00
前言
1986年，一個(gè)提交到DARPA的提案中首次引入了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）。納米級(jí)融合系統(tǒng)成為納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS），MEMS在日本也被稱為微機(jī)械（micromachine），在歐洲也被稱為微系統(tǒng)技術(shù)（microsystem technology , MST）。
1986 年提交給 DARPA 的提案首次引入了微機(jī)電系統(tǒng)一詞。
MEMS由尺寸介于1到100微米（即0.001至0.1毫米）之間的組件組成，并且MEMS器件的尺寸范圍通常為20微米至毫米（即0.02至1.0毫米）。通常由一個(gè)處理數(shù)據(jù)的中央單元（集成電路芯片）和幾個(gè)與周圍環(huán)境交互的微型傳感器組件構(gòu)成。由于MEMS的表面積與體積之比較大，因此與體積較大的機(jī)械設(shè)備相比，環(huán)境電磁力（例如：靜電荷和磁矩）產(chǎn)生的力以及流體動(dòng)力學(xué)（例如：表面張力和粘度）是需要著重考慮的設(shè)計(jì)因素。
理查德·費(fèi)曼（RichardFeynman）1959年著名的演講《Theres Plenty ofRoom at the Bottom》就預(yù)言了小型機(jī)器（very small machine）的潛在技術(shù)。可以使用半導(dǎo)體器件制造技術(shù)來(lái)制造MEMS：包括模制（molding）和電鍍（plating），濕蝕刻（KOH，TMAH）和干蝕刻（RIE和DRIE），放電加工（electrical discharge machining, EDM）以及其他能夠制造小型器件的技術(shù)。
圖上是掃描電鏡顯示的一個(gè)微型的懸臂梁。
01
MEMS的歷史
MEMS技術(shù)起源于硅革命，其歷史可追溯到1959年的兩項(xiàng)重要硅發(fā)明：（1）Fairchild Semiconductor的Robert Noyce開(kāi)發(fā)的單片集成電路（IC）芯片和（2）MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)）晶體管（或MOS晶體管），由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng設(shè)計(jì)。IC芯片上MOSFET的小型化，推動(dòng)了電子產(chǎn)品的微型化（摩爾定律和Dennard scaling所預(yù)測(cè)的）。工程師們開(kāi)始意識(shí)到硅芯片和MOSFET可以與周圍環(huán)境進(jìn)行交互，諸如：化學(xué)物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和光信息之類的事物。最早的硅壓力傳感器（pressure sensor）之一是由Honeywell在1962年實(shí)現(xiàn)的。
比較早的MEMS器件是由Harvey C. Nathanson于1965年開(kāi)發(fā)的諧振門晶體管（resonant-gate transistor），MOSFET的改型。另一個(gè)早期的例子是諧振器（resonator），這是由雷蒙德·威爾芬格（Raymond J. Wilfinger）在1966年至1971年之間申請(qǐng)專利的機(jī)電單片諧振器。在1970年代至1980年代初期，開(kāi)發(fā)了許多用于測(cè)量物理，化學(xué)，生物學(xué)和環(huán)境參數(shù)的MOSFET微傳感器。
02
MEMS的類型
MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)有兩種基本類型：電容性（capacitive）和歐姆性（ohmic）。電容式MEMS開(kāi)關(guān)是使用移動(dòng)板或感應(yīng)元件開(kāi)發(fā)的，它可以改變電容。歐姆開(kāi)關(guān)由靜電控制的懸臂控制。歐姆MEMS開(kāi)關(guān)可能會(huì)由于MEMS執(zhí)行器（懸臂）的金屬疲勞和接觸磨損而失效，因?yàn)閼冶蹠?huì)隨著時(shí)間而變形。
02
MEMS制造材料
MEMS的制造是從半導(dǎo)體器件制造中的工藝技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，即基本技術(shù)是材料層的沉積，通過(guò)光刻（photolithography）和蝕刻（etching）以形成所需形狀的圖案。
1
硅材料（Silicon）
消費(fèi)電子產(chǎn)品中大多數(shù)集成電路在使用硅（silicone）材料。MEMS的應(yīng)用借助了已經(jīng)規(guī)模化、廉價(jià)的高質(zhì)量材料，合并了硅基電子產(chǎn)品的功能，發(fā)展比較迅速。另外，硅還有單晶形式，硅是一種幾乎完美的胡克材料（Hookean material），這意味著當(dāng)它彎曲時(shí)，幾乎沒(méi)有滯后，因此幾乎沒(méi)有能量耗散。除了實(shí)現(xiàn)高度可重復(fù)的運(yùn)動(dòng)外，這還使硅非常可靠，因?yàn)楣鑾缀醪黄?，使用壽命可達(dá)數(shù)十億至數(shù)萬(wàn)億次，而不會(huì)破裂。特別是在微電子學(xué)和MEMS領(lǐng)域，基于硅的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)越來(lái)越重要。通過(guò)硅的熱氧化制造（thermaloxidation of silicon）的硅納米線在電化學(xué)（electrochemical ）轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)方面，包括納米線電池和光伏系統(tǒng)中，引起了人們的進(jìn)一步關(guān)注。
2
聚合物材料（Polymers）
即使電子工業(yè)為硅工業(yè)提供了規(guī)模經(jīng)濟(jì)，但結(jié)晶硅仍然是一種復(fù)雜且生產(chǎn)相對(duì)昂貴的材料。另一方面，可以大量生產(chǎn)具有多種材料特性的聚合物。MEMS裝置可以由聚合物通過(guò)諸如注射成型（injection molding），壓紋（embossing）或立體平版印刷術(shù)(stereolithography的方法制成，并且特別適合于微流體應(yīng)用，例如一次性血液測(cè)試盒(disposable blood testing cartridges)。
3
金屬材質(zhì)（Metals）
金屬也可以用于制造MEMS元件。盡管金屬在機(jī)械性能方面不具備硅所顯示的某些優(yōu)勢(shì)，但在其限制范圍內(nèi)使用時(shí)，金屬可以表現(xiàn)出很高的可靠性（high degrees of reliability）。金屬可以通過(guò)電鍍（electroplating）、蒸發(fā)（evaporation）和濺射工藝（sputtering processes）沉積。常用的金屬包括金（gold）、鎳（nickel）、鋁（aluminium）、銅（copper）、鉻（chromium）、鈦（titanium）、鎢（tungsten）、鉑（platinum）和銀（silver）。
4
陶瓷材料（Ceramics）
接地板上方的X形TiN光束的電子顯微鏡照片（高度差2.5 μm）。由于梁夾在中間，當(dāng)光束向下彎曲時(shí)，復(fù)位力會(huì)增大。右圖顯示了剪輯的放大倍數(shù)。
利用材料特性進(jìn)行有利組合，硅、鋁和鈦的氮化物（nitrides）以及碳化硅（siliconcarbide）和其他陶瓷越來(lái)越多地應(yīng)用于MEMS制造中。
氮化鋁（AlN）在纖鋅礦結(jié)構(gòu)（wurtzite structure）中結(jié)晶，因此表現(xiàn)出熱電和壓電特性，例如使傳感器對(duì)法向力和剪切力敏感。
另一方面，TiN表現(xiàn)出高電導(dǎo)率和大彈性模量，從而有可能用超薄光束實(shí)現(xiàn)靜電MEMS激勵(lì)方案。此外，TiN對(duì)生物腐蝕的高抵抗力使該材料有資格在生物環(huán)境中使用。該圖顯示了MEMS生物傳感器的電子顯微鏡照片，該MEMS生物傳感器在TiN接地板上方具有50 nm薄的可彎曲TiN束。
兩者都可以作為電容器的相對(duì)電極驅(qū)動(dòng)，因?yàn)殡娮邮潭ㄔ陔娊^緣的側(cè)壁上。當(dāng)流體懸浮在空腔中時(shí)，其粘度可能來(lái)自通過(guò)電吸引至接地板而彎曲梁并測(cè)量彎曲速度而得出。
03
MEMS基本工藝
1
沉積工藝（Deposition processes）
進(jìn)行MEMS制造的最基本需求是能夠沉積1到100微米之間的材料薄膜。NEMS的制造過(guò)程是基本一致的，膜沉積的測(cè)量范圍從幾納米到一微米。沉積方法有兩種：物理沉積（PVD）和化學(xué)沉積（CVD）。
物理沉積- Physical deposition
物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition, PVD）是將材料從靶材（target）上去除（remove）并沉積在基材（substrate）表面上的過(guò)程。能做到這一點(diǎn)的技術(shù)包括濺射過(guò)程(sputtering)，在該過(guò)程中，離子束將原子從靶標(biāo)中釋放出來(lái)，使它們移動(dòng)通過(guò)一定的距離空間并沉積在所需的基材上；之后進(jìn)行蒸發(fā)（evaporation）。在蒸發(fā)過(guò)程中，可以使用熱蒸發(fā)方法（thermal evaporation）或電子束蒸發(fā)方法(e-beam evaporation)從靶標(biāo)中蒸發(fā)掉材料。
和化學(xué)氣相沉積相比，物理氣相沉積適用范圍廣泛，幾乎所有材料的薄膜都可以用物理氣相沉積來(lái)制備，但是薄膜厚度的均勻性是物理氣相沉積中的一個(gè)問(wèn)題。
化學(xué)沉積 - Chemical deposition
化學(xué)沉積技術(shù)（CVD）的源氣流（stream of source）在基板上反應(yīng)以生長(zhǎng)所需的材料?？梢愿鶕?jù)技術(shù)的細(xì)節(jié)將其進(jìn)一步分為幾類，例如低壓化學(xué)氣相沉積（low-pressure chemical vapor deposition，LPCVD）和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD）。
典型的CVD工藝是將晶圓（基底）暴露在一種或多種不同的前趨物下，在基底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或/及化學(xué)分解來(lái)產(chǎn)生欲沉積的薄膜。反應(yīng)過(guò)程中通常也會(huì)伴隨地產(chǎn)生不同的副產(chǎn)品，但大多會(huì)隨著氣流被帶走，而不會(huì)留在反應(yīng)腔（reaction chamber）中。CVD技術(shù)來(lái)沉積的材料范圍也非常廣泛，包括單晶、多晶、非晶及外延材料：硅、碳纖維、碳納米纖維、納米線、納米碳管、SiO2、硅鍺、鎢、硅碳、氮化硅、氮氧化硅及各種不同的high-k介質(zhì)等材料。CVD也用來(lái)生成合成鉆石。
氧化膜（oxide films）也可以通過(guò)熱氧化(thermaloxidation)技術(shù)來(lái)生長(zhǎng)，可以從將硅晶片暴露于氧氣或蒸汽中，以生長(zhǎng)二氧化硅（silicon dioxide）的薄表面層。
2
圖形化（Patterning）
MEMS的結(jié)構(gòu)看起來(lái)不復(fù)雜，但是尺寸足夠小，制造工藝就比較麻煩，需要把設(shè)計(jì)好的MEMS圖案轉(zhuǎn)化到基材中。這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程包含了很多技術(shù)，比如：光刻（lithography）、電子束刻蝕（Electron beam lithography）、聚焦離子束光刻技術(shù)（Ion beam lithography）等等。這幾期內(nèi)容簡(jiǎn)單介紹一下這些技術(shù)，和大家共同學(xué)習(xí)。
光刻技術(shù) - Lithography
光刻技術(shù)就是一種圖案化過(guò)程（patterning），和芯片制造中說(shuō)的光刻技術(shù)是一致的。該過(guò)程是將圖案從光掩模版（photomask）轉(zhuǎn)移至基板。通過(guò)配備了光學(xué)光源的步進(jìn)器（steppers）和掃描儀（scanner）來(lái)完成的。光刻的其他形式包括直寫電子束（direct-write e-beam）和納米壓?。╪anoimprint）。未來(lái)光刻（NGL）技術(shù)還在不斷的迭代升級(jí)，例如：極紫外（extreme ultraviolet）、多束電子束（multi-beam e-beam）和定向自組裝（directed self-assembly）。
使用光刻技術(shù)制造MEMS思路很簡(jiǎn)單，選擇性地將光敏材料暴露于光照條件下，掩蔽一些區(qū)域輻射造成不同的結(jié)構(gòu)，暴露和未暴露區(qū)域的性質(zhì)不同。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖案轉(zhuǎn)移。光刻通常與金屬（或其他薄膜）沉積、濕法刻蝕和干法蝕刻同時(shí)進(jìn)行。
光刻技術(shù)可以不需要任何蝕刻的后處理，直接創(chuàng)建結(jié)構(gòu)。例子：基于SU-8的透鏡，其中產(chǎn)生了基于SU8的正方形塊。然后，將光致抗蝕劑熔化以形成充當(dāng)透鏡的半球形。
電子束光刻- Electron beam lithography
電子束光刻（e-beam lithography）是一種在形成膜的表面，選擇性地去除已曝光或未曝光區(qū)域（developing）。與光刻（鏈接）一樣，其目的是在抗蝕劑中形成微小的結(jié)構(gòu)，隨后可以通過(guò)蝕刻（etching）將其轉(zhuǎn)移到襯底材料上。它是為制造集成電路而開(kāi)發(fā)的，還用于創(chuàng)建納米技術(shù)體系結(jié)構(gòu)（nanotechnology architectures）。
電子束光刻的主要優(yōu)點(diǎn)是克服了光的衍射極限（diffraction limit of light）并在納米范圍內(nèi)形成特征的方法。這種無(wú)掩模光刻技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于光刻中的光掩模制造、半導(dǎo)體組件的小批量生產(chǎn)以及研發(fā)中。
電子束光刻的關(guān)鍵限制是生產(chǎn)量（throughput），即暴露整個(gè)硅晶片或玻璃基板所花費(fèi)的時(shí)間一般比較長(zhǎng)。長(zhǎng)時(shí)間的曝光過(guò)程中，易受到光束漂移（beam drift）或不穩(wěn)定的影響。
這張顯微照片顯示了由絕緣層（圖中透明）分隔的圖案化金屬電極，絕緣層用于控制半導(dǎo)體量子器件中的電子數(shù)量。它是可以用電子束光刻系統(tǒng)蝕刻的納米結(jié)構(gòu)類型的一個(gè)例子。
