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前言

1986年，一个提交到DARPA的提案中首次引入了微机电系统（MEMS）。纳米级融合系统成为纳米机电系统（NEMS），MEMS在日本也被称为微机械（micromachine），在欧洲也被称为微系统技术（microsystem technology , MST）。

1986 年提交给 DARPA 的提案首次引入了微机电系统一词。

MEMS由尺寸介于1到100微米（即0.001至0.1毫米）之间的组件组成，并且MEMS器件的尺寸范围通常为20微米至毫米（即0.02至1.0毫米）。通常由一个处理数据的中央单元（集成电路芯片）和几个与周围环境交互的微型传感器组件构成。由于MEMS的表面积与体积之比较大，因此与体积较大的机械设备相比，环境电磁力（例如：静电荷和磁矩）产生的力以及流体动力学（例如：表面张力和粘度）是需要着重考虑的设计因素。

理查德·费曼（RichardFeynman）1959年著名的演讲《Theres Plenty ofRoom at the Bottom》就预言了小型机器（very small machine）的潜在技术。可以使用半导体器件制造技术来制造MEMS：包括模制（molding）和电镀（plating），湿蚀刻（KOH，TMAH）和干蚀刻（RIE和DRIE），放电加工（electrical discharge machining, EDM）以及其他能够制造小型器件的技术。

图上是扫描电镜显示的一个微型的悬臂梁。

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MEMS的历史

MEMS技术起源于硅革命，其历史可追溯到1959年的两项重要硅发明：（1）Fairchild Semiconductor的Robert Noyce开发的单片集成电路（IC）芯片和（2）MOSFET（金属氧化物半导体场效应）晶体管（或MOS晶体管），由贝尔实验室的Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng设计。IC芯片上MOSFET的小型化，推动了电子产品的微型化（摩尔定律和Dennard scaling所预测的）。工程师们开始意识到硅芯片和MOSFET可以与周围环境进行交互，诸如：化学物质、运动和光信息之类的事物。最早的硅压力传感器（pressure sensor）之一是由Honeywell在1962年实现的。

比较早的MEMS器件是由Harvey C. Nathanson于1965年开发的谐振门晶体管（resonant-gate transistor），MOSFET的改型。另一个早期的例子是谐振器（resonator），这是由雷蒙德·威尔芬格（Raymond J. Wilfinger）在1966年至1971年之间申请专利的机电单片谐振器。在1970年代至1980年代初期，开发了许多用于测量物理，化学，生物学和环境参数的MOSFET微传感器。

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MEMS的类型

MEMS开关技术有两种基本类型：电容性（capacitive）和欧姆性（ohmic）。电容式MEMS开关是使用移动板或感应元件开发的，它可以改变电容。欧姆开关由静电控制的悬臂控制。欧姆MEMS开关可能会由于MEMS执行器（悬臂）的金属疲劳和接触磨损而失效，因为悬臂会随着时间而变形。

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MEMS制造材料

MEMS的制造是从半导体器件制造中的工艺技术发展而来的，即基本技术是材料层的沉积，通过光刻（photolithography）和蚀刻（etching）以形成所需形状的图案。

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硅材料（Silicon）

消费电子产品中大多数集成电路在使用硅（silicone）材料。MEMS的应用借助了已经规模化、廉价的高质量材料，合并了硅基电子产品的功能，发展比较迅速。另外，硅还有单晶形式，硅是一种几乎完美的胡克材料（Hookean material），这意味着当它弯曲时，几乎没有滞后，因此几乎没有能量耗散。除了实现高度可重复的运动外，这还使硅非常可靠，因为硅几乎不疲劳，使用寿命可达数十亿至数万亿次，而不会破裂。特别是在微电子学和MEMS领域，基于硅的半导体纳米结构越来越重要。通过硅的热氧化制造（thermaloxidation of silicon）的硅纳米线在电化学（electrochemical ）转化和存储方面，包括纳米线电池和光伏系统中，引起了人们的进一步关注。

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聚合物材料（Polymers）

即使电子工业为硅工业提供了规模经济，但结晶硅仍然是一种复杂且生产相对昂贵的材料。另一方面，可以大量生产具有多种材料特性的聚合物。MEMS装置可以由聚合物通过诸如注射成型（injection molding），压纹（embossing）或立体平版印刷术(stereolithography的方法制成，并且特别适合于微流体应用，例如一次性血液测试盒(disposable blood testing cartridges)。

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金属材质（Metals）

金属也可以用于制造MEMS元件。尽管金属在机械性能方面不具备硅所显示的某些优势，但在其限制范围内使用时，金属可以表现出很高的可靠性（high degrees of reliability）。金属可以通过电镀（electroplating）、蒸发（evaporation）和溅射工艺（sputtering processes）沉积。常用的金属包括金（gold）、镍（nickel）、铝（aluminium）、铜（copper）、铬（chromium）、钛（titanium）、钨（tungsten）、铂（platinum）和银（silver）。

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陶瓷材料（Ceramics）

接地板上方的X形TiN光束的电子显微镜照片（高度差2.5 µm）。由于梁夹在中间，当光束向下弯曲时，复位力会增大。右图显示了剪辑的放大倍数。

利用材料特性进行有利组合，硅、铝和钛的氮化物（nitrides）以及碳化硅（siliconcarbide）和其他陶瓷越来越多地应用于MEMS制造中。

氮化铝（AlN）在纤锌矿结构（wurtzite structure）中结晶，因此表现出热电和压电特性，例如使传感器对法向力和剪切力敏感。

另一方面，TiN表现出高电导率和大弹性模量，从而有可能用超薄光束实现静电MEMS激励方案。此外，TiN对生物腐蚀的高抵抗力使该材料有资格在生物环境中使用。该图显示了MEMS生物传感器的电子显微镜照片，该MEMS生物传感器在TiN接地板上方具有50 nm薄的可弯曲TiN束。

两者都可以作为电容器的相对电极驱动，因为电子束固定在电绝缘的侧壁上。当流体悬浮在空腔中时，其粘度可能来自通过电吸引至接地板而弯曲梁并测量弯曲速度而得出。

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MEMS基本工艺

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沉积工艺（Deposition processes）

进行MEMS制造的最基本需求是能够沉积1到100微米之间的材料薄膜。NEMS的制造过程是基本一致的，膜沉积的测量范围从几纳米到一微米。沉积方法有两种：物理沉积（PVD）和化学沉积（CVD）。

物理沉积- Physical deposition

物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）是将材料从靶材（target）上去除（remove）并沉积在基材（substrate）表面上的过程。能做到这一点的技术包括溅射过程(sputtering)，在该过程中，离子束将原子从靶标中释放出来，使它们移动通过一定的距离空间并沉积在所需的基材上；之后进行蒸发（evaporation）。在蒸发过程中，可以使用热蒸发方法（thermal evaporation）或电子束蒸发方法(e-beam evaporation)从靶标中蒸发掉材料。

和化学气相沉积相比，物理气相沉积适用范围广泛，几乎所有材料的薄膜都可以用物理气相沉积来制备，但是薄膜厚度的均匀性是物理气相沉积中的一个问题。

化学沉积 - Chemical deposition

化学沉积技术（CVD）的源气流（stream of source）在基板上反应以生长所需的材料。可以根据技术的细节将其进一步分为几类，例如低压化学气相沉积（low-pressure chemical vapor deposition，LPCVD）和等离子体增强化学气相沉积（plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD）。

典型的CVD工艺是将晶圆（基底）暴露在一种或多种不同的前趋物下，在基底表面发生化学反应或/及化学分解来产生欲沉积的薄膜。反应过程中通常也会伴随地产生不同的副产品，但大多会随着气流被带走，而不会留在反应腔（reaction chamber）中。CVD技术来沉积的材料范围也非常广泛，包括单晶、多晶、非晶及外延材料：硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳米线、纳米碳管、SiO2、硅锗、钨、硅碳、氮化硅、氮氧化硅及各种不同的high-k介质等材料。CVD也用来生成合成钻石。

氧化膜（oxide films）也可以通过热氧化(thermaloxidation)技术来生长，可以从将硅晶片暴露于氧气或蒸汽中，以生长二氧化硅（silicon dioxide）的薄表面层。

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图形化（Patterning）

MEMS的结构看起来不复杂，但是尺寸足够小，制造工艺就比较麻烦，需要把设计好的MEMS图案转化到基材中。这个转化过程包含了很多技术，比如：光刻（lithography）、电子束刻蚀（Electron beam lithography）、聚焦离子束光刻技术（Ion beam lithography）等等。这几期内容简单介绍一下这些技术，和大家共同学习。

光刻技术 - Lithography

光刻技术就是一种图案化过程（patterning），和芯片制造中说的光刻技术是一致的。该过程是将图案从光掩模版（photomask）转移至基板。通过配备了光学光源的步进器（steppers）和扫描仪（scanner）来完成的。光刻的其他形式包括直写电子束（direct-write e-beam）和纳米压印（nanoimprint）。未来光刻（NGL）技术还在不断的迭代升级，例如：极紫外（extreme ultraviolet）、多束电子束（multi-beam e-beam）和定向自组装（directed self-assembly）。

使用光刻技术制造MEMS思路很简单，选择性地将光敏材料暴露于光照条件下，掩蔽一些区域辐射造成不同的结构，暴露和未暴露区域的性质不同。实现设计图案转移。光刻通常与金属（或其他薄膜）沉积、湿法刻蚀和干法蚀刻同时进行。

光刻技术可以不需要任何蚀刻的后处理，直接创建结构。例子：基于SU-8的透镜，其中产生了基于SU8的正方形块。然后，将光致抗蚀剂熔化以形成充当透镜的半球形。

电子束光刻- Electron beam lithography

电子束光刻（e-beam lithography）是一种在形成膜的表面，选择性地去除已曝光或未曝光区域（developing）。与光刻（链接）一样，其目的是在抗蚀剂中形成微小的结构，随后可以通过蚀刻（etching）将其转移到衬底材料上。它是为制造集成电路而开发的，还用于创建纳米技术体系结构（nanotechnology architectures）。

电子束光刻的主要优点是克服了光的衍射极限（diffraction limit of light）并在纳米范围内形成特征的方法。这种无掩模光刻技术已广泛的应用于光刻中的光掩模制造、半导体组件的小批量生产以及研发中。

电子束光刻的关键限制是生产量（throughput），即暴露整个硅晶片或玻璃基板所花费的时间一般比较长。长时间的曝光过程中，易受到光束漂移（beam drift）或不稳定的影响。

这张显微照片显示了由绝缘层（图中透明）分隔的图案化金属电极，绝缘层用于控制半导体量子器件中的电子数量。它是可以用电子束光刻系统蚀刻的纳米结构类型的一个例子。