薄膜材料与纳米技术
Thin Film Materials & Nanotechnology
北京科技大学材料科学学院 唐伟忠
Tel,6233 2475
E-mail,wztang@mater.ustb.edu.cn
课件下载网址,wztang_teaching@sina.com
下 载 密 码,123456
第九讲微机电技术和纳米机电技术
MicroEelectroMechanical &
NanoEelectroMechanical systems
(MEMs & NEMs)
提 要
MEMs发展简介
MEMs的制备技术基础
典型应用的 MEMs
Scale-up & scale-down：现代技术一方面表现为工程的规模越来越大，如三峡工程、人工登月计划等；另一方面，又越来越强调材料、器件、功能的小型化、微型化，如 IC,MEMs技术等
这些都是集现代技术之大成的产物。其中，所谓纳米技术就是目前最热的研究领域
Bottom-up & top-down技术：纳米技术中的后者是从宏观尺度的材料开始，运用各种加工手段，
形成微观尺度的系统的技术。在本课程中主要介绍后者
MEMs和 NEMs
MEMs技术集成了电子技术、传感器技术、材料技术等多领域的技术成果，是包含微电子器件和各种非电处理单元 —— 压力、温度、化学、机械
、光学传感、执行元件于一身的微型器件
MEMs是现代技术的一个新的发展方向，它起源于上世纪的 60年代，并正逐渐发展成为一个独立的产业
MEMs技术
MEMS市场趋势预测 III-Vs REVIEW,AUGUST 2005
III-Vs REVIEW THE ADVANCED SEMICONDUCTOR
MAGAZINE VOL 18 - NO 6 - AUGUST 2005
现代汽车中的压力测量 MEMs
BMW740i汽车共装备有 70多只 MEMs
MEMs的材料与加工技术
Si是微电子技术的基石，它仍然是 MEMs技术应用的主要材料。其他用到的材料还包括：金属,SiNx,SiO2、
SiC,金刚石等
MEMs的加工技术有
Si的体加工技术
Si的表面加工技术
高尺度比的微型电铸技术等
Si 的体加工技术
(Bulk micromaching)
Si的体加工技术是指在 Si片厚度 (?500?m)的尺度范围内对 Si进行加工的技术
Si的各向异性与各向异性化学腐蚀
对于 Si材料 的刻蚀可以是各向同性的，也可以是各向异性的
KOH溶液对 Si(100),(110),(111)面的刻蚀速率比为 40:30:1
HNA刻蚀
Si
KOH刻蚀
Si
Si的刻蚀方法的选择性与各向异性特性
HNA KOH XeF2 SF6
plasma
RIE
刻蚀类型刻蚀各向异性刻蚀速率
(?m/min)
氮化硅刻蚀氧化硅刻蚀
Al刻蚀
Au刻蚀
P型 Si刻蚀湿法否
1-3
很低
30nm/m
是可能是湿法是
1-2
很低
10nm/m
是否否干法否
1-3
很低很低否否是干法不定
1
很低很低否否是干法是
>1
很低很低否否是
<100>Si片在化学侵蚀后的表面及断面图
Si的各向异性刻蚀可被用来制造各种规则的形状，如倒金字塔形、坑道形等
Si片背刻蚀后得到的薄膜器件
Si的各向异性刻蚀被用来制造各种薄膜器件。其中，可利用
SiO2,p型搀杂 Si的选择性刻蚀特性
20% KOH @ 72?C?10 hrs,etches silicon along the (111) crystal plane
giving a 53? angle,Si3N4 is the masking material for the etching,
Si片背刻蚀后得到的薄膜器件
<100>Si各向异性化学侵蚀后的悬臂梁结构
Si的各向异性刻蚀可被用来制造微型悬臂梁机构
Si与各种材料的 键合技术在对 Si进行 体加工时,有时需要将 Si与各种材料键合、封接在一起。 Si与各种材料的键合技术包括,
粘合剂粘合 —— 利用粘合剂可实现材料间的相互结合
借助合金化层的钎焊 —— 利用在 Si表面沉积活性金属薄膜 (如 Ti,Au等 )，并以其作为过渡层，可以将 Si片与其他材料钎焊在一起
Si片与 Si片间的熔融键合 —— Si片之间，可以在表面足够平整的情况下，加热至 1000?C的高温下 使界面发生下述反应，达到将 Si的氧化表面键合在一起的目的：
Si-O-H + H-O-Si? Si-O-Si + H2O
Si与玻璃的阳极键合 —— （见后页）
Si-玻璃间的键合过程
Si与玻璃的阳极键合 —— 将 Si与玻璃叠在一起，加热至 300-400?C，同时在玻璃与 Si片间施加 1000V的高电压
。玻璃中的 Na+向阴极迁移，使玻璃 -Si界面处以静电力吸引、键合到一起。在此过程中,Si处于阳极位置，因而这一过程被称为阳极键合
Si(110)上 侵蚀出的微冷却孔道和其键合由各向异性刻蚀在 Si(110)表面形成冷却孔道,然后与其他材料键合
Si片键合工艺制备的闭合空腔利用 p型搀杂 Si的低的刻蚀速率，可溶解整个的 Si片而制备出 p型 Si
的部件，然后将其键合在玻璃上，可形成闭合的空腔反应离子刻蚀过程得到的弹簧微振子由高度各向异性的 RIE刻蚀，可刻蚀出高度：宽度比很大的微型结构；如由 RIE刻蚀、键合,RIE再刻蚀所形成的弹簧微振子
Si 材料的表面加工技术
(Surface micromaching)
Si的表面加工技术是指在 Si
片的表面层 (m)处，利用光刻的方法进行表层加工的技术由表面加工过程制备 Si的悬臂梁结构使用 SiO2作为整个制备过程中的过渡性材料 (sacrificial
layer),可以经由氧化、光刻支撑点,Si沉积,Si光刻、最后化学刻蚀 SiO2的流程，制备出悬臂梁结构表面加工法制备微密封腔的过程
仍使用 SiO2作为过渡性材料,可经氧化、光刻腔结构,Si
沉积,Si光刻,HF化学刻蚀 SiO2、最后对腔结构进行密封的流程，制备出微型的密封腔
密封的方法包括薄膜覆盖、氧化现有的材料、涂聚合物等表面加工形成微转子机构流程：
氧化物生长
氧化层刻蚀
Si+SiO2沉积
光刻
再次氧化物生长
光刻中心支撑点
再次 Si沉积
最后 HF化学刻蚀掉全部 SiO2
旋转机构的间隙保持在 1-3?m
表面加工形成微转子机构表面加工形成铰链式结构流程：
PSG/Si沉积
Si光刻
PSG沉积
PSG光刻
Si沉积
Si光刻
最后 HF化学刻蚀掉全部 PSG
PSG,易于被 HF刻蚀
,CVD的 P-Si玻璃表面加工形成铰链式结构
MEMs表面加工技术中的粘连问题
随着器件质量的减小，比表面积的增加，重力
/虹吸引力之比增加，使微型器件在湿法表面加工之后不易被分离，出现粘连的特有问题。
粘连问题的可能原因,SiO2表面的亲水性、范德瓦尔斯力等。目前尝试的解决问题包括：
处理过程中，以 CO2取代水溶液，在高压下使
CO2从液态到气态超临界蒸发
在表面上吸附、沉积使表面能降低的物质薄层
使用表面能较低的材料取代 Si
其他：微型电铸技术 —— LIGA
(lithography-galvanoformung-abformung)
由 X-射线光刻胶 PMMA制备型腔，电镀沉积金属，然后去除光刻胶以获得微型部件的方法其特点是 X-射线有大的穿透深度，可获得大的尺寸和尺寸比
LIGA—— micro posts
X-ray lithography has depth of focus that is measured in cm,
This structure is 10?m x 200?m
LIGA—— micro honeycomb
Honeycomb structure in PMMA,Openings of 80?m,wall
thickness of 7?m
其他：微接触印刷术
—— (microcontact printing process)
流程：
对 Si进行离子束图形刻蚀
液态聚 Si烷的型注与固化
微图形的“着墨” —— 它将对金属有强的亲和力
金属表面微图形的“印刷”
以微图形为掩膜进行光刻其他：纳米印制术
—— (nanoimprinting lithography process)
流程：
涂光刻胶
将带有显微图形的模具压入光刻胶涂层
光刻胶冷却固化或辐射固化
脱模
RIE清除图形底部的光刻胶
MEMs的优势在很大程度上依赖于其与 IC技术的集成
但 MEMs的工艺过程、化学试剂等往往与 IC技术不兼容
采用的方法有,
分别制造，后期组装
先 MEMs，后 IC
先 IC，后 MEMs
MEMs-IC并行制造
MEMs与 IC的集成化
MEMs与 IC的集成化
—— 先 MEMs,后 IC
光刻确定 MEMs区域，并沉积 SiNx绝缘层
MEMs制造，但留出 SiO2隔离下的 Poly-Si连线区
MEMs区域填充 SiO2，电化学抛光平整化
IC制造工艺，然后，沉积 SiNx层保护 IC区域
化学刻蚀掉 MEMs区域的 SiO2
过渡区
MEMs与 IC的集成化
—— 先 IC,后 MEMs
IC制造工艺，沉积 SiNx层保护 IC区域
光刻 SiNx形成 MEMs区域
SiO2层上制造 MEMs
使用 PSG作为主要的被刻蚀层
化学刻蚀掉 PSG
过渡区
IC制造工艺
电化学抛光
以第三金属层为掩膜，深度各向异性刻蚀 SiO2/Si层 +深度各向同性刻蚀 Si，隔离出可相对独立运动的 MEMs器件
MEMs与 IC的集成化
—— IC-MEMs混合型
MEMs与 IC的集成化
—— IC-MEMs
混合型
正面 IC制造
反面 MEMs刻蚀
使用 p+,p搀杂层限制 MEMs
的刻蚀区
以 Au覆盖 IC
作为其保护层一个实例：
数字投影技术 (DLP)
与 MEMs
投影仪与 MEMs
投影仪中装有一只
MEMs
投影仪的心脏
—— Digital Micromirror Device (DMD)
DMD中装有近 200万个小反射镜
DMD 的有 四层的层状结构
DMD中，每一个反射镜的尺寸只有 16?m?16?m
DMD实际上是一个光学的 MEMs
每个反射镜之下，隐藏着驱动机构和驱动电路
MEMs 反射镜的运动在电位,0” 和电位,1”的合力作用下，反射镜被倾动
MEMs 反射镜被 CMOS 所驱动反射镜可被倾动 +10?或 -10?
大量的反射镜形成了有序的图象电位,0” 和,1”与“
亮”和“暗”相对应
MEMs反射镜显示出的色调
kHz频率下，二进制的数字信号被转变为了图象信号彩色信号的调制方法一彩色信号的调制方法二彩色图象的显现
1024?768 象素
DMD 的制造技术
Al instead of Si is used as structural material in surface micromachining
Photoresist is used as sacrificial material and isotropically plasma etched
第九讲 小结
MEMs技术是建立在微电子技术、传感技术、材料技术基础之上的一个新兴的交叉学科
目前的 MEMs主要利用了 Si材料的微型机械部件与
IC的集成
薄膜技术是 MEMs技术的重要组成部分
MEMs的加工方法有 Si材料的体加工、表面加工等思 考 题
1,在仔细观察投影仪所使用的 DMD的基础上,扼要地规划出相应的 MEMs制造工艺流程
2,到图书馆去，查阅并复印一篇描述新型 MEMs
器件的科技论文，并摘录出其要点，连同原论文一起附在课程考试的答卷后面。要求：
（ 1）近三年发表的论文
（ 2）摘录出论文 250字的要点，建议包括器件的用途、采用的材料、制备的手段、工作的原理等方面的信息。
Thin Film Materials & Nanotechnology
北京科技大学材料科学学院 唐伟忠
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课件下载网址,wztang_teaching@sina.com
下 载 密 码,123456
第九讲微机电技术和纳米机电技术
MicroEelectroMechanical &
NanoEelectroMechanical systems
(MEMs & NEMs)
提 要
MEMs发展简介
MEMs的制备技术基础
典型应用的 MEMs
Scale-up & scale-down：现代技术一方面表现为工程的规模越来越大，如三峡工程、人工登月计划等；另一方面，又越来越强调材料、器件、功能的小型化、微型化，如 IC,MEMs技术等
这些都是集现代技术之大成的产物。其中，所谓纳米技术就是目前最热的研究领域
Bottom-up & top-down技术：纳米技术中的后者是从宏观尺度的材料开始，运用各种加工手段，
形成微观尺度的系统的技术。在本课程中主要介绍后者
MEMs和 NEMs
MEMs技术集成了电子技术、传感器技术、材料技术等多领域的技术成果，是包含微电子器件和各种非电处理单元 —— 压力、温度、化学、机械
、光学传感、执行元件于一身的微型器件
MEMs是现代技术的一个新的发展方向，它起源于上世纪的 60年代，并正逐渐发展成为一个独立的产业
MEMs技术
MEMS市场趋势预测 III-Vs REVIEW,AUGUST 2005
III-Vs REVIEW THE ADVANCED SEMICONDUCTOR
MAGAZINE VOL 18 - NO 6 - AUGUST 2005
现代汽车中的压力测量 MEMs
BMW740i汽车共装备有 70多只 MEMs
MEMs的材料与加工技术
Si是微电子技术的基石，它仍然是 MEMs技术应用的主要材料。其他用到的材料还包括：金属,SiNx,SiO2、
SiC,金刚石等
MEMs的加工技术有
Si的体加工技术
Si的表面加工技术
高尺度比的微型电铸技术等
Si 的体加工技术
(Bulk micromaching)
Si的体加工技术是指在 Si片厚度 (?500?m)的尺度范围内对 Si进行加工的技术
Si的各向异性与各向异性化学腐蚀
对于 Si材料 的刻蚀可以是各向同性的，也可以是各向异性的
KOH溶液对 Si(100),(110),(111)面的刻蚀速率比为 40:30:1
HNA刻蚀
Si
KOH刻蚀
Si
Si的刻蚀方法的选择性与各向异性特性
HNA KOH XeF2 SF6
plasma
RIE
刻蚀类型刻蚀各向异性刻蚀速率
(?m/min)
氮化硅刻蚀氧化硅刻蚀
Al刻蚀
Au刻蚀
P型 Si刻蚀湿法否
1-3
很低
30nm/m
是可能是湿法是
1-2
很低
10nm/m
是否否干法否
1-3
很低很低否否是干法不定
1
很低很低否否是干法是
>1
很低很低否否是
<100>Si片在化学侵蚀后的表面及断面图
Si的各向异性刻蚀可被用来制造各种规则的形状，如倒金字塔形、坑道形等
Si片背刻蚀后得到的薄膜器件
Si的各向异性刻蚀被用来制造各种薄膜器件。其中，可利用
SiO2,p型搀杂 Si的选择性刻蚀特性
20% KOH @ 72?C?10 hrs,etches silicon along the (111) crystal plane
giving a 53? angle,Si3N4 is the masking material for the etching,
Si片背刻蚀后得到的薄膜器件
<100>Si各向异性化学侵蚀后的悬臂梁结构
Si的各向异性刻蚀可被用来制造微型悬臂梁机构
Si与各种材料的 键合技术在对 Si进行 体加工时,有时需要将 Si与各种材料键合、封接在一起。 Si与各种材料的键合技术包括,
粘合剂粘合 —— 利用粘合剂可实现材料间的相互结合
借助合金化层的钎焊 —— 利用在 Si表面沉积活性金属薄膜 (如 Ti,Au等 )，并以其作为过渡层，可以将 Si片与其他材料钎焊在一起
Si片与 Si片间的熔融键合 —— Si片之间，可以在表面足够平整的情况下，加热至 1000?C的高温下 使界面发生下述反应，达到将 Si的氧化表面键合在一起的目的：
Si-O-H + H-O-Si? Si-O-Si + H2O
Si与玻璃的阳极键合 —— （见后页）
Si-玻璃间的键合过程
Si与玻璃的阳极键合 —— 将 Si与玻璃叠在一起，加热至 300-400?C，同时在玻璃与 Si片间施加 1000V的高电压
。玻璃中的 Na+向阴极迁移，使玻璃 -Si界面处以静电力吸引、键合到一起。在此过程中,Si处于阳极位置，因而这一过程被称为阳极键合
Si(110)上 侵蚀出的微冷却孔道和其键合由各向异性刻蚀在 Si(110)表面形成冷却孔道,然后与其他材料键合
Si片键合工艺制备的闭合空腔利用 p型搀杂 Si的低的刻蚀速率，可溶解整个的 Si片而制备出 p型 Si
的部件，然后将其键合在玻璃上，可形成闭合的空腔反应离子刻蚀过程得到的弹簧微振子由高度各向异性的 RIE刻蚀，可刻蚀出高度：宽度比很大的微型结构；如由 RIE刻蚀、键合,RIE再刻蚀所形成的弹簧微振子
Si 材料的表面加工技术
(Surface micromaching)
Si的表面加工技术是指在 Si
片的表面层 (m)处，利用光刻的方法进行表层加工的技术由表面加工过程制备 Si的悬臂梁结构使用 SiO2作为整个制备过程中的过渡性材料 (sacrificial
layer),可以经由氧化、光刻支撑点,Si沉积,Si光刻、最后化学刻蚀 SiO2的流程，制备出悬臂梁结构表面加工法制备微密封腔的过程
仍使用 SiO2作为过渡性材料,可经氧化、光刻腔结构,Si
沉积,Si光刻,HF化学刻蚀 SiO2、最后对腔结构进行密封的流程，制备出微型的密封腔
密封的方法包括薄膜覆盖、氧化现有的材料、涂聚合物等表面加工形成微转子机构流程：
氧化物生长
氧化层刻蚀
Si+SiO2沉积
光刻
再次氧化物生长
光刻中心支撑点
再次 Si沉积
最后 HF化学刻蚀掉全部 SiO2
旋转机构的间隙保持在 1-3?m
表面加工形成微转子机构表面加工形成铰链式结构流程：
PSG/Si沉积
Si光刻
PSG沉积
PSG光刻
Si沉积
Si光刻
最后 HF化学刻蚀掉全部 PSG
PSG,易于被 HF刻蚀
,CVD的 P-Si玻璃表面加工形成铰链式结构
MEMs表面加工技术中的粘连问题
随着器件质量的减小，比表面积的增加，重力
/虹吸引力之比增加，使微型器件在湿法表面加工之后不易被分离，出现粘连的特有问题。
粘连问题的可能原因,SiO2表面的亲水性、范德瓦尔斯力等。目前尝试的解决问题包括：
处理过程中，以 CO2取代水溶液，在高压下使
CO2从液态到气态超临界蒸发
在表面上吸附、沉积使表面能降低的物质薄层
使用表面能较低的材料取代 Si
其他：微型电铸技术 —— LIGA
(lithography-galvanoformung-abformung)
由 X-射线光刻胶 PMMA制备型腔，电镀沉积金属，然后去除光刻胶以获得微型部件的方法其特点是 X-射线有大的穿透深度，可获得大的尺寸和尺寸比
LIGA—— micro posts
X-ray lithography has depth of focus that is measured in cm,
This structure is 10?m x 200?m
LIGA—— micro honeycomb
Honeycomb structure in PMMA,Openings of 80?m,wall
thickness of 7?m
其他：微接触印刷术
—— (microcontact printing process)
流程：
对 Si进行离子束图形刻蚀
液态聚 Si烷的型注与固化
微图形的“着墨” —— 它将对金属有强的亲和力
金属表面微图形的“印刷”
以微图形为掩膜进行光刻其他：纳米印制术
—— (nanoimprinting lithography process)
流程：
涂光刻胶
将带有显微图形的模具压入光刻胶涂层
光刻胶冷却固化或辐射固化
脱模
RIE清除图形底部的光刻胶
MEMs的优势在很大程度上依赖于其与 IC技术的集成
但 MEMs的工艺过程、化学试剂等往往与 IC技术不兼容
采用的方法有,
分别制造，后期组装
先 MEMs，后 IC
先 IC，后 MEMs
MEMs-IC并行制造
MEMs与 IC的集成化
MEMs与 IC的集成化
—— 先 MEMs,后 IC
光刻确定 MEMs区域，并沉积 SiNx绝缘层
MEMs制造，但留出 SiO2隔离下的 Poly-Si连线区
MEMs区域填充 SiO2，电化学抛光平整化
IC制造工艺，然后，沉积 SiNx层保护 IC区域
化学刻蚀掉 MEMs区域的 SiO2
过渡区
MEMs与 IC的集成化
—— 先 IC,后 MEMs
IC制造工艺，沉积 SiNx层保护 IC区域
光刻 SiNx形成 MEMs区域
SiO2层上制造 MEMs
使用 PSG作为主要的被刻蚀层
化学刻蚀掉 PSG
过渡区
IC制造工艺
电化学抛光
以第三金属层为掩膜，深度各向异性刻蚀 SiO2/Si层 +深度各向同性刻蚀 Si，隔离出可相对独立运动的 MEMs器件
MEMs与 IC的集成化
—— IC-MEMs混合型
MEMs与 IC的集成化
—— IC-MEMs
混合型
正面 IC制造
反面 MEMs刻蚀
使用 p+,p搀杂层限制 MEMs
的刻蚀区
以 Au覆盖 IC
作为其保护层一个实例：
数字投影技术 (DLP)
与 MEMs
投影仪与 MEMs
投影仪中装有一只
MEMs
投影仪的心脏
—— Digital Micromirror Device (DMD)
DMD中装有近 200万个小反射镜
DMD 的有 四层的层状结构
DMD中，每一个反射镜的尺寸只有 16?m?16?m
DMD实际上是一个光学的 MEMs
每个反射镜之下，隐藏着驱动机构和驱动电路
MEMs 反射镜的运动在电位,0” 和电位,1”的合力作用下，反射镜被倾动
MEMs 反射镜被 CMOS 所驱动反射镜可被倾动 +10?或 -10?
大量的反射镜形成了有序的图象电位,0” 和,1”与“
亮”和“暗”相对应
MEMs反射镜显示出的色调
kHz频率下，二进制的数字信号被转变为了图象信号彩色信号的调制方法一彩色信号的调制方法二彩色图象的显现
1024?768 象素
DMD 的制造技术
Al instead of Si is used as structural material in surface micromachining
Photoresist is used as sacrificial material and isotropically plasma etched
第九讲 小结
MEMs技术是建立在微电子技术、传感技术、材料技术基础之上的一个新兴的交叉学科
目前的 MEMs主要利用了 Si材料的微型机械部件与
IC的集成
薄膜技术是 MEMs技术的重要组成部分
MEMs的加工方法有 Si材料的体加工、表面加工等思 考 题
1,在仔细观察投影仪所使用的 DMD的基础上,扼要地规划出相应的 MEMs制造工艺流程
2,到图书馆去，查阅并复印一篇描述新型 MEMs
器件的科技论文，并摘录出其要点，连同原论文一起附在课程考试的答卷后面。要求：
（ 1）近三年发表的论文
（ 2）摘录出论文 250字的要点，建议包括器件的用途、采用的材料、制备的手段、工作的原理等方面的信息。
