1.2 微系统主要技术

1.2.1 MEMS制造技术

微加工技术是制造MEMS的主要手段。微加工技术包括IC制造技术和微加工技术。IC制造是“自上而下”的过程，通过多次重复薄膜淀积、光刻转移图形、扩散注入、选择性刻蚀薄膜等基本工艺过程实现复杂的IC，如图1-2中实线表示的过程所示。MEMS 起源于 IC 制造，大量借用了包括光刻、薄膜淀积、注入扩散、干法和湿法刻蚀等在内的传统的 IC 制造技术。因此，MEMS 的制造方法也是“自上而下”的微型化过程，即采用光刻和刻蚀等微加工技术，将大材料制造为小结构和器件，并与电路集成，实现系统微型化。这种途径易于实现批量化和系统集成，借助电子束光刻能够实现几纳米的线宽，可以将器件拓展到MEMS领域。

除了IC制造技术外，MEMS制造还需要大量与IC不同的制造技术，如牺牲层技术、各向异性刻蚀、反应离子深刻蚀（DRIE）、光刻模铸电镀成形（LIGA）、双面光刻、键合以及软光刻技术等，这些非IC技术统称为微加工技术，如图1-2中虚线所示。

1.集成电路工艺基础

MEMS制造不仅大量借用了集成电路制造技术，其处理电路部分也需要使用IC制造技术进行制造。IC由晶体管和金属连线组成，IC的制造过程就是制造晶体管并用金属连线将它们连接起来。制造IC的过程是通过多次重复薄膜淀积、光刻图形、表面改性以及刻蚀等基本工艺实现的。

集成电路的主要材料是硅、硅的化合物和金属，如单晶硅、二氧化硅、多晶硅和铝等。MEMS的主要材料也是硅。这不仅是因为其起源于集成电路制造技术，也是因为硅具有一些适合MEMS需求的突出优点。例如，硅具有优良的机械性能并能够制成多种敏感器件。硅近似于理想弹性，其屈服强度超过了几乎所有的常用工程材料。另外，硅具有压阻等敏感效应，对多种物理和化学量有敏感性。这些优点决定了硅是MEMS制造技术的主要材料。

光刻技术是一种将掩膜板的图形转移到衬底表面的图形复制技术，即利用光源选择性照射光刻胶层使其化学性质发生改变，然后显影去除相应的光刻胶得到相应图形的过程。针对 MEMS 光刻来讲，其结构的特征尺寸一般在 1μm以上，曝光方式可以使用接近式和接触式曝光机。由于MEMS包含三维结构，因此其光刻经常涉及台阶光刻、厚胶光刻双面光刻等IC制造中所没有用到的技术。在光刻胶涂覆方面，MEMS需要解决起伏表面（即带有台阶）的均匀覆盖、厚胶涂覆、与衬底的牢固黏附，以及承受刻蚀环境的腐蚀等问题；在成像方面，MEMS需要进行台阶和深槽结构底部的曝光、双面曝光、厚胶曝光等。

光刻胶的涂覆质量直接决定着光刻质量，MEMS结构有时需要在深槽底部或者台阶进行光刻，对于起伏较大的台阶，光刻胶的均匀覆盖是比较困难的，且其均匀性也对能否抵抗腐蚀环境起关键作用。所以，MEMS光刻需采用特殊的涂胶方法，如喷涂或电镀光刻胶，以解决台阶和深槽涂胶的问题。涂胶还需采用特殊的光刻胶，如AZ4620或者SU-8等，这类光刻胶黏度较大，增加了特殊的添加剂，单次旋涂可以达到50μm以上的厚度。

在成像方面，随着光刻胶厚度的增加，厚胶光刻需要的曝光剂量也会随之增大，这会造成不能将整个厚度上的光刻胶完全曝光的问题。因此，需要采用 UV 紫外光或X射线等合适的光源，以增加光线的穿透力，而使用聚焦深度递进的方法对厚胶进行曝光也可以减小失真。

光刻结束后需要进行薄膜淀积和掺杂过程。薄膜淀积是指通过化学或者物理方法把厚度为几纳米到几微米的薄膜沉积在衬底表面，是IC和MEMS制造中非常重要的工艺之一。化学方法包括化学气相沉积、外延、热氧化等，这些方法利用气体之间或者气体与衬底材料之间的化学反应沉积固体薄膜，通常有副产物产生；物理方法包括蒸镀和溅射，指利用物理过程使淀积材料直接沉积到衬底表面形成薄膜，沉积过程不包括化学反应。掺杂是向指定区域的衬底或薄膜材料掺入杂质以取代原来位置上原子的过程，一般用来改变半导体材料的电导率。实现掺杂的方法包括注入和扩散，前者利用高能将杂质离子加速后轰击注入衬底实现掺杂，后者利用杂质不同浓度的扩散系数的差别实现掺杂。

制造工艺技术的最后一个步骤是刻蚀。刻蚀是选择性地去除部分薄膜或者衬底材料的加工工艺。IC制造中通常只刻蚀薄膜，不需要刻蚀衬底；MEMS制造中除刻蚀薄膜外，还经常刻蚀单晶硅衬底。刻蚀可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀，湿法刻蚀利用溶液与被刻蚀材料发生化学反应进行刻蚀。湿法刻蚀在IC制造中一般只用来刻蚀二氧化硅，而在MEMS制造中，湿法刻蚀还用来刻蚀单晶硅和氮化硅。干法刻蚀主要利用反应气体或等离子体进行刻蚀。利用等离子体的干法刻蚀主要依靠两个方面：一是由电场加速的离子对被加工表面的轰击和溅射所产生的物理刻蚀，二是化学性质活跃的中性反应基团与被刻蚀物质反应并生成挥发物质的反应离子刻蚀。

2.微加工技术

MEMS 制造不仅依赖于 IC 工艺，更依赖于微加工技术。微加工技术包括硅的体微加工技术、表面微加工技术和特殊微加工技术，前两者分别是加工背板电极和膜片所使用的方法。体微加工技术是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，是实现三维结构的重要方法。当刻蚀速度在各个方向都相同时，刻蚀为各向同性，否则为各向异性，即刻蚀速度和形状与晶向有关。表面微加工采用薄膜淀积、光刻以及刻蚀工艺，通过在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜，然后去除牺牲层释放结构层来实现可动结构。表面微加工在硅衬底表面上“建造”微结构，并实现复杂的装配关系。由于薄膜淀积的限制，通常情况下表面微加工结构的厚度小于10μm。表面微加工的优点是可以实现多层复杂的悬空结构，但是结构比较脆弱、材料性能没有体材料好，在制造过程中容易损坏。另外，薄膜应力和黏连现象是需要重点解决的问题。除了体微加工技术和表面微加工技术以外，MEMS制造还广泛地使用了多种特殊加工方法，其中常用的方法包括键合、LIGA、电镀、软光刻、微模铸、微立体光刻与微电火花加工等。表面工艺能够制造复杂的多层结构，为MEMS带来了很大的灵活性，然而，由于制造能力和残余应力等方面的限制，表面微加工结构的厚度都很小，如目前最厚的薄膜是 Bosch（博世）的实现12μm外延多晶硅。利用DRIE刻蚀的单晶硅高深宽比结构具有很多优点，如优异的力学性能和光洁的表面，能够实现低噪声和高分辨率的器件，并能获得较大的叉指电容，这使得单晶硅高深宽比结构在加速度传感器、陀螺、微镜等领域应用广泛。

3.MEMS封装技术

集成电路的封装过程是把切割后的管芯固定到支架上，并连接管芯与支架管脚，用塑料、陶瓷或金属等外壳把管芯密封起来以保护管芯并提高可靠性。由于MEMS的结构和功能复杂多样，环境参数也各种各样，因此其封装远比IC封装复杂。MEMS封装除了需要具有IC封装的功能外，还需要解决与外界的信息和能量交换的问题。封装一方面需要密封管芯来消除器件与外界环境的互相影响，另一方面又必须设置一定的“通道”使被测量能够作用到敏感结构，以及执行器能够对外界输出动作和能量。MEMS与IC不同的集成方式导致出现了不同的封装方法。如果MEMS结构与IC是分别制造的，分别位于两个不同的管芯上，需要通过封装集成，形成多芯片模块。如果MEMS结构与IC在制造过程中就集成在同一个管芯上，实现了所谓的芯片系统，则封装只需要一个管壳即可。另外，由于MEMS本身具有制造结构的能力，因此利用制造过程直接实现对核心器件进行封装也是MEMS封装的一种方法，这种方法称为集成封装。为了实现真空封装，可以使用反应气体封装、外延层封装、LPCVD淀积封装以及金属封装等。其中，反应气体封装是利用封装外壳（或者内部结构）反应将内部的气体消耗实现密封的。这种方法的使用受到结构和器件耐受高温能力的限制。键合封装的过程需要较高的温度，会损坏IC和不能耐受高温的材料，并且键合基底的表面粗糙度要求极高，限制了键合封装的应用。集成封装过程尽管很巧妙，但是能否使用该方法完全取决于器件的工艺，不具有通用性；这种情况也不能用于先MEMS后IC的工艺。除了这两种方法之外，利用MEMS可以制造加热器件，能够对器件局部区域加热而实现键合。

1.2.2 微流体通道技术

微流体是指宽度（或高度）小于1mm、大于1μm的管道中的流体。当管道大于1mm时，流体特性与宏观流体相同，不可压缩和流固界面无滑流假设成立。在微流体尺度下，需要考虑滑流、黏度耗散、可压缩性、分子间作用力等特性。当管道小于1μm时，流体需要使用纳米尺度的特性才能描述，甚至连续性假设也不成立。芯片实验室（LOC）中应用流体的主要原因包括两方面：一是LOC的尺寸、功能以及流体管道的密度决定了管道和器件需要在微米尺度，其流体特性属于微流体范畴；二是微流体的很多特性有助于LOC上微流体的操控和LOC功能的实现。

LOC和微流体器件要求制造简单、成本低、生物相容性好的衬底材料，硅、石英、玻璃及多种高分子聚合物等都在LOC中有广泛的应用。硅的加工方法很多，其中键合是形成密封微通道的可靠方法。图 1-3 所示为硅基底上通过键合制造全埋微通道的两种方法，利用刻蚀将结构表面覆盖的薄膜转化为管道的表面，或者直接键合来实现完全掩埋的微通道。

直接密封的方法也可以形成微通道。例如，采用溅射的非均匀性，在溅射淀积较大深宽比的开口槽时，由于侧壁的阻挡作用，槽的底部淀积速度很慢，而开口处的淀积速度较快，经过一段时间后即可将槽密封为微通道。微槽的深宽比越大，密封后微通道的主体宽度保持越好。

实现密封微通道的另一种重要方法是牺牲层技术，能够作为牺牲层的材料包括二氧化硅和多晶硅等无机材料，以及热解聚合的聚碳酸酯等有机高分子材料。无机材料作为牺牲层时，微流体通道的制造过程与表面微加工类似；而有机材料作为牺牲层时，可以利用曝光或加热等方法去除牺牲层，使制造工艺简化。

玻璃也是LOC中重要的材料之一，具有材料成本低、加工简单、可以导电或绝缘，以及能够透过可见光等特点，有利于实现电驱动力驱动、毛细管电泳和光学检测。从光吸收的角度考虑，用石英玻璃制作的微流体芯片仍是主要方向之一，与毛细管电泳相类似，它在施加电位的情况下产生电渗流。制造玻璃微通道一般采用刻蚀和键合相结合的工艺，即先利用金属作为掩膜湿法刻蚀玻璃通道，当刻蚀深度比较浅时也可以用光刻胶作为掩膜。玻璃具有化学惰性，能够刻蚀玻璃的刻蚀剂比较少，刻蚀完成后去除掩膜并键合盖板。

利用软光刻技术和PDMS的多层键合可以实现复杂的三维微流体管道，每次结构可以方便地用软光刻单独制造，经过键合以后形成三维微流体结构。图 1-4 所示为用PDMS实现的复杂三维微流体管道，其基本思想是用三层PDMS，中间层有模铸制造的微通道系统，上下两层PDMS平板分别构成顶层微通道的上表面和底层微通道的下表面，同时对中间层起支撑作用。图1-4（a）所示为顶层PDMS母版和光刻胶母版，以及由此模铸得到的微流体通道结构示意图。两个母版都没有上大下小的结构，能够在模铸后脱模。但是两层母版都不能形成顶层微流体通道的上表面和底层微流体通道的下表面，因此需要上下两个平板PDMS与中间层一起构成“三明治”结构，形成微通道的上下表面。图1-4（b）所示为利用PDMS加工的三维微流体通道填充高分子固化后的照片，反映了流体通道的内部结构。

有机物牺牲层技术与软光刻技术相结合，可以实现纳米尺度的微流体通道。加工过程与热解聚碳酸酯作为牺牲层的工艺类似，不同的是在聚碳酸酯上淀积的二氧化碳曝光转移图形过程中使用了纳米压印技术，因此可以使通道宽度达到纳米量级。

1.2.3 MEMS天线技术

自赫兹和马可尼发明天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如今已成不可或缺之势。德国卡尔斯鲁厄工学院的赫兹教授在1886年建立了第一个天线系统，他当时装配的设备如今可描述为工作在米波波长的完整无线电系统，其中利用了终端加载的偶极子作为发射天线，并采用谐振方环作为接收天线。1901年，意大利的马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路，并使天线系统从实验室阶段向实用阶段迈进。第二次世界大战期间，雷达的出现使厘米波得到了普及，无线电频谱得到了更充分的利用。如今，数以千计的通信卫星正负载着天线运行于各类地球轨道，天线也为飞机、船舶、移动电话和所有类型的无线器材提供了通信服务。天线家族发展至今，种类多样，形式多样，在不同的应用场景和应用领域起到了举足轻重的作用。

现代军事装备中高新技术应用不断增多，机载、星载及各类武器系统所需要的电子组件和部件向着短、小、轻、薄、高可靠性、高速度的方向快速发展。在性能方面，迫切需要电磁兼容性好、不易受电子干扰、具有隐身/反隐身特性的高性能阵列天线。对于高速飞行器，由于严格的空气动力学限制，要求天线共形于其表面。能够与载体共形的天线系统（即共形天线）的研究近年来日益得到重视，它不仅可以提供原来所需要的天线性能，而且不影响载体本身的机动特性。微系统天线也向着隐形、低剖面、小型化的方向发展，不断地提高天线的各项性能系数，满足各类载体的多项需求。

MEMS技术制造的多种新特性的天线电路形式就能很好地满足以上需求。其技术适用于从吉赫兹到太赫兹的频率，如在X波段以上的雷达、通信以及航天系统等，为微波及毫米波集成电路的发展提供了良好的解决方案。MEMS技术制造的微带线、共面波导等传输线使很多过去在平面电路中无法实现的电路结构、模块都得以实现。

1.微带线与共面波导

抑制辐射是天线应用中提高高频信号传输效率最重要的手段。金属波导的导体屏蔽可以有效地抑制传输波，强迫只有金属结构固有谐振频率以上的信号传输。为了实现低频、无色散、微型的金属结构，基于场抑制而非屏蔽的波导（即传输线）在很宽的频率范围内得到了广泛应用。由于衬底损耗及其寄生阻抗，即使在微带线、带状线、耦合带状线、共面波导等传输线中，传输效率仍是非常重要的问题，如衬底的介电损耗会降低传输线的功率传输能力。

微带线是衬底两面位置相互对应的两个金属导体构成的结构，如图 1-5（a）所示。在单片集成中使用的微带线都采用无穷大的地（和衬底同样大）以减少欧姆损耗。根据微带线理论，这种微带线的电特性是由其几何尺寸、导体和衬底的介电特性决定的。这种微带线的缺点是，共用地的微带线之间的隔离度较差，往往需要加大间距以减小耦合；这种微带线也使垂直线的集成比较困难。因此，产生了有限地微带线结构，如图1-5（b）所示。为了保持微带线的特性，地的宽度要在传输线两端各宽出两个衬底厚度，但是有时也把地设计得比较细以获得较大的阻抗。与普通微带线相比，有限地微带线的导体损耗比较大，这是因为传输线的表面电阻增加了，尤其是对于比较薄的衬底，比较窄的中心导体引起的欧姆损耗会增加。

针对微带天线损耗比较大的问题，可以采用MEMS技术提高天线性能。根据天线的工作频段不同，应用的MEMS技术和方法也不同。毫米波频段（30～300GHz）和太赫频段是MEMS在天线领域最早、最成功的应用。在这个频段，因为天线衬底的相对电厚度较大，导致天线效率不高，微加工技术主要用来减小天线的损耗和尺寸，从而提高天线的效率。由微加工技术制造的微带天线可以明显降低衬底损耗，改善天线的效率。天线的工作频率为1000GHz，典型尺寸为1～2mm，可以使用Si、GaAs或者石英衬底。因此，无论从天线对衬底的要求，还是天线本身的尺寸，这个频段的天线都适用于集成。图1-6是一种通过微加工技术实现的缝隙耦合微带天线。通过体硅刻蚀技术在天线下面的衬底上形成一个腔体，目的是减小天线所在部分衬底的介电常数，降低表面波的激发程度，从而增加天线的效率。这种天线的回波损耗为18dB，最大效率达到58%，证明了微加工的微带天线是毫米波频段垂直集成天线阵列的有效方法。

共面波导（CPW）是地和传输线在同一平面内的平面型波导，它和共面带状线是互补结构；有限地共面波导（FGC）是地只有有限宽度的共面波导，如图 1-7 所示。FGC的特征阻抗由几何尺寸和有效介电常数决定，静态分析与保角映射表明特性阻抗是深宽比S/（S+2W）的函数。FGC的优点是能够抑制寄生平行板模式，因此共地时不需要过孔，并且传输特性受衬底厚度和背面镀金属与否的影响不大。

2.薄膜式悬空天线和腔体贴片天线

微加工技术还可以制作悬空的双极性天线，使天线在自由空间能够有效地辐射。图1-8是利用KOH刻蚀的辐射边悬空的微带天线，因为辐射边悬空，所以衬底对辐射的影响非常小；但是由于机械强度的问题，因此辐射边不能悬空得太多。

在微波频段（0.3～300GHz）和个人移动通信频段内（800MHz～4GHz），悬浮结构用得比较少，这主要是由于此频段的波长较长，介电常数接近1的悬浮结构会使天线的尺寸太大而失去意义。因此，在这个频段中，微加工技术常用来实现天线下面特定介电常数的基底，特别是选择性地刻蚀天线下面的腔体或者周期性的孔，使这个区域的介电常数在空气与未刻蚀材料之间，从而在高介电常数衬底上实现局部的低介电常数区域。这种方法把12～13GHz频率的天线效率从55%提高到85%。

此外，腔体贴片天线通过 KOH 刻蚀在天线下面的硅衬底上形成一个腔体，腔体深度达到整个衬底厚度的70%。天线尺寸随着合成有效介电常数的不同而变化，当频率为12～13GHz时，贴片的长度为3.6～7.6mm，宽度为3.5～6.7mm。这种天线结构可以把1.4%～2.3%的天线带宽提高64%，把天线效率提高28%。可以发现，这个结构与94GHz的天线有些类似。在衬底上用刻蚀或者钻孔的方法加工通孔，孔的间距小于1/10波长，有空的区域至少是天线衬底厚度的3.5倍。天线尺寸为22mm×27mm时，其工作频率为4.3GHz。12.8GHz天线的效率可以从48%提高到78%。这两种结构都可以在高介电常数衬底条件下实现低介电常数区域。