1 引言

      微机械是80年代后期发展起来的一门新兴学科，随着大规模集成电路中微细加工技术和超精密加工技术的发展，微机械近几年来发展很快，部分已进入实用和商品化阶段．微机械体积小、耗能低，能方便地进行精细操作，其主要应用领域有医疗、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、汽车领域等，它已给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响，被列为21世纪关键技术之首，因此受到世界各国政府的高度重视，例如美国每年投资800万～1500万美元、德国每年投资7000万美元进行微机械的研究，而日本则准备在10 年内投资2亿美元于微机械领域，我国也有许多单位开展了该领域的研究工作。

2 微机械及其特征

      微机械在美国被称为微电子机械系统（Micro Electro Machanical System.，简称MEMS） ；在日本被称为微机器（MicroMachnie）；在欧洲则被称为微系统（Microsystem）。

      微机械具有以下几个基本特点:

      体积小、精度高、重量轻。其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克。已经制出了直径细如发丝的齿轮、能开动的3mm大小的汽车和花生米大的飞机。最近有资料表明，科学家们已能在5平方毫米内放置1000台微型发动机。

      性能稳定、可靠性高。由于微机械的体积小，几乎不受热膨胀、噪声、挠曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下进行稳定的工作。

  
      能耗低、灵敏度和工作效率高。微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作，如5mm×5mm×0.7mm的微型泵的流速是比其体积大得多的小型泵的1000倍，而且机电一体化的微机械不存在信号延迟问题，可进行高速工作。

      多功能和智能化。微机械集传感器、执行器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功能化和智能化
适用于大批量生产、制造成本低。微机械采用和半导体制造工艺类似的方法生产，可以象超大规模集成电路芯片一样一次制成大量的完全相同的部件，制造成本大大降低，如美国的研究人员正在用该技术制造双向光纤通信所必须的微型光学调制器．通过巧妙的光刻技术制造芯片，做一块只需几美分，而过去则要化5000美元。

3 微机械加工技术

      微机械加工使用最多的材料是硅材料，其来源广泛，加工技术成熟，基片成本低，硅既有良好的机械特性，又有良好的电子性能和材料性能，十分适合微机械构件的制造。例如，硅的杨氏模量（1.9×107N/cm2）就和不锈钢、镍差不多；硅的洛氏硬度（850）约两倍于镍、铁。硅单晶的抗拉强度（6.9×105N/cm2）比不锈钢至少大三倍．利用硅材料是实现微型化及集成化的必然趋势。

       3.1 体微机械加工技术

      体微机械加工技术是对硅的衬底进行腐蚀加工的技术，即用腐蚀的方法将硅基片有选择性地除去一部分，以形成微机械结构。腐蚀分湿法腐蚀和干法腐蚀，湿法腐蚀又有各向同性和各向异性之分。各向同性腐蚀液多用HF-HNO3系溶液，硅在所有的晶向以相等的速率进行刻蚀．硅基体刻蚀形成的型腔棱是圆角，然而在微机械电子中．除了运动部件需要圆角获得良好的疲劳强度外、一般不希望有圆角。因此，此法不适合制造复杂的立体微结构，各向异性腐蚀液，主要有KOH和水的混合物；乙（撑）二胺、邻苯二酚和水的混合液（简称EPW）；HF、HNO3和醋酸的混合液（简称HNA）。它们可以使硅在不同的晶面．以不同的速率进行刻蚀．由于硅的（100）面和（111）面的腐蚀速率相差很大，其横向尺寸非常容易控制。但腐蚀深度的控制难度大，靠通过腐蚀时间来控制深度的误差很大。因此，刻蚀自停止技术应运而生。该技术使用浓硼掺杂层或电化学刻蚀停止技术能使腐蚀自动终止在特定层，可以精确控制腐蚀深度。各向同性和各向异性湿法腐蚀的特性及腐蚀速率对晶向的依赖关系。

      干法腐蚀利用等离子体取代化学腐蚀液，把基体暴露在电离的气体中，气体中的离子和基体原子间的物理和化学作用引起刻蚀，一些材料如铂、二氧化锡等用湿法刻蚀很困难、而干法却可以完成。该工艺可使微机械加工所得到的外形不受基片的晶向控制，而且不会给微结构带来大的应力，但设备比较复杂，很多参数如气体的性质和流量、基片的性质和面积、电极结构、激励的电磁参数和真空室的外形等必须控制，不同的组合会产生不同的腐蚀过程。CF4腐蚀硅的反应离子刻蚀（RIE）原理。

      等离子体由低压气体（1.33～133Pa）的辉光放电获得．基片放置在射频极上，以便在基片和等离子体之间产生大的自偏电位差（几百伏）。电位差使正离子从等离子体加速到基片上，垂直于基片的离子碰撞能直接产生腐蚀。使用SF6和C2F5Cl的混合气体、能获得较好的各向异性和较快的腐蚀速率。

     就湿法和干法比较而言，湿法的腐蚀速率快、各向异性好、成本低，但控制腐蚀厚度困难。干法的腐蚀速度慢、成本较高，但能精确控制腐蚀深度。对要求精密，刻蚀深度浅的最好用干法刻蚀工艺，对要求各向异性大、腐蚀深度很深的则最好采用湿法腐蚀工艺。

      3.2 表面微机械加工技术

  
      表面微机械加工技术是从集成电路平面工艺演变而成的，是在硅基上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工的技术薄膜形成一般采用常压化学气相淀积（CVD） ，低压化学气相淀积（LPCVD）和等离子体增强化学气相淀积。

      薄膜的加工一般采用光刻技术、通过光刻将设计好的微机械结构图形转移到硅片上，再用各种腐蚀工艺形成微结构。在微机械加工中，有时要形成各种微腔结构和微桥，通常采用牺牲层技术。表面微机械加工的关键步骤是有选择性地将抗腐蚀薄膜下面的牺牲层腐蚀掉，从而得到一个空腔结构．常用二氧化硅（SiO2）、磷硅玻璃（PSG）作为牺牲层材料。制作双固定多晶硅桥的普通表面微机械加工工艺。首先是在硅基底上淀积牺牲层材料，如淀积磷硅玻璃，其作用是为形成结构层的后续工艺提供临时支撑。牺牲层的厚度一般1～2µm，但也可以更厚些。淀积后，牺牲层材料被腐蚀成所需形状．为了向结构层提供固定点，可腐蚀出完全穿透牺牲层的窗口，以防止结构层在分离结束时移位然后淀积和 腐蚀结构材料薄膜层。多晶硅是常用的结构层材料，结构层腐蚀过后，除去牺牲层就可得到分离空腔结构。
表面微机械加工技术的主要优点是具有与常规集成电路的兼容性，器件不但可以做得很小，而且不影响器件特性；其缺点是该工艺本身属于二维平面工艺，限制了设计的灵活性，且由于采用牺牲层工艺，漂洗和干燥需要反复多次，易产生粘连现象，降低成品率。

     3.3 LIGA技术

      LIGA 是德文Lithographie, Galvanoforming, Abfovmung的缩写，是深层同步辐射X射线光刻、微电铸、微塑铸三种工艺的有机结合。它突破了传统平面工艺的限制，是制造三维微器件的先进技术，结合牺牲层工艺，可以制造大高宽比的可活动微结构．与其他微加工技术相比，LIGA技术可以加工多种金属材料，也可以加工陶瓷、玻璃、塑料等非金属材料，加工深度可达数百微米，加工宽度可小至1µm，LIGA的制造过程主要分四步：第一步，在绝缘基片（陶瓷或带二氧化硅薄膜的硅片、上溅射金属层（铬、银）作为电铸工艺的基础；第二步，在基片上溅射另一层钛作为牺牲层；第三步，采用标准LIGA工艺，X射线同步辐射制模，电镀金属（Ni）成型；第四步，在氢氟酸（HF）溶液中进行选择性刻蚀，分离出金属结构。

      LIGA技术在制作很厚的微机械结构方面有着独特的优点，是一般常规的微电子工艺无法替代的，它极大地扩大了微结构的加工能力，使得原来难以实现的微机械结构能够制造出来。但缺点是它所要求的同步辐射源比较昂贵、稀少，致使应用受到限制，难以普及。后来出现了所谓的准LIGA技术，它是用紫外光源来代替同步辐射源，虽然不具备和LIGA技术相当的厚度或宽深比，但是，它涉及的是常规的设备和加工技术，这些技术更容易实现。

     3.4 封接技术

  
     封接技术在微机械加工中也占有重要位置，封接的目的是将分开制作的微机械部件在不使用粘结剂的情况下连接在一起，封在壳中使其满足使用要求封接技术影响到整个微系统的功能和尺寸，可以说是微机械系统的关键技术。常用的封接技术有反映封接、淀积密封膜和键合技术。反应封接是将多晶硅结构与硅基通过氧化封接在一起；淀积密封膜是用化学气相淀积法在构件和衬底之间淀积密封材料；键合技术分为硅-硅直接键合和静电键合：硅-硅键合是将两个经过磨抛的平坦硅面在高温下依靠原子的力量直接键合在一起形成一个整体，静电键合主要用于硅和玻璃之间的键合，在400℃温度下，将硅和玻璃之间加上电压产生静电引力而使两者结合成一体。为了提高微系统的集成度，一些新的方法如自动焊接、倒装焊接也得到了广泛的应用。

      3.5 激光快速成型技术

     激光快速成型技术是利用光硬化性树脂的光合成树脂进行加工的技术。初始这种材料是液态的，经过激光照射即成为固体，这种技术完全用计算机控制，即使形状很复杂，也不受影响，无须掩膜，直接成型。随着激光束分辨率的提高，达到数个微米的精度也就有了可能。用这种技术可大大缩短生产研制周期，成本较低。

     3.6 分子装配技术

      80年代初发明的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）以及后来在STM基础上派生出的原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM），使观察分子、原子的结构从宏观进入了微观世界。STM和AFM具有0.01nm的分辨率，是目前世界上精度最高的表面形貌观测仪，利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子、原子，并可以按照需要拼成一定的结构，进行分子、原子装配制作微机械。这是一种纳米级微加工技术，是一种从物质的微观角度来构造微结构，制作微机械的方法．美国的IBM公司用STM操纵35个氙原子，在镍板上拼出了“IBM”三个字母；中国科学院化学研究所用原子摆成我国的地图；日本用原子拼成了“Peace”一词，有理由相信，STM将会在微细加工方面有更大的突破。

     3.7 集成制造技术

      最近，微机械出现了一个新的发展趋势，即用标准的IC工艺把各种微器件、微结构与驭动、控制和信号处理电路集成在一块芯片上，制成完整的机电一体的微机械系统。目前实现标准的IC工艺与MEMS集成的方法有三种：第一种是先进行IC工艺，再进行MEMS微机械加工的单片集成工艺；第二种先进行MEMS微机械加工再进行标准IC工艺的单片集成工艺；第三种是电路和MEMS分别制作在不同的衬底上然后再键合在一起的混合集成工艺，整个系统的尺寸可小至几百微米。

      3.8 其他加工技术

  
     微机械加工除了以上介绍的基本技术外，还广泛使用传统大规模集成电路工艺技术中的氧化、扩散、外延、注入、光刻等工艺，也使用许多其他的非半导体行业应用的技术，例如激光束、离子束和电子束加工、放电加工、微细雕刻、精密切削、超声波加工等。这些技术具有自身的特点，在微机械中，仍然有若一定的潜力，是基本技术的补充。利用这些技术可以获得一些微构件，在一些情况下也是很有效的。

4 微机械制造技术的发展趋势

      近十几年来，微机械电子系统得以迅猛发展，一些令人注目的微系统引起人们的广泛关注，各种微型元件被开发出来并显示出现实和潜在的价值，微机械制造技术被认为是微机械发展关键技术之一从目前来看，总的发展趋势是：
加工方法从最初单一加工技术向组合加工技术发展。如近来出现的新的微结构制造技术——DEEMO就是干法腐蚀、电镀和铸模的组合。光刻技术也从平面发展到了三维。 

      从开始简单的平面硅微加工向着三维体、具有自由曲面的复杂结构发展。

  
      加工的材料，从单纯的硅向着各种不同类型的材料发展，如玻璃、陶瓷、树脂、金属及一些有机物，大大扩展了微机械的应用范围，满足了更多的要求。 

      加工规模从单件向批量生产发展，LIGA工艺的出现是微机械进行批量生产的范例，因而引起人们的高度关注。
加工方式从最初的手工操作向自动化、智能化发展。例如，日本微机械研究中心（MMC）正在研制一种微机械制造设备，它可以完成从设计参数的输入、加工到部件制造及组装封装。 

      寻找成本、时间、批量生产的协调并得到最优的制造工艺。 

      加紧微机理的研究，建立微观世界的数学模型、力学模型和分析方法，奠定微机械的基础理论，这对微机械的设计、制造加工工艺的制定有很大的实际应用意义。

5 结束语

      由上述可知，微机械及其制造技术的特点是：多学科交叉、多种加工技术的应用、新原理和新设计的探索，是一个非常活跃的新兴的技术领域，已成为人们关注的中心．它有可能象微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样，导致人类认识和改造世界的能力有重大突破。