文章來源：老千和他的朋友們

原文作者：孫千

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro-electro-mechanical System，亦稱微系統(tǒng)），是一類在微尺度下實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子電路集成的技術(shù)系統(tǒng)，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)落地過程中的核心支撐技術(shù)之一。本文將介紹微機(jī)電系統(tǒng)的組成、技術(shù)支持、制備和未來發(fā)展趨勢。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro-electro-mechanical System，亦稱微系統(tǒng)），是一類在微尺度下實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子電路集成的技術(shù)系統(tǒng)，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)落地過程中的核心支撐技術(shù)之一。

典型的MEMS器件涵蓋加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器、微型反射鏡、噴墨打印頭、麥克風(fēng)及揚(yáng)聲器等。這類器件的制造與組裝多采用半導(dǎo)體工藝，其核心為晶片級集成的MEMS芯片——該芯片將微機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子電路整合于同一基底，形成功能完整的微型器件。

目前，MEMS已作為關(guān)鍵電子元件廣泛滲透至多個(gè)領(lǐng)域，包括家用電器、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)終端、通信設(shè)備及醫(yī)療器材等。

MEMS與集成電路（IC）在制造工藝及微小型化技術(shù)方面存在諸多共性，但二者在功能定位、工作原理及應(yīng)用場景上差異顯著。

集成電路由晶體管、電容器、電阻器等純電子元件構(gòu)成，核心作用是實(shí)現(xiàn)電信號的處理、控制、邏輯運(yùn)算及數(shù)據(jù)存儲，是電子設(shè)備的“信息處理核心”。

而MEMS以物理運(yùn)動與物理量測量為核心功能，由傳感器（信號感知單元）和執(zhí)行器（驅(qū)動單元）組成，側(cè)重實(shí)現(xiàn)“物理量-電信號”的轉(zhuǎn)換或機(jī)械動作的驅(qū)動。從結(jié)構(gòu)與形態(tài)來看，MEMS的應(yīng)用場景決定了其外觀、內(nèi)部構(gòu)造及尺寸存在較大差異——小至微米級的傳感器芯片，大至集成化的微型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，均屬于MEMS的范疇。其典型應(yīng)用除前文提及的傳感器與聲學(xué)器件外，還包括微型閥門、光開關(guān)等功能組件。

一個(gè)形象的類比可幫助理解二者的定位：若將專注于信息處理與存儲功能的集成電路比作人體的大腦，那么融合機(jī)械運(yùn)動與傳感功能、具備各類物理作用的MEMS，便如同人體的運(yùn)動系統(tǒng)與感覺器官——前者負(fù)責(zé)信息的運(yùn)算與記憶，后者負(fù)責(zé)環(huán)境感知與動作執(zhí)行，二者協(xié)同支撐現(xiàn)代電子設(shè)備的綜合功能實(shí)現(xiàn)。

微機(jī)電系統(tǒng)的定義與核心構(gòu)成

微機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵物理尺寸，小到遠(yuǎn)不足1微米，大到數(shù)毫米。判斷是否為微機(jī)電系統(tǒng)，核心看其襯底上是否至少包含部分具有機(jī)械功能的元件，無論這些元件能否運(yùn)動。它的器件類型多樣，既有無機(jī)械運(yùn)動元件的簡單結(jié)構(gòu)，也有將微電子技術(shù)與微機(jī)械結(jié)構(gòu)集成在同一硅襯底上的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。

微機(jī)電系統(tǒng)的核心組成是微型傳感器和微型執(zhí)行器，二者都屬于“換能器”，能將一種能量形式轉(zhuǎn)換為另一種能量形式。

微型傳感器的作用是感知環(huán)境，可將溫度、壓力、慣性力、化學(xué)物質(zhì)、磁場、輻射等物理或化學(xué)信號，轉(zhuǎn)化為電信號或光信號。過去幾十年里，研究人員開發(fā)出了對應(yīng)幾乎所有傳感模態(tài)的微傳感器，不少微傳感器的性能超過了宏觀同類產(chǎn)品。比如微機(jī)電系統(tǒng)級壓力傳感器，在精度、響應(yīng)速度等方面表現(xiàn)更優(yōu)。

它借鑒集成電路（IC）行業(yè)的批量制造技術(shù)，在保證性能的同時(shí)，大幅降低了單位器件成本，基于硅的分立微傳感器已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，相關(guān)市場仍在增長。

微型執(zhí)行器是微機(jī)電系統(tǒng)的執(zhí)行部件，體型微小但能產(chǎn)生宏觀層面的影響。目前已開發(fā)出多種微執(zhí)行器，包括控制氣體和液體流動的微型閥門、改變光束方向的光學(xué)開關(guān)和反射鏡、用于顯示的獨(dú)立控制微鏡陣列、適用于多種場景的微諧振器、產(chǎn)生正流體壓力的微型泵、調(diào)節(jié)機(jī)翼氣流的微型襟翼等。

有研究人員在飛機(jī)機(jī)翼前緣安裝小型微執(zhí)行器，僅靠這些微型器件就實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)轉(zhuǎn)向控制，這款飛機(jī)高速飛行時(shí)，能以接近一個(gè)機(jī)翼半徑的轉(zhuǎn)彎半徑完成180度轉(zhuǎn)向。

當(dāng)微型傳感器、微型執(zhí)行器與集成電路在同一襯底上集成，微機(jī)電系統(tǒng)的潛力才能充分發(fā)揮。傳感器收集環(huán)境信息，電子設(shè)備處理信息并制定決策，執(zhí)行器根據(jù)決策執(zhí)行操作改變環(huán)境狀態(tài)。這種協(xié)同模式讓微機(jī)電系統(tǒng)成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，像“眼睛、耳朵、鼻子”一樣，持續(xù)收集、存儲、處理和交換信息，與其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備配合完成對環(huán)境的感知與控制。

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的核心特性

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)有其自身特點(diǎn)，這些特點(diǎn)讓它在諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

它采用類集成電路工藝制造，能將多種功能集成到單個(gè)微芯片上。微型傳感器、微型執(zhí)行器、微型結(jié)構(gòu)與微電子技術(shù)的集成能力，不僅提高了產(chǎn)品的功能密度，也為物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了重要支持。

在成本方面，它借鑒了集成電路行業(yè)的批量制造技術(shù)。雖然生產(chǎn)設(shè)備和每片晶圓的初始成本不低，但通過批量生產(chǎn)，成本可分?jǐn)偟酱罅啃酒?，?fù)雜微型機(jī)電系統(tǒng)的單位器件或微芯片成本得以顯著降低。這種低成本特性，讓微機(jī)電系統(tǒng)能夠大規(guī)模部署，維護(hù)和更換時(shí)也更具經(jīng)濟(jì)性。

可靠性是微機(jī)電系統(tǒng)的一大優(yōu)勢。集成電路制造技術(shù)與硅及其他多種薄膜材料的機(jī)械優(yōu)勢相結(jié)合，讓微型機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性大幅提升。硅作為核心材料，屈服強(qiáng)度接近不銹鋼，強(qiáng)度重量比在工程材料中名列前茅，為微機(jī)電系統(tǒng)的高可靠性打下基礎(chǔ)。

微型化是微機(jī)電系統(tǒng)的顯著特征，也帶來了諸多好處。它讓產(chǎn)品的便攜性提升，功耗降低，能在不增加產(chǎn)品重量的前提下，在更小空間內(nèi)集成更多功能。同時(shí)，信號路徑的縮短與功能的高密度集成，進(jìn)一步提升了機(jī)電系統(tǒng)的整體性能。

微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)

（一）微傳感器技術(shù)

微傳感器的實(shí)現(xiàn)基于電阻式、磁式、光電導(dǎo)式、壓阻式、壓電式等多種物理原理，這些原理已在微機(jī)電系統(tǒng)器件中成功應(yīng)用。

壓阻材料的電阻會隨施加的機(jī)械應(yīng)變變化，這種現(xiàn)象在半導(dǎo)體中尤為明顯。應(yīng)變會改變材料的電子能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響載流子散射率與傳輸方向。應(yīng)變系數(shù)是壓阻材料的關(guān)鍵指標(biāo)，定義為電阻的歸一化變化量與應(yīng)變的比值，在某些配置下，硅的應(yīng)變系數(shù)可達(dá)200，而金屬電阻的應(yīng)變系數(shù)通常僅為2-5。

壓阻傳感器的電阻（應(yīng)變傳感元件）通常放置在柔性表面或結(jié)構(gòu)上，微機(jī)械加工技術(shù)可選擇性去除襯底材料，降低器件傳感區(qū)域的剛度，這類傳感器常應(yīng)用于汽車、醫(yī)療和工業(yè)控制市場。

圖1兩種利用半導(dǎo)體中的壓阻效應(yīng)制成的微系統(tǒng)硅微傳感器

電容式傳感因結(jié)構(gòu)簡潔，在微機(jī)電系統(tǒng)傳感器中應(yīng)用廣泛。兩端器件的電容C可通過公式C=(ε_0×ε_r×A)/d計(jì)算，其中ε_0是真空介電常數(shù)，ε_r是電極間材料的相對介電常數(shù)，A是電容面積，d是電極間距。電容式傳感器主要通過五種方式實(shí)現(xiàn)傳感：改變電極間距；改變中心電極相對于兩個(gè)外部電極的位置以實(shí)現(xiàn)差分測量；改變電極重疊面積；改變電極的差分重疊面積；改變電介質(zhì)在電極間空間的位置（如圖2所示）。

圖2電容器用作傳感元件的不同配置方式

壓電效應(yīng)也是制造微傳感器的重要物理現(xiàn)象，指機(jī)械應(yīng)變在材料中產(chǎn)生電極化（即電勢），而施加電場會在材料中誘導(dǎo)機(jī)械應(yīng)變，前者用于傳感器，后者常用于執(zhí)行器。硅和鍺屬于中心對稱晶體，無壓電效應(yīng)（除非有應(yīng)變誘導(dǎo)），石英、鋯鈦酸鉛（PZT）、氧化鋅（ZnO）等無對稱中心的材料具有壓電特性，其中PZT和ZnO可通過薄膜形式沉積在襯底上，用于微機(jī)電系統(tǒng)制造。

壓電微機(jī)電系統(tǒng)揚(yáng)聲器橫截面結(jié)構(gòu)示例

（二）微執(zhí)行器技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)執(zhí)行器的實(shí)現(xiàn)基于靜電式、壓電式、磁式、雙金屬式、形狀記憶合金（SMA）式等多種原理，每種原理各有特點(diǎn)，需根據(jù)應(yīng)用場景選擇。

靜電驅(qū)動利用兩個(gè)帶相反電荷的極板之間的相互吸引力，在施加電壓V的情況下，極板間產(chǎn)生的力F可通過公式F=(ε_0×ε_r×A×V^2)/(2×d^2)計(jì)算（參數(shù)含義與電容公式一致）。這種驅(qū)動方式易于制造且能與電子設(shè)備集成，功耗低、機(jī)械帶寬高，但力隨位移和施加電壓呈非線性變化，產(chǎn)生的力相對較小，工作電壓可能較高。

雙金屬式微執(zhí)行器利用兩種不同材料的熱膨脹系數(shù)差異工作。兩種材料制成的復(fù)合結(jié)構(gòu)被加熱后，會產(chǎn)生熱誘導(dǎo)應(yīng)力，若結(jié)構(gòu)足夠柔性就會發(fā)生彎曲，其熱應(yīng)變可通過公式計(jì)算，其中αfilmA和αfilmB分別是頂層和底層薄膜的熱膨脹系數(shù)，Telement和Tambient分別是雙金屬元件和環(huán)境的溫度。

這類執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)合理的位移量，偏轉(zhuǎn)與功率呈線性關(guān)系，但加熱功耗高、機(jī)械帶寬低，設(shè)計(jì)和制造相對復(fù)雜，對環(huán)境條件敏感。在薄的柔性硅懸臂梁上沉積鋁薄膜，通過鋁層通電焦耳加熱，就能制成簡單的雙金屬微執(zhí)行器，因兩種材料膨脹系數(shù)不同，懸臂梁會發(fā)生彎曲。

形狀記憶合金（SMA）是制造微執(zhí)行器的常用材料，加熱時(shí)會發(fā)生馬氏體向奧氏體的相變，并恢復(fù)到無應(yīng)變狀態(tài)，即具有記憶效應(yīng)。作為執(zhí)行器使用時(shí)，SMA在室溫下處于馬氏體相且無應(yīng)變，在室溫下施加應(yīng)變后，通過加熱引發(fā)相變，就能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變恢復(fù)并產(chǎn)生較大的執(zhí)行器能量密度。

SMA可通過濺射沉積在硅晶圓上形成薄膜，通常通過焦耳加熱，記憶效應(yīng)可逆，可重復(fù)使用。它的能量密度高，能實(shí)現(xiàn)超過8%的大恢復(fù)應(yīng)變，但功耗高、機(jī)械帶寬低，加工復(fù)雜，在高應(yīng)變水平下反復(fù)循環(huán)可能出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。

（三）微機(jī)電系統(tǒng)常用材料

制造微機(jī)電系統(tǒng)器件的材料包括半導(dǎo)體、金屬、玻璃、陶瓷和聚合物等。因微機(jī)電系統(tǒng)器件需滿足電學(xué)、機(jī)械、化學(xué)、熱學(xué)等多方面功能需求，選擇材料時(shí)需綜合考慮其電學(xué)特性和非電學(xué)特性。

硅材料：硅是微機(jī)電系統(tǒng)中最常用的材料，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和知識體系成熟，且機(jī)械性能優(yōu)異，屈服強(qiáng)度接近不銹鋼，強(qiáng)度重量比在工程材料中名列前茅。但硅也有局限性，應(yīng)變超過極限會發(fā)生災(zāi)難性失效，且具有各向異性，材料特性會隨晶體軸相對于載荷的取向而變化，這些都需在器件設(shè)計(jì)中考慮。

薄膜材料：除單晶硅外，多晶硅、氮化硅、沉積玻璃和鋁等薄膜材料也廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)制造，這些薄膜通常通過化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝（如低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD））或物理氣相沉積（PVD）方法（如蒸發(fā)、濺射）沉積。

大多數(shù)薄膜沉積技術(shù)成本效益高，是微電子制造的熱門選擇，但往往會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力及應(yīng)力梯度，給具有機(jī)械功能的微機(jī)電系統(tǒng)器件制造帶來挑戰(zhàn)。薄膜的殘余應(yīng)力和應(yīng)力梯度與材料類型、沉積溫度、沉積方法和襯底材料相關(guān)，數(shù)值范圍可從高度壓應(yīng)力到高度拉應(yīng)力。

材料特性（尤其是機(jī)械特性）高度依賴制造過程中的工藝條件和流程，薄膜沉積后的殘余應(yīng)力在后續(xù)熱加工步驟中可能發(fā)生顯著變化。且每種微機(jī)電系統(tǒng)器件通常有定制化的工藝流程，難以提前預(yù)測薄膜最終的應(yīng)力值。因此，微機(jī)電系統(tǒng)器件的開發(fā)和制造需與材料特性測量同步進(jìn)行，通過迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，這也增加了開發(fā)時(shí)間和成本。

此外，薄膜材料特性的測量存在難度，比如無法將薄膜從襯底剝離后進(jìn)行載荷-撓度測量，不過目前微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域已設(shè)計(jì)出多種測試結(jié)構(gòu)，可用于測量關(guān)鍵材料特性。

（四）微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具

微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)比集成電路設(shè)計(jì)更復(fù)雜。集成電路領(lǐng)域的制造工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)規(guī)則相對成熟，設(shè)計(jì)人員將其整合到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具中（僅考慮電學(xué)效應(yīng)）即可開展設(shè)計(jì)，且相關(guān)工具預(yù)測器件性能的準(zhǔn)確性較高。

微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)則面臨多重問題：需為每種器件類型開發(fā)定制化工藝流程，設(shè)計(jì)規(guī)則在流程確定前未知；材料特性依賴未知的工藝流程和條件；許多微機(jī)電系統(tǒng)器件會同時(shí)出現(xiàn)電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)、化學(xué)等多種物理現(xiàn)象，形成強(qiáng)耦合場；微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還需具備深厚的制造工藝知識。

目前已有適用于微機(jī)電系統(tǒng)工藝、物理、器件和系統(tǒng)建模的設(shè)計(jì)工具。

工藝建模工具與集成電路行業(yè)所用工具基本相同，可幫助設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建工藝模型和掩模圖形，利用數(shù)值技術(shù)仿真加工步驟，但其預(yù)測機(jī)械材料特性的能力較弱，核心優(yōu)勢之一是能創(chuàng)建器件的三維渲染圖。

物理層面的設(shè)計(jì)工具通過偏微分方程對真實(shí)三維連續(xù)體中的組件行為進(jìn)行建模，包括解析工具和數(shù)值工具（如有限元法、邊界元法、有限差分法），大多是宏觀設(shè)計(jì)中數(shù)值建模工具的改進(jìn)版本。

器件級模型為宏模型或降階模型，可在有限范圍內(nèi)捕捉組件的物理行為，且與系統(tǒng)級模型兼容；系統(tǒng)級模型是高層次的框圖和集總參數(shù)模型，將系統(tǒng)描述為一組耦合的常微分方程。

微機(jī)電系統(tǒng)的制造方法

微機(jī)電系統(tǒng)制造結(jié)合了集成電路領(lǐng)域的成熟技術(shù)（如氧化、擴(kuò)散、離子注入、低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）、濺射等）和專業(yè)化的微機(jī)械加工工藝，工藝技術(shù)具有定制化特性和多樣化加工能力。

廣泛使用的微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備與集成電路芯片類似，都是利用半導(dǎo)體技術(shù)制造的。

（一）前端制造工藝

體微機(jī)械加工是古老的微機(jī)械加工技術(shù)，通過選擇性去除襯底材料實(shí)現(xiàn)微型機(jī)械組件，可采用化學(xué)、物理或化學(xué)機(jī)械方法，其中濕法化學(xué)體微機(jī)械加工在工業(yè)界應(yīng)用廣泛。

化學(xué)濕法蝕刻是常用的體微機(jī)械加工技術(shù)，將襯底浸入反應(yīng)性化學(xué)溶液，使暴露區(qū)域以可測量的速率被蝕刻。它的蝕刻速率和選擇性高，可通過調(diào)整蝕刻溶液成分、溫度、襯底摻雜濃度、晶面等參數(shù)優(yōu)化工藝。其基本機(jī)理包括反應(yīng)物傳輸、表面反應(yīng)、反應(yīng)產(chǎn)物傳輸三個(gè)步驟，根據(jù)速率限制步驟的不同，分為“擴(kuò)散限制型”（可通過攪拌提高速率）和“反應(yīng)速率限制型”（重復(fù)性和蝕刻速率更優(yōu)，實(shí)際應(yīng)用中更常用）。

體微機(jī)械加工中的化學(xué)濕法蝕刻主要分為各向同性濕法蝕刻和各向異性濕法蝕刻。各向同性濕法蝕刻的速率與襯底晶體取向無關(guān)，蝕刻在各個(gè)方向均勻進(jìn)行，硅最常用的蝕刻劑是硝酸（HNO?）、氫氟酸（HF）和乙酸（HC?H?O?）的混合溶液，反應(yīng)式為Si+HNO3+HF→H2SiF6+NO+H2O，該反應(yīng)因亞硝酸的再生具有自催化特性，且需在劇烈攪拌下進(jìn)行以保證橫向與垂直蝕刻速率一致。其掩模材料通常為二氧化硅和氮化硅，其中氮化硅因蝕刻速率更低而更常用。

各向異性濕法蝕刻的速率依賴于襯底晶體取向，硅晶體不同平面的蝕刻速率差異顯著，這與不同平面的鍵配置和原子密度有關(guān)。該類蝕刻通常以<100>、<110 >和< 111 >法向晶體平面的蝕刻速率為表征標(biāo)準(zhǔn)，其中沿< 111 >平面的蝕刻速率最慢，不同晶格方向的蝕刻速率差異可高達(dá)1000:1，原因是< 111 >平面暴露的硅原子密度最高，且平面下方有三個(gè)硅鍵形成化學(xué)屏蔽。

利用這一特性，各向異性濕法蝕刻可實(shí)現(xiàn)高分辨率蝕刻和嚴(yán)格的尺寸控制，還能進(jìn)行雙面加工形成自隔離結(jié)構(gòu)，對暴露于惡劣環(huán)境的微機(jī)電系統(tǒng)器件（如壓力傳感器）的封裝有利，目前已廣泛應(yīng)用于硅壓力傳感器、體微機(jī)械加工加速度計(jì)等器件制造，技術(shù)已成熟30年。

<100 >取向硅襯底經(jīng)各向異性濕法蝕刻后，可形成倒金字塔形、平底梯形等蝕刻坑（如圖3所示），其掃描電子顯微鏡（SEM）照片清晰展示了梯形蝕刻坑及壓力傳感器用薄膜的背面結(jié)構(gòu)（如圖4a和圖4b所示）。

圖3 <100>取向硅襯底浸入各向異性濕法蝕刻劑溶液后，蝕刻輪廓形狀示意圖。

圖4（a）和（b）：<100>取向硅襯底浸入各向異性濕法蝕刻劑后的SEM圖。比例尺1微米。

常用的各向異性濕法蝕刻劑主要有三類：水性堿性溶液（如氫氧化鉀（KOH）、氫氧化銨（NH?OH）、四甲基氫氧化銨（TMAH）等），蝕刻速率高，<100>/<111 >平面蝕刻速率比相對較高，其中TMAH在特定條件下對鋁的蝕刻速率極低，適用于預(yù)處理過的微電子晶圓，但對二氧化硅掩模的蝕刻速率相對較高，可能導(dǎo)致晶圓堿污染（可通過適當(dāng)清洗程序緩解）；乙二胺和鄰苯二酚（EDP），<100>/<111 >平面蝕刻速率比更高，可使用的掩模材料更多，但具有致癌性，蝕刻過程難以觀察，清理困難；其他專用蝕刻劑。

氮化硅是各向異性濕法蝕刻的常用掩模材料，熱生長二氧化硅也可使用，但需注意控制厚度（尤其是使用KOH蝕刻劑時(shí)），光刻膠不可用于任何各向異性蝕刻劑，鉭（Ta）、金（Au）等金屬在EDP中具有良好的耐蝕刻性，鋁在特定條件下對TMAH也有耐蝕刻性。

各向異性蝕刻劑的蝕刻速率、蝕刻速率比和蝕刻選擇性主要取決于溶液化學(xué)成分和溫度，且遵循阿倫尼烏斯定律R=R0exp(?Ea/(kT))，其中R?為常數(shù)，E?為激活能，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為開爾文溫度。

在體微機(jī)械加工中，精確控制硅薄膜厚度或蝕刻深度是關(guān)鍵需求，但受負(fù)載效應(yīng)、溫度變化、襯底厚度差異等因素影響，蝕刻均勻性難以保證。定時(shí)蝕刻通過蝕刻速率與時(shí)間的乘積確定深度，但控制難度大，易受多種因素影響。為此，蝕刻停止法應(yīng)運(yùn)而生，主要包括摻雜蝕刻停止法和電化學(xué)蝕刻停止法。

摻雜蝕刻停止法通過高濃度p型硼摻雜（>5×101? cm?3）形成蝕刻停止層，使高摻雜區(qū)域蝕刻速率顯著降低（如圖5所示），但高摻雜表面層可能不適用于部分器件（如壓阻器件）；電化學(xué)蝕刻停止法能夠提供良好的尺寸控制，可制造輕摻雜材料膜片（適用于高質(zhì)量壓阻器件），但需特殊夾具和電子控制系統(tǒng)。

圖5不同蝕刻劑濃度下，<100>取向硅晶圓的蝕刻速率與硼濃度的關(guān)系圖。

表面微機(jī)械加工是主流制造技術(shù)，核心流程包括：沉積薄膜材料作為臨時(shí)犧牲層；在犧牲層上沉積并圖案化結(jié)構(gòu)層（薄膜器件層）；去除臨時(shí)犧牲層，使機(jī)械結(jié)構(gòu)層擺脫約束并自由移動。以多晶硅懸臂梁制作為例，首先沉積并圖案化氧化物犧牲層，隨后沉積并圖案化多晶硅結(jié)構(gòu)層，最后去除犧牲層即可獲得可自由移動的懸臂梁（如圖6所示）。

圖6表面微機(jī)械加工工藝示意圖

該技術(shù)的垂直和水平方向尺寸控制精確（垂直尺寸由沉積膜厚度決定，水平尺寸由光刻和蝕刻工藝保真度決定），可與微電子器件兼容實(shí)現(xiàn)集成，能利用薄膜沉積特性（如LPCVD的保形覆蓋），且采用單面晶圓加工，集成密度更高、單位芯片成本更低。

但也存在缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)薄膜的機(jī)械特性未知且需測量，殘余應(yīng)力較高（需高溫退火降低），殘余應(yīng)力會隨后續(xù)熱加工變化，機(jī)械特性重現(xiàn)性難實(shí)現(xiàn)，且結(jié)構(gòu)層釋放過程中易因毛細(xì)作用力發(fā)生粘連（需特殊釋放工藝和抗粘連涂層）。圖7展示了采用表面微機(jī)械加工工藝制造的多晶硅諧振器結(jié)構(gòu)。

圖7采用表面微機(jī)械加工工藝制造的多晶硅諧振器結(jié)構(gòu)

晶圓鍵合技術(shù)用于將兩個(gè)或多個(gè)晶圓連接形成多晶圓堆疊結(jié)構(gòu)，主要分為直接鍵合（熔融鍵合）、場輔助鍵合（陽極鍵合）和使用中間層的鍵合三類，所有方法均要求襯底具有高平整度、光滑度和清潔度。

直接鍵合常用于硅晶圓之間或硅與氧化硅晶圓之間的連接，基本工藝包括清潔與表面制備、預(yù)鍵合、退火前檢查、高溫退火（通常約1000°C）、最終檢查五個(gè)步驟，晶圓通過表面水合產(chǎn)生的氫鍵初步連接，高溫退火后鍵合強(qiáng)度可與單晶硅相當(dāng)，等離子體處理可降低退火溫度至250-300°C甚至更低。

陽極鍵合利用電場和高溫將硅晶圓與派熱克斯（Pyrex）7740晶圓鍵合，借助Pyrex玻璃中鈉離子的遷移形成強(qiáng)電場，實(shí)現(xiàn)表面化學(xué)融合，其優(yōu)勢是Pyrex 7740與硅的熱膨脹系數(shù)接近，殘余應(yīng)力低，廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)封裝。

此外，共晶鍵合（金中間層）、玻璃料鍵合（玻璃漿料中間層）、聚合物鍵合（環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺等中間層）也在微機(jī)電系統(tǒng)制造中各有應(yīng)用。

高深寬比微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)能夠制造具有極深特征的微結(jié)構(gòu)，主要包括硅的深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）、玻璃的深反應(yīng)離子蝕刻、LIGA技術(shù)和熱壓印。硅的DRIE是高度各向異性的等離子體蝕刻工藝，蝕刻深度可達(dá)數(shù)十微米、數(shù)百微米甚至貫穿硅襯底，主流工藝為博世（Bosch）工藝，通過六氟化硫（SF?）蝕刻周期與八氟環(huán)丁烷（C?F?）聚合物沉積周期交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)深溝槽加工（如圖8所示）。

圖8深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）工作原理示意圖

該工藝蝕刻的側(cè)壁呈搓板狀或扇貝狀，最新設(shè)備蝕刻速率可超過20微米/分鐘，掩模選擇性（光刻膠75:1、氧化物150:1）和深寬比（最高30:1，實(shí)際常用15:1）表現(xiàn)優(yōu)異，其制造的硅微結(jié)構(gòu)橫截面SEM照片清晰展示了高深寬比和深溝槽特性（如圖9所示）。

圖9硅晶圓橫截面的掃描電子顯微鏡（SEM）照片，展示了利用深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）技術(shù)能夠制造的高深寬比和深溝槽結(jié)構(gòu)

玻璃的深反應(yīng)離子蝕刻可形成深度超100微米、深寬比超4:1的溝槽（如圖4.10所示、），采用鎳硬掩模（選擇性約10:1），蝕刻工藝連續(xù)無扇貝狀圖案，但易受微掩模影響。LIGA技術(shù)通過X射線曝光PMMA層、顯影后電鍍金屬、去除PMMA獲得金屬微結(jié)構(gòu)，具有側(cè)壁光滑、垂直性好、穿透深度深等優(yōu)勢，但成本較高，其變體可通過工具嵌件重復(fù)使用降低成本。熱壓印技術(shù)利用金屬工具嵌件將圖案壓印到聚合物襯底，成本低、尺寸控制好，適用于微流體組件生產(chǎn)。

圖10玻璃襯底中蝕刻的高深寬比結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡（SEM）照片，由微機(jī)電系統(tǒng)與納米技術(shù)交流中心完成

（二）其他微機(jī)械加工技術(shù)

除上述核心工藝外，二氟化氙（XeF?）干法蝕刻、電火花微加工、激光微加工、聚焦離子束（FIB）微加工等技術(shù)也在微機(jī)電系統(tǒng)制造中發(fā)揮作用。

XeF?干法蝕刻是硅的各向同性蝕刻劑，對氮化硅、二氧化硅等材料選擇性高，無粘連問題，適用于CMOS晶圓上的微結(jié)構(gòu)加工；電火花微加工利用電擊穿放電去除導(dǎo)電材料，可制造數(shù)十微米的小孔，但屬于串行工藝，速度慢、成本高；激光微加工通過聚焦激光能量實(shí)現(xiàn)材料熔化、汽化或光消融，適用于多種材料，飛秒激光技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提升了加工精度和材料兼容性；FIB微加工可將光斑聚焦至50納米，實(shí)現(xiàn)極小結(jié)構(gòu)制造，還可完成離子誘導(dǎo)沉積、光刻、摻雜等多種任務(wù)，具備成像和成分分析功能。

微機(jī)電系統(tǒng)的未來趨勢

微機(jī)電系統(tǒng)未來將朝著更高集成度、更多功能、更小尺寸規(guī)模發(fā)展。隨著制造能力的提升，有望在單個(gè)硅片上集成多種傳感器、執(zhí)行器及先進(jìn)電子設(shè)備，在小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多功能且保持低成本。同時(shí)，微機(jī)電系統(tǒng)與納米技術(shù)的融合將不斷加深，進(jìn)一步拓展性能邊界和應(yīng)用場景。

微機(jī)電系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用是核心發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)通過通信網(wǎng)絡(luò)連接物理對象，實(shí)現(xiàn)信息的收集、存儲、處理和交換，而微機(jī)電系統(tǒng)器件恰好能滿足物聯(lián)網(wǎng)對廉價(jià)、不引人注目且具備感知與控制能力的設(shè)備需求。它將在智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能交通、醫(yī)療健康等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用，成為推動物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)張的主要驅(qū)動力。

結(jié)論

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)是一項(xiàng)融合多學(xué)科知識、具備多樣化加工能力的綜合性技術(shù)，并非針對特定應(yīng)用或器件的單一制造工藝。它通過微型化、批量制造和與電子設(shè)備的集成，改變了機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，為各領(lǐng)域智能產(chǎn)品開發(fā)提供了新的能力。

盡管微機(jī)電系統(tǒng)器件在產(chǎn)品的成本、尺寸和重量中占比通常較小，但對產(chǎn)品的性能、可靠性和可負(fù)擔(dān)性起著關(guān)鍵作用。微機(jī)電系統(tǒng)行業(yè)與集成電路行業(yè)有著共同的起源，但應(yīng)用范圍更廣泛、技術(shù)形態(tài)更多樣，已發(fā)展成為一項(xiàng)獨(dú)立的標(biāo)志性技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，微機(jī)電系統(tǒng)的多樣性、經(jīng)濟(jì)重要性和潛在應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，為科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級提供支撐。