擊到被加工的器件表面上，動能轉化為熱能，實現對材料的加工。

離子加工是把惰性氣體通過離子源產生離子束，也是利用熱能對材料進行加工。

1.3.3 特種加工

特種加工是利用化學能、聲能、光能和電能實現高能量密度的加工；主要包括電火花加工、線切割加工、電解加工、電鑄加工和超聲波加工。

電火花加工是在工具和器件之間施加脈沖電壓時，兩極間產生很強的電場，由于器件表面凹凸不平，使間隙中的電場強度不均勻，最凸出的地方電場最大，產生電火花放電，局部產生的高溫將被加工材料腐蝕的加工方法。

線切割加工是利用移動的工具線電極穿過被加工器件上的孔，通過正交工作臺按照預定的軌跡運動，就可以切割出所需要的器件形狀。

電解加工是利用金屬電解液將器件加工成型的，加工時器件接電源正極，加工工具接電源負極。電解加工效率高，是電火花加工的5～10倍，而且不受材料的影響，表面沒有毛刺。

電鑄加工時，電鑄材料作陽極，導電原模作陰極，電鑄液中的金屬離子在陰極還原成金屬，沉積在陰極原模上，陽極金屬原子逸出電子后溶解在電解液中，從而保持溶液中的金屬離子濃度不變。

超聲波換能器將超聲波發生器所產生的高頻振動轉化成高頻機械振動，借助變幅桿將振動的幅度放大，驅動工具端面做超聲波振動。被加工器件和工具之間加入磨料，工具的振動將磨料顆粒加速，使顆粒不斷沖刷器件表面，實現對器件的加工。