【MEMS器件】设计、加工、封装等技术详解

在技术研究方面，传统机械加工技术在宏观上可以忽略的问题，如静电现象、表面边缘卷翘等，会在微纳米层面上对微机械构件造成巨大影响。因此，微机电加工技术很难直接沿袭传统机械系统技术。在微电子技术、微型机械加工技术的基础上，MEMS技术逐渐发展起来。以下按照MEMS器件形成过程对微机械设计、微细加工、微装配与封装等关键技术进行介绍。

1）设计和模拟技术

MEMS设计采用一种“自上而下”的方法，利用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在统筹考虑下几乎同时设计和制造出来。微机械设计和模拟主要包括微机构设计、微系统建模与仿真、有限元分析、CAD/CAM、虚拟现实等以计算机为工具的设计方法，其一般设计模拟流程如图10.8所示。

图10.8　MEMS器件的设计模拟流程

2）加工制造技术

微机械加工最初是从硅微（电子）加工技术发展起来的，故称之为硅基微机械加工。硅基微机械加工以传统集成电路工艺为基础，利用集成电路工艺技术或化学腐蚀法对硅基材料进行蚀刻加工，以形成复杂结构的微器件。硅基微加工技术主要分为体微加工技术和表面微加工技术，体微机械加工技术主要利用硅深层腐蚀方式，按结构要求沿着一定路径对硅片向内腐蚀从而得到复杂的中空结构。根据腐蚀原理的不同，体微机械加工主要包含湿法腐蚀、干法腐蚀和电化学腐蚀，不同的腐蚀方式又进一步包含各向同性腐蚀技术、各向异性腐蚀技术、多孔硅牺牲层技术等多种相关工艺技术。典型的硅深层腐蚀技术示例截面如图10.9所示。

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图10.9　典型硅深层腐蚀技术结构图

与硅基微机械加工技术相对的非硅基微机械加工技术以LIGA[Lithographie，Galvanoformung，Abformung（光刻、电铸和注塑）]技术为代表。LIGA技术首先利用同步辐射X射线光刻技术光刻出所要求的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具，再利用微铸塑制备微结构，其基本工艺流程如图10.10所示。而准LIGA技术是LIGA技术经过改进，使用常规的近紫外线光刻代替同步X射线。

图10.10　LIGA工艺流程

超精密机械加工技术与前两种微机械加工方式不同，它是传统机械加工的微型化，这种加工方法就是用大尺寸机器来制造小尺寸机器，逐步递进，最终制造出符合尺寸要求的微型电子机械，这种加工技术适用于在特殊场合的应用，如微型工作台、微型机械手等。

3）封装集成技术

根据封装部件的不同，封装技术分为器件封装技术和晶片封装技术。器件封装旨在实现器件的整体外部封装，包括倒装封装技术、自对准封装技术等。晶片封装技术（晶片键合）旨在实现器件内部晶片之间的封装功能。晶片键合技术主要分为硅片直接键合工艺和中间层键合工艺。硅片直接键合工艺的原理是将两晶片进行原子清洁形成水合表面，这些表面在接触时被两个水合表面的表面吸引所束缚。中间层键合技术在被键合晶片间加入中间层，以促进晶圆键合。根据使用中间层的不同，中间层键合包括阳极键合技术、金属键合技术和聚合物键合技术等。