小组成员:郑晨晨刘心纪辉强方璐刘超朱剑锋2011.05.31第二章1.MEMS的设计涉及哪些学科？简述MEMS的设计方法及特点。

答：MEMS的设计涉及到系统设计、微传感器设计、微执行器设计、接口设计和能量供给的设计。

3种设计方法：（1）从系统功能设计开始，展开到系统设计。

在进行系统设计时，将元件及功能模块作为一个黑盒子，只对其影响特性进行分析。

（2）从系统设计展开到子系统、元器件设计。

对于系统优化设计应该由系统设计转向子系统、元器件设计。

首先确定系统应该完成的功能、技术条件；其次是确定功能模块的功能要求、技术条件；最后确定元器件的技术条件。

（3）中间相遇法(Meet-in-the-Middle)。

它利用宏观模块，对于元件简化模型进行分析，只要模型能描述不同物理状态中的特性，就能够在系统中进行合理的仿真。

2.工程系统设计通常有几种方法？其主要思路是什么？试举例说明。

答：通常有五种方法：J．Kawasaki法简称KJ法。

KJ法是由底向上处理大量数据之间关系的一种假设，对于复杂问题进行分析，使用这种方法，可以使问题得到满意的解决。

它还可以应用来处理其他类型的问题，这种问题可以是个别的群体，单一的或者连续的；M.Nakayama法简称NM法。

NM法是在自然是日常生活中寻找比拟法创造和开发新技术观点，应用到不同的问题模式中。

NM法是根据人脑功能的一种假设，在Nakayama的“人脑计算机模型（HBC）”中描述。

这种方法试图解释当问题如理性思考，存在僵局，情感思考，演绎和引导等解决的时候，人类思想行为的模式；Key-Needs法，中文称为关键需要法，它是一种创造与使用者需要一致的新产品概念的工具。

这种方法用列出日常生活的需要，以及不被满足原因的描述，用于产品观点的发明。

关键需要法是实用主义，具有需要分析和概念评估技术的扩展。

为了消费者取得好感，而且不受限制，关键需要法几乎不是根据人类需要的任何理论或者寻找任何概念，而是从实际经验中得到；Kepener-Tregoe法分析问题、解决分析、位能问题分析和位置评价的4种技术结合。

它的目的在于应用标准模式一步一步处理的方法，进行工业合理化管理。

朱钟淦-捤谷城方法，是针对机械电子产品系统设计时应用，包括四个步骤：产品功能分析；为实施各模块的功能，选择可实施的方案；多种方案的综合评价，优化设计；产品芯片设计。

5,在MEMS产品中如何应用尺度效应进行设计?其根据是什么?对于一阶尺度,如表面-体积尺度变化规律是什么?通常,尺度的变化规律遵循着两个方面.第一种规律是严格依据物体的尺寸,如几何结构的尺度,物体行为可以有物理规律所决定,这种尺度规律包括刚体动力学,静电和电磁力等;第二种尺度规律考虑到系统的尺寸和材料特性.所依据的尺度效应对几何结构学,刚体动力学,静电力,力学,流体力学以及热传递中的物理量进行分析,并以量纲作为分析工具.体积和表面积是在MEMS产品设计中经常涉及的两个物理量,体积与器件的质量和重量有关,与作用在器件上的力和热惯量有关.热惯量与物体的热容有关,热容是固体加热快慢的量度,它对于热执行器的设计十分重要.另一方面表面特性与流体力学的压力,浮力有关,也与对流热传导中固体热吸收和耗散有关.8,MEMS中如何应用CAD技术?MEMS中应用CAD技术映遵循以下原则:(1)MEMS技术涉及微电子,微机械,微动力学,微流体力学,微热力学,材料学,物理学,化学和生物学等,这些作用域相互作用,共同构成了完整的MEMS并实现确定的功能,多能量域的耦合问题是MEMS的CAD最需要解决的,也是最难解决的问题.(2)MEMS的ＣＡＤ必须提供自动生成三维模型的工具,具有结构仿真器.(3)MEMS的制造过程不会改变结构的几何参数,但会影响材料的性质,而材料的性质又会影响结构的电子和机械特性.因此MEMS的CAD必须建立相应的材料特性数据库。

根据工艺流程自动将材料的特性引入到三维几何模型中。

（4）MEMS的器件不仅是复杂的三维结构，各种能量域相互耦合，计算中需要进行内部的量化，而且要考虑结构外部各种物理场，如电场，磁场，流场的耦合分析，这些计算量大且耗时。

因此要求MEMS的CAD具有快速，有效的算法作为分析计算的基础。

使用ＭＥＭＳ的CAD的过程是：通过对工艺和结构的直接描述，由结构仿真器生成三维几何模型，然后从材料数据库中提取元件的材料特性，将其引入几何模型中，生成完整的三维模型进行多能量域的分析。

第三章2、什么是外延技术？常用的外延技术有几种？他们主要的技术特点是什么？在单晶硅衬底上生长一层新薄层单晶的技术，称为外延生长。

具体方法有：（1）.四氯化硅氢还原法，这种方法是目前生产中采用的主要方法。

其优点是SiCl4易于纯化，操作安全，对其生长规律也比较了解。

但是，由于它要求高的反应温度，同时存在可逆化学反应，引起了显著的杂质扩散与自掺杂效应，因而难以控制外延层的杂质分布，也无法制造杂质分布突变的p-n结。

所以当要求薄至1~2µm的外延层，且对图形的漂移与畸变有更苛刻的要求的，此种方法就不适用了。

（2）.硅烷热分解法外延，硅烷热分解法是在较低的分解温度下，分解出硅原子淀积在衬底上。

反应中不存在对杂质起输送作用的氯离子，因而有利于克服杂质的扩散与自掺杂效应，从而能获得杂质分布可控的薄外延层与较徒的杂质分布。

此外，硅烷外延时基本上不存在图形漂移与畸变现象。

3、叙述氧化工艺的特点及二氧化硅的结构和性质。

水汽氧化生成的二氧化硅膜结构疏松，含水量多，对杂质的掩蔽能力较差，因此生成中很少单独采用水汽氧化。

干氧氧化生成的二氧化硅膜结构致密、干燥、均匀性和重复性好、掩蔽能力强、敦化效果好，二氧化硅膜表面与光刻胶接触良好，光刻时不易浮胶。

其缺点是氧化速率很慢。

湿氧氧化生长的二氧化硅膜，致密性虽略差于干氧生长的二氧化硅膜，但其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件的要求。

其缺点是二氧化硅表面有硅烷醇存在，使二氧化硅与光刻胶接触不良，光刻时容易浮胶。

结构：二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构，这种结构的基本单元是一个由Si-O原子组成的四面体。

性质：（1）二氧化硅膜具有极高的化学稳定性。

不溶于水，除氢氟酸外，其他酸与其不起作用，可以被HF所腐蚀（2）当电池强度达到一定值时，二氧化硅膜将失去其绝缘性能，称为击穿（3）在Si-SiO2界面上存在着二氧化硅层中的可动离子电荷，固定氧化物电荷，界面陷阱电荷，氧化物陷阱电荷，还存在着二氧化硅层外表面上的正负离子电荷。

4、什么是掺杂工艺、扩散工艺，其特点和方法是什么？掺杂是人为的方法，将所需杂质按要求的浓度与分布参入到材料中，以达到改变材料的电学性质，形成半导体器件的目的。

方法：热喷涂、热扩散、离子喷涂扩散现象是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移直到均匀分布的现象，速率与物质的浓度梯度成正比。

扩散是由于分子热运动而产生的质量迁移现象，主要是由于密度差引起的。

扩散工艺指的是利用扩散的原理，对各种材料进行某些目的的加工和处理的方法。

方法：在气-固扩散中包含液态源扩散、粉状源扩散、气状源扩散；固-固扩散中包含乳胶源扩散、CVD掺杂二氧化硅源扩散。

5、什么是化学气相沉淀？化学气相沉淀有几种？它们各有什么特点？化学气相沉积（CVD）是使一种或数种物质的气体以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并沉淀出所需固体薄膜的生长技术。

常用方法：（1）常压化学气相沉淀、（2）低压气相沉淀、（3）等离子体化学气相沉淀特点：（1）常用于生长掺杂与不掺杂的二氧化硅。

（2）膜厚均匀性良好、装片量大。

（3）可以降低沉淀温度。

6、氮化硅的性质、用途及其制备方法是什么？性质：对水、氧、钠、铝、镓、铟都具有极强的扩散阻挡能力，因此是一种比较理想的钝化材料。

用途：氮化硅在集成电路制造中用做钝化膜、局部氧化膜、扩散掩膜、绝缘介质膜，以及杂志或缺陷的萃取膜。

制备方法：热生长法，反应溅射法，蒸发法，CVD法等9、什么是光刻工艺？简述光刻工艺质量以及影响光刻质量的主要因素。

光刻工艺是一种图象复印同刻蚀（化学的，物理的，或两者兼而有之）相结合的综合性技术。

光刻的质量，可以由分辨率，光刻精度（包括线宽尺寸及套刻精度）以及缺陷密度（包括图形完整性，针孔，小岛等）等来衡量.影响光刻质量的主要因素是：光刻胶，曝光方式（曝光系统）及刻蚀方法等。

显影时光刻胶的膨胀是影响成象分辨率和线宽的主要原因。

显影时间影响条宽控制精度。

对于负胶，显影时间越长，光刻胶的膨胀程度越严重，条宽的变化越大，因此负胶显影应合理选择一组既能保证显影充分，又不至于使条宽变化过大的显影条件。

10、光刻工艺中使用的光刻胶有哪两大类？它们的优缺点各是什么？在光刻工艺中使用的光刻胶有两大类：一类叫负性光刻胶,其未感光部分能被适当的溶剂溶除，而感光的部分则留下，所得的图形与光刻掩模图形相反；另一类叫正性光刻胶，其感光部分能被适当的溶剂溶除而留下未感光的部分，所得的图形与光刻掩模图形相同。

采用负性光刻胶制作图形其涂层对环境因素不那么灵敏，且具有很高的感光速度，极好的粘附性和搞蚀能力，成本低，适用于工业化大生产。

目前刻蚀5m左右线条主要使用负性光刻胶。

负性光刻胶的主要缺点是分辨率较低，不适于细线条光刻。

正性光刻胶有较高的固有分辨率（1m，甚至更小），较强的抗干法腐蚀能力和抗热处理能力。

正性光刻胶利用溶质的水溶液进行显影，因而可使溶胀现象减至最小。

正性光刻胶可涂得很厚（23m）而不影响其分辨率，因此具有良好的台阶覆盖。

在3m左右线条的光刻中，负性胶已逐步被正性胶所代替。

正性光刻胶的粘附性差,抗湿法腐蚀能力差，而且成本高。

13、叙述各种干法腐蚀的特点。

干法腐蚀具有分辨率高，各向异性，腐蚀能力强，不同材料的腐蚀选择比大，腐蚀均匀性重复性好，以及易于实现连续自动操作等优点，干法腐蚀已成为超大规模集成电路制造的标准腐蚀技术。

（1）等离子体腐蚀等离子体腐蚀是依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀材料发生化学反应的一种选择性腐蚀方法。

它可以用集成电路工艺中常用的光刻胶作掩模，对抗蚀剂的粘附性没有严格要求。

与湿法腐蚀相比，它具有干燥，清洁,工艺简单，分辨率高和尺寸公差小等优点。

腐蚀后可立即在同一设备内用氧等离子体进行去胶提高了效率和加工质量。

（2）反应离子腐蚀大规模集成电路的刻蚀线宽通常小于2μm，此时采用等离子刻蚀就不能满足要求，溅射腐蚀与离子束铣削虽然具有极强的各向异性，可以刻蚀亚微米级的线条，但存在腐蚀选择性差，腐蚀速率低，晶格损伤严重以及再淀积等缺点，因而无法应用于大规模集成电路的选择性刻蚀。

采用反应离子腐蚀也称作反应溅射腐蚀,是较好的解决方法。

第四章1.MEMS制造工艺有哪两类主要技术？叙述各类技术的主要内容。