微系統技術在汽車覆蓋件生產中的應用

微系統技術在汽車覆蓋件生產中的應用

0mems的微系統組成微系統是指微電子機械系統或微電機械系統，以下簡稱ss。實際上,微系統的范圍很寬泛,它是以微電子學,微電子機械系統以及微生物,流體學等學科為基礎的一門綜合性學科,是集成微型機械、微型執(zhí)行器以及信號處理和執(zhí)行電路、接口、通信和電源等于一體的系統,其應用拓展到機、光、電、熱、化學、生物等很多領域。微系統的組成如圖1所示,其中,傳感器將外界信息轉變成電信號送給處理電路,信號經處理傳遞給執(zhí)行器,執(zhí)行器件再根據收到的信號做出響應。與MEMS的主要區(qū)別在于,MEMS產品可以只涉及系統的某個部分或者全部系統,但是微系統一定是整合了各個模塊的智能系統。與傳統裝置相比,微系統器件具有微型化、集成化、智能化、成本低、性能高、可大批量生產等優(yōu)點,廣泛應用于儀器測量、無線通訊、軍事國防、生物化學、能源環(huán)境等領域,并已產生深遠影響。1微機械結構制造技術微系統的發(fā)展和MEMS的發(fā)展都是隨著集成電路制造技術的發(fā)展孕育而生的。微系統初期主要研究的是半導體材料及其在物理器件中的應用。1959年,美國著名物理學家Feynman提出了微計算機,微機械和微器件的設想;20世紀60年代,Waggener等人進一步完善了各向異性刻蝕技術使微壓力傳感器的制造成為可能。伴隨著鍵和技術的出現,Honeywell和Philips公司利用硅玻璃鍵和技術,結合壓阻效應制造出微壓力傳感器。Nathanson用表面技術實現了靜電力驅動SiO2懸臂梁諧振FET和光反射鏡;20世紀80年代,表面微加工技術更加完善,反應離子深刻蝕技術和LIGA技術的發(fā)明使高深寬比三維結構的制造成為可能,并制造出扭轉微鏡、原子力顯微鏡、懸梁壁結構和靜電馬達等微結構器件;20世紀90年代,微系統進入高速發(fā)展時期,表面微加工進一步完善,德國和日本分別研發(fā)了干法深刻蝕技術、加速度傳感器、微陀螺、光開關等大量微結構器件,推動了很多領域的技術發(fā)展。目前,北美洲和歐洲處在微機電系統和微系統工業(yè)的最前沿,已形成了一條完整的產業(yè)鏈,其中包括微系統設計公司,微系統設備供應商,設計代工廠和提供設計和模擬的CAD工具廠商。設計公司根據用戶需要設計研發(fā)新型器件;設備供應商研制出大量功能強大的設備供設計和代工廠使用,例如ElectronicVisions公司的雙面掩模對準機,STS公司的深反應離子刻蝕機;代工廠適合大批量的生產產品,同時降低產品成本,比較有名的公司有美國的Cronos集成微系統公司和法國的Memscap公司;CAD公司提供有效微系統設計軟件,例如美國的Ansys和CoventorWare等。借助高端技術,大量微型器件被生產并運用在相當廣泛的領域,例如射頻開關和微鏡陣列被應用于筆記本電腦和投影設備;硅麥克風、光開關陣列、波分復用器、射頻濾波器等被應用于手機等通訊設備;汽車制造業(yè)當中最常用的微器件有微機電系統壓力表、微加速計、MEMS陀螺汽車導航儀;醫(yī)學方面有神經探針、懸浮微塊陣列免疫芯片等;而武器制導、超小型低功耗無線通訊設備、軍事跟蹤、安全勘查、環(huán)境監(jiān)控等領域都需要大量微結構器件,因此,微系統設計和制造技術必然會占領極其重要的地位。國內,清華大學利用半導體制造技術研制出微陀螺。除此之外,北京大學、復旦大學、東南大學等一些高校以及中科院、信息產業(yè)部等單位在近些年有不錯的發(fā)展,例如某研究所發(fā)明的多層三維微機械結構一次成型技術可以一次性腐蝕出多層三維微機械結構,在干法刻蝕和芯片封裝方面有獨創(chuàng)的技術。目前,國內微結構器件主要應用于通訊、電子和汽車制造業(yè),代工廠集中在珠江、長江三角洲以及北京、臺灣產業(yè)園區(qū),一批新的微系統公司也即將成立,這必然會帶動全國高新技術的發(fā)展。2微系統制造技術2.1微系統制造工藝集成電路(IC)工藝制造技術是通過多次的薄膜淀積、光刻、擴散注入、刻蝕等基本工藝操作來實現的,制造過程如圖2所示。微系統的制造技術在發(fā)展前期大量借助IC制造技術,制造小型器件并與電路集成實現微型化。但隨著技術的不斷進步,為實現更高的技術要求,微系統還需要大量與IC設計工藝不同的制造技術,比如各向異性刻蝕技術,反應離子深刻蝕(DRIE),光刻模鑄電鍍成型技術(LIGA),雙面刻蝕,鍵合,軟光刻技術等。這些工藝主要是解決傳統IC制造所不能加工的高深寬比和可動結構的問題。與IC制造過程相比,微系統的制造過程更為復雜,因為IC器件是二維平面器件而微系統中絕大多數為三維器件。此外,微系統結構工作時是運動著的,這就對器件的可靠性提出了更高的要求。2.2電容對聲音信號的影響圖3為一種電容式微型硅麥克風,多晶硅波紋膜片與硅襯底刻蝕的背板構成電容的兩個極板,當聲壓作用在膜片上時,膜片的變形改變了電容的大小,通過測量電容可以得到聲音信號。這種復雜的微結構難以用IC工藝實現,必須采用微加工技術制造。微加工技術包括體微加工技術和表面微加工技術以及特殊微加工技術。體微加工是指沿著襯底厚度的方向對襯底進行刻蝕的工藝,包括濕法刻蝕和干法刻蝕,是實現三維結構的重要方法。當刻蝕速度在各個方向上相同時,刻蝕為各向同性,否則為各向異性。2.2.1氧化劑和堿土濕法刻蝕是一種化學加工方法,它利用刻蝕溶液與被刻蝕材料發(fā)生化學反應實現刻蝕,可分為各項同性刻蝕和各向異性刻蝕。(1)各項同性刻蝕常用的各項同性刻蝕溶液是氫氟酸(HF)、硝酸(HNO3)、和乙醇(CH3COOH)的混合物,簡稱HNA。硝酸是強氧化劑,可以將硅氧化為二氧化硅;氫氟酸提供的氟離子將二氧化硅變?yōu)榭扇苄曰衔飶亩鴮崿F刻蝕。總體反應式為:刻蝕的速率依賴于溶液中3種成分的比例并且和硅襯底的摻雜濃度有關,刻蝕速度一般為4~20μm/min。這種方法多用來去除表面損傷,異性刻蝕產生的尖角以減小應力以及在表面微加工中釋放懸浮結構,刻蝕平面,薄膜或者較薄結構等。(2)各向異性刻蝕堿金屬的氫氧化物溶液、聯氨的水溶液、EDP以及TMAH等堿性溶液對硅的刻蝕速度和晶向有關,屬于各項異性腐蝕。其中堿性溶液的刻蝕總反應式為:OH-刻蝕的速度與襯底晶向和溶液溫度濃度有關,溫度的影響比較明顯,在80~85℃下刻蝕速度一般為1~1.4μm/min。這種方法可以根據需要腐蝕不同晶向的材料得到復雜的微結構,而且工藝相對簡單,已經成功運用在壓力傳感器、加速度傳感器等器件的生產上。2.2.2氟基化合物sf6晶圓刻蝕法干法深刻蝕是指利用反應離子深刻蝕(DRIE)進行的體硅各向異性刻蝕工藝,刻蝕速度是一般濕法各向異性刻蝕的2~15倍,可達2~20μm/min,而且刻蝕的結構不受晶向影響,刻蝕深寬比大于50。目前最常用的是由德國Bosch公司發(fā)明的時分復用法和日本Hitachi公司發(fā)明的低溫刻蝕法,都是利用氟基化合物SF6產生的等離子體轟擊襯底進行刻蝕,同時對非刻蝕面產生保護層,防止各向同性刻蝕。低溫刻蝕方法設備成本高但制作出的結構表面更光滑;時分復用法的刻蝕速度較快,成本上更占優(yōu)勢。利用干法深刻蝕技術已成功生產出諸如微型慣性儀,微型陀螺,可調微型反射鏡,光開關等大批微型器件,成為制造高深寬比,復雜微結構器件不可或缺的技術之一。2.3淀積損失石結構表面微加工技術是采用薄膜淀積,光刻以及刻蝕等工藝手段,通過在犧牲層上淀積結構薄膜,然后去除犧牲層來得到所需結構。其工藝過程如下:首先在襯底上淀積犧牲層,對其光刻形成結構層的支撐錨點,然后在犧牲層上淀積結構材料,刻蝕結構材料,最后腐蝕犧牲層,固化結構。如圖4所示,美國Sandia實驗室利用微表面技術制作的具有5層多晶硅結構的齒輪轉動系統,由靜電驅動器驅動連桿帶動齒輪轉動。表面微加工技術采用薄膜淀積、刻蝕等基本工藝,與IC制造技術兼容性好,但IC設計制造需嚴格控制器件的電學性能,而表面微加工則對器件的力學特性要求較高,而且需要解決粘連、殘余應力、摩擦、驅動等問題。2.4特殊微加工技術2.4.1在玻璃中的應用微加工工藝中有時需要將兩塊微加工后的芯片粘接在一起以獲得復雜構造,實現更多的功能,由此產生鍵合技術。其方法主要有焊接、融接、陽極結合、擴散結合等。焊接是將焊劑夾入基板間,在一定溫度且加壓情況下使基板間連接起來。焊劑包括有機薄膜,聚酰亞胺,低融點玻璃等,適于精度要求不高的情況;融接技術是使玻璃基板重疊,在真空中加熱到融著溫度使二者結合的方法;陽極鍵合是在硅和玻璃間加上約600~2000V的電壓,溫度300~400℃情況下,利用二者間的靜電引力使其結合;擴散結合是利用壓力產生的接觸面的輕微變形在一定溫度下使原子擴散產生結合力,從而使基板間粘接起來。其中,硅直接鍵合(SDB)技術比較常用,其原理是在高溫下形成硅片之間或者硅與二氧化硅的連接。兩硅片通過高溫處理可直接鍵合在一起,中間不需任何粘結劑,也不需外加電場,工藝簡單,過程是將兩拋光硅片經含OH-的溶液浸泡處理,在室溫下將兩硅片面對面貼合在一起,在保護氣體環(huán)境中經數小時的高溫處理后就形成了良好的鍵合。2.4.2x-ct-l-p-n-pb材料該技術利用X光厚膠,X射線發(fā)生器和電鍍設備來制造高深寬比結構。其基本工藝原理如圖5所示。(1)光刻:在導電襯底上涂厚光刻膠,這層光刻膠在MEMS制造中被稱為抗蝕劑。它的化學特性是在X射線的照射下某些化學鍵斷裂導致化學抗蝕力的變化,使得被照射的材料可以被顯影劑溶解,一般用甲基丙烯酸甲酯(PMMA)?？刮g劑采用直接聚合或者焊接的方式與基地金屬板連接在一起,厚度可達幾毫米。然后對抗蝕劑進行掩模光刻。LIGA技術中的掩模板與傳統IC制造有差別,掩模板由吸收體和載體薄片構成(如圖5(a)所示),吸收體要求對X射線有很好的吸收性,一般用金做材料。載體薄片需要對X射線有較好的透射率,厚度很薄。經X射線照射的抗蝕劑經顯影之后得到圖5(b)的結構。(2)電鍍:如圖5(c)所示,用電鍍的方法在圖5(b)的微結構上沉積金屬,要求在最小的應力下進行,這樣不會引起微結構變形,而且在開模的過程中不會粘連以致破壞微結構。一般電鍍材料有金、銅、鎳以及鎳合金等。(3)成型:將圖5(c)的結構用X射線照射并顯影后得到金屬微結構模型,被稱為模型型心,如圖5(d)所示。通過型心便可以大批量的生產微型器件。不過由于前面步驟工藝復雜,制造出的型心成本高昂,因此需要制造型心模板,原始的模型型心被保留,而使用模板大量生產微結構器件。目前成型的方式一般有兩種,一種是注射成型方法,一種是熱模壓印成型方法。注射成型是選用合適的材料將其融化注入到模型的空隙當中,如圖5(e)所示,然后使其冷卻凝固,最后脫模成型,如圖5(f)所示。這種方式同樣要注意注入材料的應力特性,保護型心不被損壞。熱模壓印成型的方法是利用模型型心在高溫條件下對器件材料進行壓印,分離冷卻后即得到所需結構,即用圖5(d)的模板型心在高溫條件下對圖5(a)材料直接壓印得到圖5(f)的效果。此方法需要注意的是由于在高溫下進行壓印,冷卻后結構可能有所收縮,進而導致器件損傷或者尺寸不足,所以應盡量選用熱膨脹系數小的材料加工。目前,基于LIGA技術研發(fā)的成果有微型傳感器(溫度傳感器和加速度傳感器)、微電機、微型泵、集成光學和微光學元件、微型馬達、渦輪機、微型噴嘴、微型濾波片、微型機械零件、微型醫(yī)療器件和裝置、流體技術微元件、納米技術元件及系統等。2.4.3納米結構的轉移納米壓印技術是在LIGA技術中熱模壓印成型方法基礎之上衍生出來的技術,利用具有納米結構的模具,通過熱壓、UV曝光等方式將此結構轉移至特定材料上,使其達到量產的目的。此技術生產出的器件可達到納米級線寬,比半導體光學曝光顯影技術小很多,而且轉印速度快,具有量產優(yōu)勢。2.4.4制造深度和比例結構(1)深寬比結構器件主要是利用反應離子深刻蝕(DRIE)和多晶硅淀積相結合制造高深寬比多晶硅結構。首先在硅襯底上利用DRIE技術刻蝕深槽,之后用LPCVD技術淀積足夠厚的氮化硅作為保護層和絕緣層,之后高溫LPCVD一層二氧化硅作為犧牲層,對其光刻腐蝕,再淀積多晶硅填充硅深槽,并對多晶硅摻雜使之具有導電性。然后在多晶硅表面淀積金屬并刻蝕成為電極。如果需要,還可以在此基礎上再進行深刻蝕,然后進行橫向刻蝕,使器件具有懸臂式等復雜結構。利用此技術可以制造出200:1的深寬比結構器件,遠大于普通刻蝕深寬比。值得一提的是,多晶硅力學特性不是很理想,淀積過程中容易產生缺陷,而單晶硅抗沖擊性能好,與襯底可直接連接,因此也有機構用HARPSS相類似的方法制造單晶硅高深寬比結構,并已成功用于制造RF諧振器、RF可調電容、加速傳感器、陀螺等器件。(2)drie-drie-錨點鍍導電工藝SCREAM是一種利用反應離子深刻蝕(DRIE)各向異性和各向同性相結合的方法制造單晶硅懸空結構的方法。其工藝流程主要有以下幾個環(huán)節(jié):在硅襯底上生長二氧化硅,光刻使之刻出窗口,DRIE深刻蝕形成深槽,淀積二氧化硅使之將深槽覆蓋,然后利用各向異性刻蝕深槽底部的二氧化硅,使底部的硅暴露出來,再將硅刻蝕一定深度之后進行橫向刻蝕,最后鍍電極成型。該方法主要受淀積二氧化硅方法的共型能力限制,一般可實現超過10:1的深寬比。(3)在合成礦中的應用利用反應離子深刻蝕和絕緣體硅來制造單晶硅的三維微機械結構是目前比較常用的方法。在SOI中間有一層二氧化硅可以直接用來制