MEMS工艺实例在线视频

同学们好

前面三节课程我们学习了

微机电系统的定义

体型微纳加工工艺技术

和表面微加工技术等

制造微机电系统的办法

这一节呀 我们举两个制造

微机电系统的实例的例子

进一步学习如何制造MEMS器件

首先我们来看一个在MEMS领域

比较简单却很经典的例子

那就是悬臂梁

悬臂梁呢是在微米量级上做一个器件

它一端固定 一端没有约束的

微型结构叫悬臂梁

在生物 化学领域

以其高灵敏度和低成本等优势

在气体探测方面应用很广泛

这张电镜图呢就显示了一个制备完成的

不同的宽度的微悬臂梁

最里面的窄一点 最外面的宽一点

微悬臂梁的工作原理呢

是在悬臂梁的表面上

涂一些化学敏感层

包括金属膜或者有机聚合物等

那悬臂梁吸附特定的气体

它质量就发生变化

导致悬臂梁共振频率发生偏移

那么我们在根据这个频率偏移的大小呢

这就可以反映这个气体浓度的变化

于是同时悬臂梁表面应力变大

它会产生一些弯曲

通过这个弯曲程度呢

也可以反映气体浓度的变化

所以说这两个原理呀

对应来讲悬臂梁就存在两种工作方式

一种叫谐振工作方式

一种叫静态工作方式

我们刚才提到了

悬臂梁结构是一端固定

一端没有约束的微型结构

所以它结构是很简单的

有两个部分组成 一部分是支撑体

一般来说是硅的这个基片 硅的圆片

作为悬臂梁的支撑

另一部分呢就是悬臂梁

那就作为我们的气体探测的主体部分

那如何进行悬臂梁的设计呢

刚才我们提到悬臂梁的两种工作方式

对吧 一种是静态工作模式

一种是谐振工作模式

所以在确定操作之前

首先你需要确定采用哪种工作方式

是适合你的这个应用的

那如果对于静态工作方式而言

它表面的应力差与悬臂梁的参数

自由端的位移之间的关系呢

就可以用这个公式来确定

就是这里的sigma1和sigma2

它两个相减就是上下表面的应力差

它的L和T就是这个微悬臂梁的长度和厚度

这个Δd 呢就是这个微悬臂梁自由端的位移

对吧 那这个E和v呢

就是我们使用悬臂梁的这个材料

它的杨氏模量和泊松比

所以通过这个公式的计算啊

我们可以看出来

悬臂梁的长度和厚度

是一个比较重要的因素

因为选定材料之后

它的杨氏模量E和泊松比v就决定了

它是一个常数 根据我们的要求

这个巨大的应力差和巨大自由端的位移

来确定L和T之间的关系

将某一个值选在一个合理的范围之内

就能确定另外一个参数了

决定是多长的悬臂梁 多厚 对吧

如果在另外一种情况下

对于谐振工作方式

那它的质量变化呢

与悬臂梁的长度 宽度 厚度的参数

以及平移的变化

那这种情况它都会有影响

它是满足下面这三个公式

大家可以看到这三个公式

m0是悬臂梁的有效质量

这Δm呢是质量的变化

这个e呢是构成这个悬臂梁材料的弹性模量

还有这里面的f0是基频谐振频率

f1就是偏离基频的谐振频率

和我们前面的分析很相似啊

我们可以通过预先设定好

极限的这个质量变化

和最大的这个基频的偏移量

那么将其中的一个参数选取在合适的一个值

就可以通过解方程的办法

得到另外两个常量

所以总的来说就是说

我们用悬臂梁的时候

你首先知道哪种方法适合你

第二讲你要知道我的长宽大概是

在什么范围是比较合理的 对吧

你太小了也有问题

你太长了你制造工艺也有问题

那这样子呢 你选定一个合理值

就可以把另外一个算出来了

当我们悬臂梁的长 宽

还有它的厚度都已经知道的话

那悬臂梁就可以去制备出来了

那下面我们就讲我们怎么来制备这个悬臂梁

其实在前面的课程里面 我们已经

体硅里面我们也讲了怎么做悬臂梁

我们刚刚的表面的加工方法里面

也讲了悬臂梁的制备方法

我们在今天的这个课里面再进一步地学习一下

我们介绍一种比较简单的方法

首先呢我们从硅片的基底开始

第一步淀积一层牺牲层

它可以是这种氧化硅

比如说用PSG的氧化硅的薄膜

那厚度呢一般是2到3个微米

对吧 2.5微米

等二步呢我们采取光刻的办法

并且刻蚀这个牺牲层 我们定义的牺牲层

光刻的时候呢 光刻胶可以采用PMMA

对吧 曝光的光源用紫外的波段

那么我们可以用KOH

氢氧化钾作为显影液

刻蚀的过程中呢 我们还可以采用RIE

等离子体的干法刻蚀 这是第二步

第三步呢我们就淀积这个结构层和这个敏感层

所以这里面是一个共淀积

我们结构层和敏感层是一起淀积的

我们要要求这个薄膜的均一 稳定

那么我们可以采用氮化硅作为结构层

那为了满足薄膜的要求呢

我们可以采用LPCVD的办法来淀积

因为这样子我们氮化硅的这个质量比较好

厚度呢一般是0.5微米到1.5微米

对这个敏感层我们一般来采用金属层

但这个厚度就比较薄一点

它是50纳米到300纳米

然后呢我们再用这个RIE

这是一种干法刻蚀的办法

把多余的部分给它去掉

我们现在图上看不见

它可能另外一个方向部分给它去掉

那第四步呢

就采用这个液相湿法腐蚀

把这个里面的牺牲层 就原来的二氧化硅层

给它移走 那么采用特定的溶液

或液体去除牺牲层 比如说用氢氟酸

用稀释的氢氟酸来刻蚀这个PSG的氧化硅

接着呢我们用去离子水

给它彻底地清洗干净干燥

那这样子最后呢我们的悬臂梁就制备完成了

就这么一个很简单的过程

就这个过程我们给了一个例子

是用表面微加工的办法来做的

所以说这张表大家可以看到

是总结了这个悬臂梁的制作的加工流程

可以看出即使加工这么简单的

就一个梁啊 这个结构啊

也需要数十步的这个工艺步骤

好 前面这是我们讲的第一个案例

希望同学们能够回去自己再想一想看一看

这样可以加深理解 第二个案例呢

我们重点介绍一下如何制备数字微镜芯片

英文名叫Digital Mirror Device

简称DMD 它的是1987年

由德州仪器公司 就是TI公司

你比如Larry Hornbeck发明的

那这个DMD芯片上呢

就集成了数百万个可控制方向小镜子

每个小镜子都可以独立的

在正负方向上翻转10度

而且可以达到每秒进行高达

65000的翻转的这种很高的频率

光源通过这些小镜子选择性的反射到屏幕上

那直接形成我们常见的投影图象

这个DMD芯片现在广泛的使用在投影机上面

如果你看到投影机上面标了一个DLP投影机

那它就是采用了DMD芯片

那就说明这里面就用了一个MEMS芯片

那DMD芯片的整体结构和截面图

我们这边给大家显示了一下

大家可以看到就是一个小镜子在这个上面

在这个胶垫上面可以动来动去的 对吧

它可以往前面这个方向各旋转

不超过10度的一个范围

那么右边的这个图呢

是把它拉开了

可以看到它里面各层结构

那今天我们会简单学习一下怎么做它

我们可以看到每个微镜结构上方

是一个微镜

下方是控制微镜进行翻转的结构

最下面呢是控制电路的模块

我们通过控制信号呢

可以独立的控制数百万个

每个微镜的指向都是可以单独控制的

这样我们决定每个像素的

光是否投到投影屏幕上发光

同时这样就可以决定每个像素的亮暗程度

所以这样几百万个微镜单元

投射到几百万个像素单元上

就实现了一个大的一个图形的一个投影功能

我们来看一下这个微镜单元

是怎么通过MEMS工艺来实现的

好 这是我们的流程图

第一步我们在做好CMOS

电路的硅衬底上淀积层是二氧化硅

这很容易 对吧

然后呢淀积和图形化一层金属层

用于引出和传输底部的

电路控制信号这个金属层

然后再淀积和图形化一层牺牲层

这是第一步

第二步呢在牺牲层上面呢

淀积一层作为铰链的金属结构层

和作为铰链掩膜的二氧化硅层

第三步呢 再淀积一层金属层作为

轭和用于图形

图形化轭的这个氧化的掩膜层

Yoke 英文叫Yoke

第四步呢

使用最上层的氧化层

作为掩膜刻蚀这个轭的金属层

然后将掩膜层去除得到所示的这个结构

那第五步呢 就淀积第二层牺牲层

刻蚀一个锚点

淀积微镜薄膜层和微镜的掩膜层

这是第五步

最后一步呢

就使用微镜的掩膜层作为刻蚀的保护层

刻蚀出微镜的形状

然后用湿法刻蚀去掉所有的牺牲层

得到了微镜结构

所以大家可以看到这里面有好多的牺牲层

很多个结构层 最后呢

我们通过湿法刻蚀的办法

把这个牺牲层 二氧化硅的这个去掉

所以大家也看到了在这个MEMS里面

很多情况下都采用二氧化硅

作为一个牺牲层 那最后如何释放

这个结构啊就把二氧化硅去掉这个过程

就很关键了

好的 通过今天课程的学习

结合之前学习的各种各样的单步工艺

我们共同学习讨论了如何制备悬臂梁

和如何制备微镜单元的

这么一个微机电系统的一个过程

希望同学们回去呢

可以从网络上找一找其他的MEMS制备的案例

你看一看 你看那个MEMS结构

你就想一想它怎么做的

比如硅麦克风 比如说陀螺仪

你至少说回去用我们所学的知识

是不是能画出一个简单的流程图出来

这样子呢可以进一步加深

对于微机电系统制备的理解

那么讲完今天这一节

我们就把所有的MEMS的课程讲完了

好的 今天的课就讲到这里 谢谢大家