2016年【新型傳感技術(shù)與應(yīng)用】-材料與工藝第一頁，共49頁。3.2.1概述3.2.2光刻工藝3.2.3體硅工藝3.2.4表面硅工藝3.2.5LIGA和準(zhǔn)LIGA工藝3.2.6剝離工藝3.2.7鍵合技術(shù)3.2傳感器制作工藝

第二頁，共49頁。1234光刻體硅、表面硅工藝、LIGA工藝、鍵合、剝離3.2傳感器制作工藝

概述各工藝在器件設(shè)計中的作用第三頁，共49頁。超凈間：定義、要求、噪聲、溫度、設(shè)備隔離3.2傳感器制作工藝

概述第四頁，共49頁。硅片清洗（Cleanoutofsiliconchip）硅片氧化（Oxidation）3.勻膠（Coating）4.前烘（Prebake）5.光刻（Lithography）6.顯影（Developingtechnology）7.堅膜（Hardeningtechnology）8.腐蝕（Etchingtechnology）(inclusingHFandbulk)3.2傳感器制作工藝

光刻工藝第五頁，共49頁。腐蝕劑定義：采用腐蝕的方法，在硅片上腐蝕出具有一定形狀的微結(jié)構(gòu)的技術(shù)；依據(jù)腐蝕劑的不同，可分為干法刻蝕和濕法刻蝕兩種3.2傳感器制作工藝

體硅工藝第六頁，共49頁。濕法腐蝕-KOH腐蝕腐蝕劑KOH+H2O→K++2(OH)-+H+Si+2(OH)-+4H2OSi(OH)6Si(OH)6+2H2(CH3)2CHOHSi(OH)-26+6(CH3)2CHOH→[Si(OC3H7)6]-2+H2OCoordinationreactionGeneralCoordinationmaterial優(yōu)點、缺點、改進(jìn)方法Si+2KOH+H2O→K2SiO3+2H2↑3.2傳感器制作工藝

體硅工藝第七頁，共49頁。晶向?qū)е赂g速率和傾斜角不同3.2傳感器制作工藝

體硅工藝第八頁，共49頁。

定義：犧牲層技術(shù)，在單晶硅表面通過生長、腐蝕的方法，在單晶硅上表面形成一定微結(jié)構(gòu)的微機(jī)械加工技術(shù)。犧牲層材料：二氧化硅3.2傳感器制作工藝

表面硅工藝第九頁，共49頁。A：曝光B：顯影C：電鑄D：去膠E：鑄塑襯底掩膜膠金屬鑄塑材料LIGA—LithographieGalvanoformungAbformung

X射線曝光、微電鑄、微鑄塑起源：1986年，德國3.2傳感器制作工藝

LIGA工藝和準(zhǔn)LIGA工藝第十頁，共49頁。特點：高深寬比（1微米寬，1000微米深）缺點：需要功率強(qiáng)大的回旋加速器產(chǎn)生的軟X射線作光源，膜版要求高、成本高，難于與IC集成制作3.2傳感器制作工藝

LIGA工藝和準(zhǔn)LIGA工藝第十一頁，共49頁。優(yōu)點：過程簡單，成本低；缺點：精度較低。

FeCl3光刻膠種子層硅片3.2傳感器制作工藝

LIGA工藝和準(zhǔn)LIGA工藝第十二頁，共49頁。光刻膠金屬材料基底材料硅MEMS傳感器基底導(dǎo)線制作方法3.2傳感器制作工藝

剝離工藝第十三頁，共49頁。

定義：是指利用各種熔融或粘接工藝，把需要相互連接的材料或器件，包括硅和硅，硅和玻璃，玻璃和陶瓷，硅和金屬，以及金屬和金屬之間的連接和傳感器的整體封裝。方法有多種，較常用的有陽極鍵合、熱熔鍵合、共熔鍵合、低溫玻璃鍵合、冷壓焊接、激光焊接和電子束焊接等。連接和封裝中應(yīng)滿足如下技術(shù)要求(1)殘余熱應(yīng)力盡可能??；(2)機(jī)械解耦，以防止外界應(yīng)力干擾；(3)足夠的機(jī)械強(qiáng)度和密封性（包括真空密封）；(4)良好的電絕緣性。封裝的技術(shù)要求3.2傳感器制作工藝

鍵合技術(shù)第十四頁，共49頁。

陽極鍵合又稱靜電鍵合或場助鍵合。陽極鍵合可將硅與玻璃、金屬和合金在靜電場作用下鍵合在一起，中間勿需任何粘接劑，鍵合界面有良好的氣密性和長期穩(wěn)定性，被廣泛使用。

硅與玻璃的鍵合可在大氣或真空環(huán)境下完成，鍵合溫度在180~500℃之間，接近于玻璃的退火點溫度，但在玻璃的熔點（500~900℃）以下。陽極鍵合3.2傳感器制作工藝

鍵合技術(shù)第十五頁，共49頁。

兩硅片通過高溫處理可直接鍵合在一起，中間勿需任何粘結(jié)劑和夾層，也勿需外加電場。這種鍵合是將硅晶片加熱至1000℃以上，使其處于熔融狀態(tài)，分子力使硅片鍵合在一起，稱其為硅熔融鍵合，也稱硅直接鍵合。Si-Si直接鍵合

它比采用陽極鍵合優(yōu)越，可以獲得硅—硅鍵合界面，實現(xiàn)材料的熱膨脹系數(shù)和彈性系數(shù)等的最佳匹配，實現(xiàn)硅一體化結(jié)構(gòu)，鍵合強(qiáng)度可達(dá)到硅或絕緣體自身的量值，封裝氣密性好。這些都有利于提高產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。3.2傳感器制作工藝

鍵合技術(shù)第十六頁，共49頁。

用于封接的玻璃多為粉狀玻璃，通稱為玻璃料，是由多種不同特征的金屬氧化物組合而成。不同比例的組成成分，其熱膨脹系數(shù)不同。這樣的玻璃料是由玻璃廠家專門制成的，一般有兩種基本形態(tài)：非晶態(tài)玻璃釉和晶態(tài)玻璃釉。前者為熱塑性材料，后者為熱固性材料。若在它們中添加有機(jī)黏合劑，便形成糊狀體，且易于用絲網(wǎng)印制方法形成所需的封接圖案，稱其為封接玻璃或釬料玻璃。封接溫度為415~650℃，同時需施加的壓力為7~700kPa，封接氣密性好，并有較高的機(jī)械強(qiáng)度。玻璃封接鍵合3.2傳感器制作工藝

鍵合技術(shù)第十七頁，共49頁。

所謂金屬共熔鍵合是指在要鍵合的一對表面間夾上一層金屬材料膜，形成三層結(jié)構(gòu)，然后在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο聦崿F(xiàn)互相連接。共熔鍵合常用的共熔材料為金-硅和鋁-硅等。圖(a)給出了金-硅共熔鍵合的四種接合方式。其中圖圖(b)所示為硅與金屬底座的鍵合，預(yù)先在底座上蒸鍍一層金膜，利用金/硅共熔實現(xiàn)鍵合。圖(c)的方式與圖

(b)相反。圖(d)所示為先制成金/硅箔（厚約20~40μm），將其夾在硅片與底座之間實現(xiàn)共熔鍵合；同樣，也可用鋁-硅中間夾層實現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)的共熔鍵合。金屬共熔鍵合3.2傳感器制作工藝

鍵合技術(shù)第十八頁，共49頁。第三部分：傳感器中的敏感材料與工藝3.1傳感器與敏感材料3.2傳感器的制作工藝3.3工程應(yīng)用實例第十九頁，共49頁。3.3.1概述3.3.2工程實例3.3工程應(yīng)用實例

第二十頁，共49頁。2.1壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計薄膜制備、表征及性能驅(qū)動器的制作工藝研究目錄緒論驅(qū)動器設(shè)計、分析與優(yōu)化根部的支撐部壓電橫梁剛性Si梁第二十一頁，共49頁。2.2壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的工作原理工作原理：由壓電橫梁兩端彎曲，引起水平x方向位移，就會帶動剛性Si梁產(chǎn)生y軸方向的面內(nèi)水平運動。由于系統(tǒng)具有杠桿結(jié)構(gòu)，將會實現(xiàn)壓電懸臂梁水平x方向位移在y軸方向的位移放大。第二十二頁，共49頁。2.3壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的理論分析核心變量名稱符號單位斜梁與中心橋型梁的夾角

°中心壓電橋型梁的長la

m中心壓電橋型梁的寬wa

m四周斜梁的長lb

m四周斜梁的寬wb

m斜梁伸出部分剛性梁的長lc

m斜梁伸出部分剛性梁的寬wc

m水平放大機(jī)構(gòu)的運動學(xué)分析第二十三頁，共49頁。2.3壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的理論分析水平放大機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析壓電梁的輸出的水平力為F，AB段梁扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度分別為K

和Kl，第二十四頁，共49頁。2.3壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的理論分析水平放大機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析根據(jù)梁理論第二十五頁，共49頁。2.3壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的理論分析水平放大機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析影響位移放大系數(shù)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù):AB梁的傾斜角度

其寬長比wb/lb第二十六頁，共49頁。電場強(qiáng)度為E32.3壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的理論分析壓電橫梁的動力學(xué)分析第二十七頁，共49頁。2.3壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的理論分析壓電橫梁的動力學(xué)分析電場強(qiáng)度為E3第二十八頁，共49頁。2.3壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的理論分析第二十九頁，共49頁。2.4壓電式MEMS水平面橫向驅(qū)動器有限元與優(yōu)化角度

對驅(qū)動器位移的影響壓電微驅(qū)動器的位移與斜梁寬長比wb/lb的關(guān)系壓電微驅(qū)動器的位移與壓電梁長la的關(guān)系壓電微驅(qū)動器的位移與驅(qū)動電壓V的關(guān)系第三十頁，共49頁。薄膜制備、表征及性能驅(qū)動器的制作工藝研究薄膜制備、表征及性能目錄緒論驅(qū)動器設(shè)計、分析與優(yōu)化1.LNO薄膜的制備、表征及性能2.PNZT薄膜的制備、表征及性能第三十一頁，共49頁。3.1LNO下電極薄膜的制備、表征和性能薄膜制備、表征及性能驅(qū)動器的制作工藝研究薄膜制備、表征及性能目錄緒論驅(qū)動器設(shè)計、分析與優(yōu)化1.LNO薄膜的制備、表征及性能2.PNZT薄膜的制備、表征及性能第三十二頁，共49頁。3.1LNO下電極薄膜的制備、表征和性能1.LNO薄膜的制備、表征及性能第三十三頁，共49頁。3.1LNO下電極薄膜的制備、表征和性能1.LNO薄膜的制備、表征及性能LNO/SiO2/Si薄膜的XRD圖譜第三十四頁，共49頁。3.1LNO下電極薄膜的制備、表征和性能1.LNO薄膜的制備、表征及性能SEM照片:表面和斷面形貌電阻率：1.34m

·cm第三十五頁，共49頁。3.2PNZT壓電薄膜的制備、表征和性能2.PNZT薄膜的制備、表征及性能第三十六頁，共49頁。2.PNZT薄膜的制備、表征及性能PNZT/LNO/SiO2/Si薄膜的XRD圖譜3.2PNZT壓電薄膜的制備、表征和性能第三十七頁，共49頁。2.PNZT薄膜的制備、表征及性能SEM照片:表面和斷面形貌3.2PNZT壓電薄膜的制備、表征和性能1.6mm600nm第三十八頁，共49頁。Hysteresis

2.PNZT薄膜的制備、表征及性能PNZT/LNO薄膜的電滯回線與測試電壓V之間的關(guān)系3.2PNZT壓電薄膜的制備、表征和性能12.68mC·cm-238.56kV·cm-1第三十九頁，共49頁。Fatigue

2.PNZT薄膜的制備、表征及性能PNZT/LNO薄膜的鐵電疲勞性能3.2PNZT壓電薄膜的制備、表征和性能1010循環(huán)測試周期脈沖信號脈沖寬度：0.0005ms測試頻率：1MHz第四十頁，共49頁。3刻蝕工藝薄膜制備、表征及性能驅(qū)動器的制作工藝研究薄膜制備、表征及性能目錄緒論驅(qū)動器設(shè)計、分析與優(yōu)化驅(qū)動器的制作工藝研究壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的制作工藝研究3薄膜圖形化第四十一頁，共49頁。4.1

壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器工藝薄膜制備、表征及性能驅(qū)動器的制作工藝研究薄膜制備、表征及性能目錄緒論驅(qū)動器設(shè)計、分析與優(yōu)化驅(qū)動器的制作工藝研究壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的制作工藝研究壓電式MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器工藝流程設(shè)計第四十二頁，共49頁。4.2MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的作工藝Step1Step2Step3Step4Step5LNO薄膜圖形化1PNZT薄膜圖形化3SiO2薄膜圖形化2這里添加說明文字器件上表面刻蝕4器件背部深硅刻蝕5第四十三頁，共49頁。4.2MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的作工藝LNO薄膜圖形化1SiSiO2/SiLNO/SiO2/Si光刻膠LNO薄膜的縱向和橫向刻蝕速率分別約為7.5nm/s和25nm/s第四十四頁，共49頁。4.2MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的作工藝LNO薄膜圖形化1SiO2薄膜圖形化2SiO2薄膜的縱向和橫向刻蝕速率分別約為0.04nm/s和4nm/s第四十五頁，共49頁。4.2MEMS水平面內(nèi)橫向驅(qū)動器的作工藝PNZT薄膜圖形化3SiO2薄膜圖形化2Sol-GelRF濕法刻蝕的縱