MEMS材料与工艺手册PDF电子书下载

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Ge 62

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SiO2 101

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-8 162

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 PDMS 169

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MEMS 230

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ZnO 250

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：PZT 262

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SMA 296

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 SIMS 662

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