1.1　MEMS技术发展历程

MEMS技术的发展历史可追溯到20世纪50年代，与发现硅的电阻率与应力相关，即所谓的压阻效应［1］。压力传感器主要原理是在外加压力作用下，传感器的电阻发生改变，通过检测传感器电阻的变化实现压力检测。在压阻效应被发现之前，压力传感器的敏感电阻主要采用金属电阻，在应力作用下，敏感电阻的长度和宽度产生变化，导致敏感电阻的阻值发生变化，从而实现压力检测。但敏感电阻长度和宽度变化引起的电阻变化量非常小，灵敏度很低。由于硅的压阻系数非常大，利用硅制作的压力传感器的灵敏度比使用电阻应变片制作的压力传感器的灵敏度高两个数量级。由此开启了人们利用硅工艺制造压力传感器的历程。

利用压阻效应制造压力传感器的关键是使被测压力在硅圆片内部产生应力，从而引起硅电阻阻值的变化，实现通过测量敏感电阻阻值的变化获得被测压力大小。显然，为了提高检测灵敏度，总是希望很小的被测压力可以带来很大的硅电阻阻值的变化，这要求小的被测压力可以在硅内部产生大的应力。要达到这一目的，需要设计特殊的硅敏感结构，以在敏感结构内部的特定部位实现应力集中，这样小的被测压力可以在应力集中部位产生大的应力。显然，将敏感电阻制作在应力集中部位，在同样的被测压力作用下，敏感电阻阻值会有最大变化，从而显著提高传感器的灵敏度。早期的硅压力传感器敏感结构就是所谓的硅杯结构，其示意图如图1-1所示。硅杯结构的应力集中部位在敏感膜的根部，将敏感电阻制作在敏感膜根部就可以提高传感器的灵敏度。对于微电子工艺来说，在硅圆片上制作电阻非常简单。因此，硅压力传感器制造的核心是硅杯结构的制造。如何高效、低成本地制造出力学性能优良的硅杯结构，从而生产出高性价比的压力传感器是主要问题。为了高效批量制造出硅杯结构，人们通过在常规微电子工艺中，嵌入各向异性腐蚀技术、键合技术和牺牲层技术等特殊工艺来制造硅压力传感器，经过压力传感器制造工艺的不断优化演进，这些特殊工艺已成为MEMS制造的三大关键技术。

1.各向异性腐蚀技术

最初的硅杯结构采用背面机械打磨方式制造，该制造方式不是批量制造方式，效率非常低，而且产品的一致性非常差。20世纪60年代出现了硅各向异性腐蚀技术［2］，该技术的腐蚀特性与硅的晶向密切相关。具体表现为（100）面腐蚀速率快，（111）面几乎不腐蚀，而且对SiO2也几乎不腐蚀，因此可以利用SiO2作腐蚀掩模，通过选择特定晶面和晶向对硅圆片进行选择性腐蚀，实现机械结构的批量制造。该技术一经出现，马上被用来制造硅杯结构。图1-2所示为采用硅各向异性腐蚀技术批量制造的改进型硅杯结构示意图。通过该技术可以一次腐蚀出数十块硅圆片，实现了低成本批量制造膜、岛、沟和槽等基本微机械结构。这一技术为在硅圆片上制造各种微机械结构提供了高效的手段，对MEMS技术的发展起了十分重要的作用，直到今天还在广泛应用，目前主要使用的腐蚀液有KOH和TMAH。

2.键合技术

压力传感器完成芯片制造后，还需要封装。由于压力传感器是用来检测压力的，如果将压力传感器芯片直接通过胶粘的方式封装在管座上，那么在芯片和管座界面将存在热失配，从而在硅杯结构敏感膜处产生热应力。当温度变化或加载时，在敏感膜处产生的热应力或残余应力同样会导致敏感电阻改变，使得传感器的温度特性和重复性变差，还会增加迟滞。如果将压力传感器芯片不是用胶粘的方式封装在管座上而是先直接封装在与硅热膨胀系数相近的圆片上，再将带圆片的压力传感器芯片封装在管座上，那么圆片和管座界面处的热失配大部分将被圆片吸收掉，从而改善传感器的特性。这一解决方案的关键是要有硅芯片与圆片的直接封装方法。20世纪60年代末人们发明了金属/玻璃键合技术［3］，该技术将金属和玻璃贴合在一起，通过加热和施加电场，实现金属与玻璃直接封接。硅属于半导体，具有一定的金属属性，因此人们想到利用这一方法进行硅/玻璃键合，将硅封接在玻璃圆片上，从而解决压力传感器封装热失配的问题。图1-3所示为硅/玻璃键合技术改进的硅杯结构示意图，该方法可以一次将制造好的硅芯片与玻璃圆片（其热膨胀系数与硅相近）直接键合在一起，划片之后再将玻璃圆片封装在管座上，这样玻璃圆片和管座界面处的热失配大部分可以被玻璃圆片吸收，从而提高传感器的性能。

早期的压力传感器主要是硅杯结构的，需要采用双面（硅圆片的正面和背面）加工技术制造，难以在集成电路生产线量产。其主要原因是：①集成电路工艺为平面工艺，采用单面加工，双面加工形成的硅杯结构存在背面腐蚀空腔，使得光刻和清洗困难、易碎片，与集成电路平面工艺兼容性差，难以在集成电路生产线规模制造；②背面加工往往使用各向异性腐蚀技术，在背面存在54.7°的斜角（见图1-3），额外增加的芯片面积一般超过50%（尺寸增加0.7h，h为硅圆片厚度），硅圆片产出的传感器大为减少，使得单个传感器芯片的制造成本高。要解决这些问题，就需要想办法使压力传感器结构仅需硅圆片单面加工，简化其制造工艺，以适合在集成电路生产线量产。20世纪80年代，为制造SOI圆片，发明了硅-硅键合技术［4］，这使压力传感器仅需硅圆片单面加工成为可能。利用硅-硅直接键合技术，硅圆片仅需单面加工就可以直接在内部形成空腔。图1-4所示为硅-硅键合技术制造的硅盒结构示意图［5］，用于制造压力传感器。由于含密封空腔（硅盒结构）的硅圆片与常规硅圆片无太大不同，因此制造工艺与集成电路工艺兼容，适合在集成电路生产线量产。

3.牺牲层技术

为了解决硅杯结构需要采用双面加工技术制造带来的问题，20世纪80年代还出现了一项重要的工艺技术——表面微机械技术，其核心是牺牲层技术［6］，即在磷硅玻璃牺牲层上制备一层多晶硅结构层，再把牺牲层腐蚀掉，留下的多晶硅结构层悬空，再沉积一层多晶硅将牺牲层腐蚀通道封死，从而构成密闭的压力敏感空腔（见图1-5）。该技术主要涉及集成电路工艺中的沉积和选择性腐蚀技术，基本属于常规集成电路工艺，与集成电路工艺兼容。牺牲层技术的核心思想是在同一腐蚀环境中，不同材料的腐蚀速率可以差异非常大，将易被腐蚀的材料选作牺牲层，将不被腐蚀的材料选作结构层，就可以组合出多种微机械结构体系。现有许多材料组合体系，包括多晶硅（结构层）/磷硅玻璃（牺牲层）、介质（结构层）/单晶硅（牺牲层）、金属（结构层）/有机物（牺牲层）等，HF溶液、HF蒸气、各向异性腐蚀等是主要的牺牲层腐蚀释放方法。

4.MEMS概念的出现

在压力传感器的发展过程中，围绕压力敏感结构的制造，逐步形成了各向异性腐蚀技术、键合技术和牺牲层技术等关键技术。实际上压力敏感结构本质上是机械结构，机械结构可以用来制造压力传感器，也可以用来制造各种机械部件或零件。例如，可以利用各向异性腐蚀技术在同一硅圆片上制造不同的机械结构。对于更复杂的机械结构，则可以利用键合技术实现多层三维机械结构的组装；还可以利用牺牲层技术，通过反复沉积，在同一硅圆片上制造出多层三维机械结构。

1987年在Transducers'87中发表的铰链、齿轮、弹簧、曲柄和微马达等机械零部件［7］引起了轰动。引起轰动的原因是这些机械零部件是采用牺牲层技术通过反复沉积制造的，也就是说这是世界上第一批采用微电子工艺制造的机械零部件，颠覆了以往通过机械加工方法制造机械零部件的观念，预示着采用微电子工艺不仅可以批量制造各种机械部件或零件，还可以将电子/机械/光等集成在一起，构成单片集成微机电系统，即MEMS。由此MEMS开始流行，在国际上掀起了一股研究微马达、微泵、微阀等微机械部件的热潮，各种新想法层出不穷，MEMS研究进入黄金期。图1-6所示为中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称上海微系统所）2000年制作的微机械栓锁。

5.深反应离子刻蚀技术

MEMS概念出现以后，人们开始从传感器的角度拓展到微电子机械的角度来思考问题，其中重要的问题还是微机械结构的制造。尽管湿法硅各向异性腐蚀技术可以在硅圆片上形成多种微机械结构，但它有个致命弱点，就是形成的结构与晶向有关，这限制了其应用范围，很多结构用这一技术无法制造。而且，已完成部分制造工艺的硅圆片长时间浸泡在腐蚀液中是不利的。为此，人们在20世纪90年代发明了硅深反应离子刻蚀技术［8］，该技术刻蚀速度与晶向无关，而且采用了干法工艺，为制造复杂微机械结构带来了极大的灵活性。图1-7所示为上海微系统所2001年采用深刻蚀工艺制造的微梳齿结构。

至此，主要MEMS制造技术已经形成。直到今天，MEMS常用的工艺技术主要还是各向异性腐蚀技术、键合技术、牺牲层技术和深反应离子刻蚀技术。绝大多数MEMS芯片或系统可以利用这些技术与常规集成电路工艺结合制造出来。