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前言
1986年，一個提交到DARPA的提案中首次引入了微機電系統(tǒng)（MEMS）。納米級融合系統(tǒng)成為納米機電系統(tǒng)（NEMS），MEMS在日本也被稱為微機械（micromachine），在歐洲也被稱為微系統(tǒng)技術(shù)（microsystem technology , MST）。
1986 年提交給 DARPA 的提案首次引入了微機電系統(tǒng)一詞。
MEMS由尺寸介于1到100微米（即0.001至0.1毫米）之間的組件組成，并且MEMS器件的尺寸范圍通常為20微米至毫米（即0.02至1.0毫米）。通常由一個處理數(shù)據(jù)的中央單元（集成電路芯片）和幾個與周圍環(huán)境交互的微型傳感器組件構(gòu)成。由于MEMS的表面積與體積之比較大，因此與體積較大的機械設(shè)備相比，環(huán)境電磁力（例如：靜電荷和磁矩）產(chǎn)生的力以及流體動力學(xué)（例如：表面張力和粘度）是需要著重考慮的設(shè)計因素。
理查德·費曼（RichardFeynman）1959年著名的演講《Theres Plenty ofRoom at the Bottom》就預(yù)言了小型機器（very small machine）的潛在技術(shù)?？梢允褂冒雽?dǎo)體器件制造技術(shù)來制造MEMS：包括模制（molding）和電鍍（plating），濕蝕刻（KOH，TMAH）和干蝕刻（RIE和DRIE），放電加工（electrical discharge machining, EDM）以及其他能夠制造小型器件的技術(shù)。
圖上是掃描電鏡顯示的一個微型的懸臂梁。
01
MEMS的歷史
MEMS技術(shù)起源于硅革命，其歷史可追溯到1959年的兩項重要硅發(fā)明：（1）Fairchild Semiconductor的Robert Noyce開發(fā)的單片集成電路（IC）芯片和（2）MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)）晶體管（或MOS晶體管），由貝爾實驗室的Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng設(shè)計。IC芯片上MOSFET的小型化，推動了電子產(chǎn)品的微型化（摩爾定律和Dennard scaling所預(yù)測的）。工程師們開始意識到硅芯片和MOSFET可以與周圍環(huán)境進行交互，諸如：化學(xué)物質(zhì)、運動和光信息之類的事物。最早的硅壓力傳感器（pressure sensor）之一是由Honeywell在1962年實現(xiàn)的。
比較早的MEMS器件是由Harvey C. Nathanson于1965年開發(fā)的諧振門晶體管（resonant-gate transistor），MOSFET的改型。另一個早期的例子是諧振器（resonator），這是由雷蒙德·威爾芬格（Raymond J. Wilfinger）在1966年至1971年之間申請專利的機電單片諧振器。在1970年代至1980年代初期，開發(fā)了許多用于測量物理，化學(xué)，生物學(xué)和環(huán)境參數(shù)的MOSFET微傳感器。
02
MEMS的類型
MEMS開關(guān)技術(shù)有兩種基本類型：電容性（capacitive）和歐姆性（ohmic）。電容式MEMS開關(guān)是使用移動板或感應(yīng)元件開發(fā)的，它可以改變電容。歐姆開關(guān)由靜電控制的懸臂控制。歐姆MEMS開關(guān)可能會由于MEMS執(zhí)行器（懸臂）的金屬疲勞和接觸磨損而失效，因為懸臂會隨著時間而變形。
02
MEMS制造材料
MEMS的制造是從半導(dǎo)體器件制造中的工藝技術(shù)發(fā)展而來的，即基本技術(shù)是材料層的沉積，通過光刻（photolithography）和蝕刻（etching）以形成所需形狀的圖案。
1
硅材料（Silicon）
消費電子產(chǎn)品中大多數(shù)集成電路在使用硅（silicone）材料。MEMS的應(yīng)用借助了已經(jīng)規(guī)?；⒘畠r的高質(zhì)量材料，合并了硅基電子產(chǎn)品的功能，發(fā)展比較迅速。另外，硅還有單晶形式，硅是一種幾乎完美的胡克材料（Hookean material），這意味著當(dāng)它彎曲時，幾乎沒有滯后，因此幾乎沒有能量耗散。除了實現(xiàn)高度可重復(fù)的運動外，這還使硅非?？煽浚驗楣鑾缀醪黄?，使用壽命可達(dá)數(shù)十億至數(shù)萬億次，而不會破裂。特別是在微電子學(xué)和MEMS領(lǐng)域，基于硅的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)越來越重要。通過硅的熱氧化制造（thermaloxidation of silicon）的硅納米線在電化學(xué)（electrochemical ）轉(zhuǎn)化和存儲方面，包括納米線電池和光伏系統(tǒng)中，引起了人們的進一步關(guān)注。
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聚合物材料（Polymers）
即使電子工業(yè)為硅工業(yè)提供了規(guī)模經(jīng)濟，但結(jié)晶硅仍然是一種復(fù)雜且生產(chǎn)相對昂貴的材料。另一方面，可以大量生產(chǎn)具有多種材料特性的聚合物。MEMS裝置可以由聚合物通過諸如注射成型（injection molding），壓紋（embossing）或立體平版印刷術(shù)(stereolithography的方法制成，并且特別適合于微流體應(yīng)用，例如一次性血液測試盒(disposable blood testing cartridges)。
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金屬材質(zhì)（Metals）
金屬也可以用于制造MEMS元件。盡管金屬在機械性能方面不具備硅所顯示的某些優(yōu)勢，但在其限制范圍內(nèi)使用時，金屬可以表現(xiàn)出很高的可靠性（high degrees of reliability）。金屬可以通過電鍍（electroplating）、蒸發(fā)（evaporation）和濺射工藝（sputtering processes）沉積。常用的金屬包括金（gold）、鎳（nickel）、鋁（aluminium）、銅（copper）、鉻（chromium）、鈦（titanium）、鎢（tungsten）、鉑（platinum）和銀（silver）。
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陶瓷材料（Ceramics）
接地板上方的X形TiN光束的電子顯微鏡照片（高度差2.5 μm）。由于梁夾在中間，當(dāng)光束向下彎曲時，復(fù)位力會增大。右圖顯示了剪輯的放大倍數(shù)。
利用材料特性進行有利組合，硅、鋁和鈦的氮化物（nitrides）以及碳化硅（siliconcarbide）和其他陶瓷越來越多地應(yīng)用于MEMS制造中。
氮化鋁（AlN）在纖鋅礦結(jié)構(gòu)（wurtzite structure）中結(jié)晶，因此表現(xiàn)出熱電和壓電特性，例如使傳感器對法向力和剪切力敏感。
另一方面，TiN表現(xiàn)出高電導(dǎo)率和大彈性模量，從而有可能用超薄光束實現(xiàn)靜電MEMS激勵方案。此外，TiN對生物腐蝕的高抵抗力使該材料有資格在生物環(huán)境中使用。該圖顯示了MEMS生物傳感器的電子顯微鏡照片，該MEMS生物傳感器在TiN接地板上方具有50 nm薄的可彎曲TiN束。
兩者都可以作為電容器的相對電極驅(qū)動，因為電子束固定在電絕緣的側(cè)壁上。當(dāng)流體懸浮在空腔中時，其粘度可能來自通過電吸引至接地板而彎曲梁并測量彎曲速度而得出。
03
MEMS基本工藝
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沉積工藝（Deposition processes）
進行MEMS制造的最基本需求是能夠沉積1到100微米之間的材料薄膜。NEMS的制造過程是基本一致的，膜沉積的測量范圍從幾納米到一微米。沉積方法有兩種：物理沉積（PVD）和化學(xué)沉積（CVD）。
物理沉積- Physical deposition
物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition, PVD）是將材料從靶材（target）上去除（remove）并沉積在基材（substrate）表面上的過程。能做到這一點的技術(shù)包括濺射過程(sputtering)，在該過程中，離子束將原子從靶標(biāo)中釋放出來，使它們移動通過一定的距離空間并沉積在所需的基材上；之后進行蒸發(fā)（evaporation）。在蒸發(fā)過程中，可以使用熱蒸發(fā)方法（thermal evaporation）或電子束蒸發(fā)方法(e-beam evaporation)從靶標(biāo)中蒸發(fā)掉材料。
和化學(xué)氣相沉積相比，物理氣相沉積適用范圍廣泛，幾乎所有材料的薄膜都可以用物理氣相沉積來制備，但是薄膜厚度的均勻性是物理氣相沉積中的一個問題。
化學(xué)沉積 - Chemical deposition
化學(xué)沉積技術(shù)（CVD）的源氣流（stream of source）在基板上反應(yīng)以生長所需的材料。可以根據(jù)技術(shù)的細(xì)節(jié)將其進一步分為幾類，例如低壓化學(xué)氣相沉積（low-pressure chemical vapor deposition，LPCVD）和等離子體增強化學(xué)氣相沉積（plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD）。
典型的CVD工藝是將晶圓（基底）暴露在一種或多種不同的前趨物下，在基底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或/及化學(xué)分解來產(chǎn)生欲沉積的薄膜。反應(yīng)過程中通常也會伴隨地產(chǎn)生不同的副產(chǎn)品，但大多會隨著氣流被帶走，而不會留在反應(yīng)腔（reaction chamber）中。CVD技術(shù)來沉積的材料范圍也非常廣泛，包括單晶、多晶、非晶及外延材料：硅、碳纖維、碳納米纖維、納米線、納米碳管、SiO2、硅鍺、鎢、硅碳、氮化硅、氮氧化硅及各種不同的high-k介質(zhì)等材料。CVD也用來生成合成鉆石。
氧化膜（oxide films）也可以通過熱氧化(thermaloxidation)技術(shù)來生長，可以從將硅晶片暴露于氧氣或蒸汽中，以生長二氧化硅（silicon dioxide）的薄表面層。
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圖形化（Patterning）
MEMS的結(jié)構(gòu)看起來不復(fù)雜，但是尺寸足夠小，制造工藝就比較麻煩，需要把設(shè)計好的MEMS圖案轉(zhuǎn)化到基材中。這個轉(zhuǎn)化過程包含了很多技術(shù)，比如：光刻（lithography）、電子束刻蝕（Electron beam lithography）、聚焦離子束光刻技術(shù)（Ion beam lithography）等等。這幾期內(nèi)容簡單介紹一下這些技術(shù)，和大家共同學(xué)習(xí)。
光刻技術(shù) - Lithography
光刻技術(shù)就是一種圖案化過程（patterning），和芯片制造中說的光刻技術(shù)是一致的。該過程是將圖案從光掩模版（photomask）轉(zhuǎn)移至基板。通過配備了光學(xué)光源的步進器（steppers）和掃描儀（scanner）來完成的。光刻的其他形式包括直寫電子束（direct-write e-beam）和納米壓?。╪anoimprint）。未來光刻（NGL）技術(shù)還在不斷的迭代升級，例如：極紫外（extreme ultraviolet）、多束電子束（multi-beam e-beam）和定向自組裝（directed self-assembly）。
使用光刻技術(shù)制造MEMS思路很簡單，選擇性地將光敏材料暴露于光照條件下，掩蔽一些區(qū)域輻射造成不同的結(jié)構(gòu)，暴露和未暴露區(qū)域的性質(zhì)不同。實現(xiàn)設(shè)計圖案轉(zhuǎn)移。光刻通常與金屬（或其他薄膜）沉積、濕法刻蝕和干法蝕刻同時進行。
光刻技術(shù)可以不需要任何蝕刻的后處理，直接創(chuàng)建結(jié)構(gòu)。例子：基于SU-8的透鏡，其中產(chǎn)生了基于SU8的正方形塊。然后，將光致抗蝕劑熔化以形成充當(dāng)透鏡的半球形。
電子束光刻- Electron beam lithography
電子束光刻（e-beam lithography）是一種在形成膜的表面，選擇性地去除已曝光或未曝光區(qū)域（developing）。與光刻（鏈接）一樣，其目的是在抗蝕劑中形成微小的結(jié)構(gòu)，隨后可以通過蝕刻（etching）將其轉(zhuǎn)移到襯底材料上。它是為制造集成電路而開發(fā)的，還用于創(chuàng)建納米技術(shù)體系結(jié)構(gòu)（nanotechnology architectures）。
電子束光刻的主要優(yōu)點是克服了光的衍射極限（diffraction limit of light）并在納米范圍內(nèi)形成特征的方法。這種無掩模光刻技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于光刻中的光掩模制造、半導(dǎo)體組件的小批量生產(chǎn)以及研發(fā)中。
電子束光刻的關(guān)鍵限制是生產(chǎn)量（throughput），即暴露整個硅晶片或玻璃基板所花費的時間一般比較長。長時間的曝光過程中，易受到光束漂移（beam drift）或不穩(wěn)定的影響。
這張顯微照片顯示了由絕緣層（圖中透明）分隔的圖案化金屬電極，絕緣層用于控制半導(dǎo)體量子器件中的電子數(shù)量。它是可以用電子束光刻系統(tǒng)蝕刻的納米結(jié)構(gòu)類型的一個例子。
