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微电子技术的发展
主要内容
微电子技术概述； 微电子发展历史及特点； 微电子前沿技术； 微电子技术在军事中的应用。
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工艺流程图
厚膜、深刻蚀、次数少 多次重复
去 除
刻 刻蚀
牺 牲 层 ， 释 放 结 构
多
工艺
工工艺
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工
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微电子技术概述
微电子技术是随着集成电路，尤其是超大规模集成电路而 发展起来的一门新的技术。微电子技术包括系统电路设计、 器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组 装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中的各项 工艺技术的总和； 微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、 高性能、高可靠性是微电子学发展的方向； 衡量微电子技术进步的标志要在三个方面：一是缩小芯片 中器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度；二是增加芯 片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模；三是开拓 有针对性的设计应用。
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微电子技术的发展历史
1947年晶体管的发明；到1958年前后已研究成功 以这种组件为基础的混合组件； 1962年生产出晶体管——晶体管逻辑电路和发射 极耦合逻辑电路； 由于MOS电路在高度集成和功耗方面的优点，70 年代，微电子技术进入了MOS电路时代； 随着集成密度日益提高，集成电路正向集成系统 发展，电路的设计也日益复杂、费时和昂贵。实 际上如果没有计算机的辅助，较复杂的大规模集 成电路的设计是不可能的。
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微电子技术的发展特点
超高速： 从1958年TI研制出第一个集成电路触发器算起， 到2003年Intel推出的奔腾4处理器（包含5500 万个晶体管）和512Mb DRAM（包含超过5亿个 晶体管），集成电路年平均增长率达到45％； 辐射面广： 集成电路的快速发展，极大的影响了社会的方 方面面，因此微电子产业被列为支柱产业。
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摩尔定律
1965年，美国硅谷仙童半导体公司的戈登.摩尔，研 究了1959到1965年半导体工业发展的数据，发现： 如果将能够集成在一块芯片上的晶体管数量画在一个 半对数坐标上，可以得到一条直线； 归纳出：集成电路上可容纳的晶体管数量，大约每隔 18～24个月就会翻一番； 此后半导体工业的发展也进一步地证实了这
一结论： 1969年Intel 4位微处理器4004有2300只晶体管， 时钟频率104KHz。 1998年Intel推出的奔腾II，32位的处理器，有750 万只晶体管，CPU 时钟450MHz，集成度提高了 260倍，而时钟频率提高了4326倍。
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微电子前沿技术
微电子制造工艺，包括元器件的生产、测试和 封装等； 微电子材料的研究； 超大规模集成电路/混合信号/射频集成电路设 计技术； MEMS技术等。
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微电子制造工艺
微加工技术（Microfabrication）是制造MEMS的 主要手段。微加工技术包括IC制造技术（如光刻、 薄膜淀积、注入扩散、干法和湿法刻蚀等）、微 机械加工技术（Micromachining）（如牺牲层技术、 各向异性刻蚀、反应离子深刻蚀（DRIE）、 LIGA、双面光刻、键合，以及软光刻技术等）和 特殊微加工技术。目前微电子制造的主要方法也 是“自上而下”的微型化过程，即采用光刻和刻 蚀等微加工方法，将大的材料制造为小的结构和 器件，并与电路集成，实现系统微型化。
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光刻工艺示意图
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光刻工艺面临的技术问题
由于工艺尺寸的减小，必须使用波长更短的光 源，实现越来越困难，从早期的水银灯直到现 在使用的远紫外线，甚至研发中的粒子束； 导致光刻设备以及掩模成本急剧上升； 光刻时小尺寸图形所产生的干涉和衍射效应使 得光刻图案失真越来越严重，严重影响制造出 的电路的性能以及一致性； 必须加以矫正，甚至在设计阶段就必须考虑这 一影响，加大了投入。
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氧化/扩散示意图
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等离子刻蚀示意图
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离子注入示意图
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MEMS的典型工艺过程 的典型工艺过程
淀积牺牲层
PECVD SiO2 2μm 光刻牺牲层
(a)
刻蚀牺牲层(RIE) 刻蚀牺牲层
(b)
淀积结构层
LPCVD poly-Si 1 μm
(c)
MEMS的典型工艺过程 的典型工艺过程
光刻结构层
(d)
刻蚀结构层(RIE) 刻蚀结构层(RIE)
(e)
去除牺牲层， 去除牺牲层，释放结构层
HF
(f)
半导体材料
元素半导体：锗、硅、硒、硼、碲、锑等； 化合物半导体：砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、 硫化镉及镓砷硅等； 有机半导体：萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族 化合物等； 无定形半导体：氧化
物玻璃和非氧化物玻璃两种。
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晶体半导体材料的制备
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元素半导体
元素半导体是指由单一元素晶体组成的衬底材 料； 如锗、硅、硒、硼、碲、锑等； 硅是当前使用最广泛、工艺最成熟的半导体材 料； 硅材料的禁带宽度、载流子漂移率等指标适中， 制备成本低； 在电路指标要求较高的场合，硅材料有其缺陷。
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化合物半导体
由化合物组成的半导体材料； 种类繁多、特性各异； 如：砷化镓主要用来制作高频电路和器件； 碳化硅主要用于制作大功率、耐高温和特种环 境下工作的器件； 存在制作成本高昂，工艺稳定性和兼容性，设 计环境缺乏等问题； 对其研究和认识程度不如硅材料。
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有机半导体和无定形半导体
有机半导体主要用于发光器件和生物芯片；
无定形半导体主要用于生物芯片；
这两种半导体材料是近年来的研究热点。
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集成电路设计
集成电路设计面临主要问题可以分为以下三个 方面： 超大规模集成电路设计； 高精度模拟、混合信号集成电路设计； 射频集成电路设计。 目的是设计出速度更快、功耗更低、面积更小、 功能更多的芯片。
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超大规模集成电路设计
超大规模集成电路设计主要难点在于如何在最 短的时间内完成千万门级电路的设计任务，并 进行有效的验证； 主要的技术问题如下： 自动布局、布线算法； 行之有效的验证方法； 日益严格的功耗要求； 面积和成本的考虑等。
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混合信号集成电路设计技术
混合信号即数字信号和模拟信号的统称； 将处理上述两种信号的电路集成在同一个芯片 中必须解决相互的干扰问题，尤其是数字信号 对于模拟信号的干扰； 如果此类芯片能够完成以前一个电子系统才能 完成的任务，又可以将其称为SOC（片上系 统）。此时，模数、软硬协同验证问题就必须 加以解决。
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射频集成电路设计技术
射频集成电路是近几年研究的热点，过去使用 AsGa等宽禁带材料实现； 近几年随着硅工艺的改进，越来越多的设计者 使用硅材料设计射频集成电路； 因此，对于射频集成电路，芯片测试、多芯片 封装、不同制造工艺的融合等都成为比较棘手 的问题。
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设计方法学的变迁
随着微电子技术的发展 ，集成电路设计方法学也 发生了变迁； 从纯手工设计到自动综 合、布局布线； 从“自底向上”的设计 方式发展到“自顶向下” 的设计方式，直至“中间 相遇”的设计方式； 从单纯的仿真验证到多 种验证方式相结合； 从单一平台到数模、软 硬协同等。
宏单元
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SOC
SOC（System On Chip）是一类复杂芯片， 其功能涵盖一个电子系统全部的功能； 上图是一个软件无线电的示意图，包含射频、 ADC以及软件控制的数字部分。
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FPGA
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MEMS技术
MEMS (Microelectromechancial Systems) :微电子机械系统 也称 微系统或微机械,是利用集成电路制造 技术和微加工技术把微结构、微传感器、 微执行器、控制处理电路，甚至接口、通 讯和电源等制造在一块或多块芯片上的微 型集成系统。 MEMS的出现使芯片远远超越了以处理电 信号为目的的集成电路，其功能拓展到机、 光、热、电、化学、生物等领域。
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MEMS的定义
MEMS是尺寸在微米到毫米量级的集成系统； 典型MEMS包括微机械结构、传感器、执行器和控制电 路，可以实现测量、信息处理和执行功能。
光 声
模 拟 传 感 字 器 号 转 换 理 处 信 号 数 信 － 字 数
数 字 － 模 拟 信 号 转 换 器 行 执
机械能 电 能
电 机械
光/电
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电 典型微系统的功能组成
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MEMS的特点
MEMS的一般特点
尺寸结构微小：微米到毫米 多能量域系统：力、热、电、光、生、化无所不包 基于但不限于集成电路技术和微加工技术制造 不完全是宏观对象的按比例缩小 宏观物理学规律仍旧成立，但是控制因素发生了变化
MEMS的衍生特点
可以大批量生产 成本低、功耗小 多样性、复杂性、难度大
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MEMS的分类
信息领域
光开关及其阵列、RF MEMS开关、数字微镜器件 （DMD）、MEMS可调电容、电感等
传感器领域
压力、流量、温度、湿度、气体传感器 微加速度计、微机械陀螺
生物领域
生物芯片、微型流体通道分析系统、毛细管电泳、芯片 实验室（LOC）
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集成电路的老化、测试技术
由于制造工艺的偏差和变化，制造出来的产品 会偏离设计指标，因此必须对批量产品进行测 试； 同时为了减小芯片在正常使用过程中的失效概 率，还需对芯片
进行老化工艺； 由于芯片的功能和复杂程度日益提高，测试和 老化的难度也在提高； 例如，对于一个CPU来说，进行一次完整的老 化、测试流程可能耗时数月之久，花费数百万 美元。
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微电子技术在军事领域中的应用
微电子技术的发展及应用，不仅提升了军事装备和作 战平台的性能，而且导致了新式武器以及新兵种的产 生。微电子技术的出现改变了传统战争的模式，即从 面对面的战斗演变成当今及未来的超视距作战； 战争发展的需求和军事系统的发展，促使军事电子产 品向着小型化、轻量化和智能化的方向发展，并对微 电子技术提出了高性能、高集成度、高可靠等越来越 高的技术要求；
军用集成电路将在进一步缩小线宽、增大集成度 的基础上，寻求在改进集成技术、采用新型材料 、研制新概念器件上的突破。
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微电子技术对武器系统的影响（一）
集成电路的运用，使武器系统从信息能力方面使 武器装备性能发生了革命性的变化。 美国F-15战斗机的AN/APG-63雷达在信号处理器 采用了超大规模集成电路以后，信号处理速度提 高了几倍； “战斧”巡航导弹、“ 爱国者”防空导弹、“铺 路石”激光制导炸弹的制导系统小型化，都是在 使用超大规模集成电路后才得以实现。
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微电子技术对武器系统的影响（二）
微电子技术的使用，使武器系统的体积、 重量和功耗大大减小，可靠性大大提高；
美国F－111飞机采用超高速集成电路后，平 均故障间隔时间从原来的40h提高到5000h左 右，元件数从224个下降到60个，爱国者导弹 在采用超高速集成电路后电子模块从200 个下 降至13 个。
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微电子技术在军事领域的应用
由于军事通信、雷达、导航、电子战、火力控 制等系统对微电子器件的性能、尺寸和可靠性 有很高的要求，特别是高速度、低噪声、低功 耗、小体积、耐高温、抗辐射等高技术需求, 导致材料、器件结构、电路设计、封装等微电 子综合技术的迅速发展。
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微电子技术在军事领域的应用
军事电子系统对微电子技术的需求主要有：高密 度、高速度、低功耗、高频、大功率、宽工作温 度范围、抗辐射和高可靠等性能； 根据先进国家的关键军事技术清单，需求的重点 微电子产品主要有：硅基集成电路、数据转换器 集成电路(A/D、D/A 转换器)、专用集成电路 (ASIC)、现场可编程集成电路、存储
器集成电路 、微处理器集成电路、系统级芯片集成电路、智 能集成电路、化合物半导体集成电路、纳米电子 集成电路、分子电子学集成电路及抗恶劣环境集 成电路。
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微悬臂梁
微悬臂梁的特点
无标记检测 特异性 高灵敏度（可达1X10-8g） 高通量（阵列化）
一个通用的检测平台
微悬臂梁的制作
硅，浓硼注入1019，KOH腐蚀自停止
微悬臂梁的制作
硅，浓硼注入1019，KOH腐蚀自停止
爆炸物检测
利用燃爆温度不同，检测爆炸物 的属性。 检测TNT的灵敏度可达70X10-12g
光敏二极管阵列
光引入的噪声小，可测变形量1? 需要透明介质且对准要求高
典型的探测器系统
位移传感器
叉指电容上下移动，利用衍射光斑的变化测位移改变量
热机械检测
硬盘的数据读取 加电烧坑，加电复原 多次加电，聚合物膜将变形
流量检测
加速度传感器
加速度传感器广泛应用于 汽车领域的安全气囊、悬挂系统、车身稳定控制系统； 军事领域的导弹制导、引信、卫星姿控导航； 消费电子领域的照摄像机稳定装置、洗衣机振动测量、 玩具； 计算机及无线通信领域的虚拟现实、硬盘保护、笔记本电 脑防盗； 工业领域的机器人测控、机床振动测量、电梯控制； 医学领域的心脏起博器、运动与睡眠状态监视； 环境能源领域的地震预警、石油勘探。 ，
加速度传感器
(a)
(b)
IC 部分 NPN NMOS
(c)
传感器部分 保护层 传感器多晶硅结构
(d)
(e)
Analog Devices 公司（ADI）制造的单片双轴微加速度传感器ADXL202
加速度传感器
梳状叉指电容：静电驱动，电容检测，谐振工作， 梳状叉指电容：静电驱动，电容检测，谐振工作，应用广泛
加速度传感器
梳状叉指电容
牺牲层淀积和光刻
2 μm LPCVD PSG, 1000°C致密和回流 PSG, 致密和回流 1h 湿法刻蚀下凹点 (dimples )
RIE 结构层支撑锚点 多晶硅结构层淀积、 多晶硅结构层淀积、掺杂和退火
2 μm LPCVD poly (undoped), 610°C 0.3 μm PSG on top (for doping purpose) 1050°C对称扩散 小时 对称扩散1小时 对称扩散 小时，N2保护
加速度传感器
梳状叉指电容
去除顶部PSG 去除顶部
光刻和RIE刻蚀结构层多晶硅 光刻和RIE刻蚀结构层多晶硅 RIE
释放
HF刻蚀 刻蚀PSG 刻蚀 水浸润 干法释放， 干法释放，避免粘连
室温红外探测器
红外传感器是黑暗环境下成像的主要手段。 在军事领域，非制冷红外探测技术已经广泛应用到了红外监 视、警戒、探测、侦查、跟踪和瞄准的各个领域，尤其是在导
弹红外寻的器、单兵武器红外枪瞄、便携式导弹瞄准具、单兵 红外夜视仪等方面国内外已经形成了批产。在头盔夜视仪、监 视员视觉增强器和大型军用光电系统中的应用已经全面展开。 21世纪初，非制冷红外热成像技术还被应用到无人侦察机 （UAV）和微型航空器（MAV）照相，或者应用到侦查探测的 一次性传感器上。 由于非制冷的独特技术优势，并且随着非制冷红外热成像技 术的不断进步，目前应用高灵敏度制冷型红外热成像技术的军 用光电将逐渐被非制冷技术取代。
室温红外探测器
利用红外成像技术拍摄到的图像
室温红外探测器
红外辐射
红外吸收层 热敏电阻
空腔
热绝缘结构 基底
红外探测器结构示意图
探测器主要由红外吸收层、热敏电阻、热绝缘结构、支撑基 底四部分组成。 工作原理：“吸收红外辐射→敏感区域温度变化→电阻值变 化”。
室温红外探测器
RF MEMS开关 开关
应用前景：
军用领域：以RF MEMS开关技术为基础，可研制RF MEMS 移相器、智能天线、T/R模块，是实现上万单元相控阵天线 的关键技术，对雷达预警、战术战略侦察，卫星组网和制导 等军事领域均有重要意义 民用领域：由于开关的低功耗、集成化的独特优点，将在手 机等移动通信设备上得到广泛应用。
RF MEMS开关 开关
应用举例：
开关在无线通讯中的应用：因其插入损耗小、隔离度高、功耗低、体积小 等特点，正符合未来通信系统向微型化发展的需求。
RF MEMS开关 开关
应用举例：
开关在移相器中的应用：在CPW传输线上周期性加载高Q值 的并联开关，在中心信号线和桥之间加电压后，将改变CPW 传输线的负载电容，从而改变传输线的特性阻抗和传输系数 来实现相移。相控阵天线每个单元都有移相器，在计算机控 制下，改变天线孔径上的相位分布，来实现波束在空间扫描 ，即电子扫描
相位扫描阵列示意图
RF MEMS开关 开关
应用举例：
开关在天线中的应用：在网格每一臂上都嵌入了一个开关， 通过控制开关的通断来实现信号沿不同路径传播，实现多频 段、多极化的功能。
RF MEMS开关 开关
工作原理
RF MEMS开关 开关
开关的制造
RF MEMS开关 开关
RF MEMS开关流水后的照片
MEMS在武器装备中的应用
武器装备中的应用
用于武器制导和个人导航的惯性导航组合 单兵携带、战场实时监测、毒气以及细菌检测和救护等 武器安全、保险、引信和无人值守分布式传感器 炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、侵彻点控制 推进和燃烧控制系统、飞机分布式空气动力
学控制 超小型、超低功率无线通讯信号处理、小型分析仪器 高密度、低功耗的大量数据存储器件 敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件
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MEMS在军事航空航天应用小结
基于MEMS技术的微/纳卫星
目前已发射的基于MEMS 技术的微/ 纳卫星主要有：
俄罗斯航天研究院SPU TNIK22 美国Aeroastro 的Bitsy , 亚利桑那大学的AUSat , 斯坦福大学的 SQUIRT22 和PicoSat , 英国Surrey 大学的SNAP21 墨西哥Anahuac 大学的AniSat 2000 年2 月,美国DARPA 和Aero2 space 公司成功地发射了世界上第 一颗皮型卫星, 重量仅245 g, 主要是试验MEMS RF 技术。
MEMS 卫星的组网与“虚拟卫星”是卫星技术发展的重要 方向,是目前世界MEMS 卫星的研究热点。
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MEMS在军事航空航天应用小结
微型飞行器
微型飞行器( Micro Aerial Vehicle , MAV) 因尺寸小( 5 km) 和飞行时间长( > 15 min) ,能够自主飞行,并能以可接受 的成本执行某一特定任务,被认为是 未来战场上的重要侦察和攻击武器; 具有价格低廉、便于携带、操作简 单、安全性好等优点。
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MEMS在军事航空航天应用小结
微型飞行器
目前,微型飞行器的研究主要集中在美、日、德等发达国家 美国MLB 公司研制出翼展为45 cm 的微型飞行器Bat , 该机飞行 时间20 min , 飞行速度约为64 km/ h , 飞行高度457 m ； 美国Aero Vir2 onment 公司研制出名为“黑寡妇”(Black Widow) 的直径15 cm 的圆盘状微型飞行器,飞行时间22 min , 飞行距离16 km ; 美国Intelligent Auto mation 公司制作了长15 cm 、重90 g 的微型 飞行器,它装备有自动制导系统,该飞行器能以约70～150 km/ h 速度飞行,飞时间约20 min ; 美国M IT 的林肯实验室正在开发的微型飞行器重57 g , 长、宽 均小于15 cm, 飞行速度约32～48 km/h, 可控半径5 km, 飞行时间 1 h, 具有摄像能力； 1995 年,日本东北大学利用MEMS 技术,制造出一个靠磁力矩驱 动的飞行装置,该装置宽30 mm, 长20 mm, 重5.3 mg 。
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MEMS在军事航空航天应用小结
空间和军用微型机器人
美国五角大楼认为,军用微型机器人的发展将有可能改变 下一世纪的战场。 目前,开发的微型机器人有三大类:
固定型,外观像石头、树木、花草, 装有各种微型传感器,可以探测 出人体的红外辐射、行走时的地面振动、金属物体移动造成的磁 场变化等,信号传送到中央指挥部,指挥部可控制防御区内的武器 自动发起攻击; 机动式的微型机器人,它们装备有太阳能电池板和计
算机,可以按 照预定程序机动到敌人阵地与敌人同归于尽; 生物型,研究将微型传感器安装到动物或昆虫身上,构成微型生物 机器人,使其进入人类无法到达的地方,执行战斗或侦察任务。
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MEMS在军事航空航天应用小结
空间和军用微型机器人
鉴于微型机器人巨大的技术潜力和应用前景, 美国国家航 空航天局喷气推进实验室(NASA/ J PL) 和DARPA 合作, 从1996 年起,陆续制定出一系列计划,进行空间和军用微 型机器人的研究开发, 如火星漫游微型机器人 Sojourner ,1997 年7 月在火星着陆,长60 cm, 高和宽分别 为30 cm, 自重约11 kg, 装有摄像机和多种传感器等。
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拍翼式微型飞行器
蜂鸟 蜜蜂 蜻蜓
其它微型飞行器
拍翼式微型飞行器
8字翼，有弹性，翅根与翅尖攻角不一样 变攻角，提高升力
拍翼式微型飞行器
飞行时间：20分钟 重量：11.5g 能量：PLiON电池 ，135mAh 翼展27cm
使用仿生机器进行星际勘探
主动式人身看护系统
具备飞行能力 变焦视野 轻质小型化 能感测危险 能自主控制 能传递讯息
玩具
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微电子技术概述
微电子技术是随着集成电路，尤其是超大规模集成电路而 发展起来的一门新的技术。微电子技术包括系统电路设计、 器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组 装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中的各项 工艺技术的总和； 微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、 高性能、高可靠性是微电子学发展的方向； 衡量微电子技术进步的标志要在三个方面：一是缩小芯片 中器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度；二是增加芯 片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模；三是开拓 有针对性的设计应用。
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微电子技术的发展历史
1947年晶体管的发明；到1958年前后已研究成功 以这种组件为基础的混合组件； 1962年生产出晶体管——晶体管逻辑电路和发射 极耦合逻辑电路； 由于MOS电路在高度集成和功耗方面的优点，70 年代，微电子技术进入了MOS电路时代； 随着集成密度日益提高，集成电路正向集成系统 发展，电路的设计也日益复杂、费时和昂贵。实 际上如果没有计算机的辅助，较复杂的大规模集 成电路的设计是不可能的。
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微电子技术的发展特点
超高速： 从1958年TI研制出第一个集成电路触发器算起， 到2003年Intel推出的奔腾4处理器（包含5500 万个晶体管）和512Mb DRAM（包含超过5亿个 晶体管），集成电路年平均增长率达到45％； 辐射面广： 集成电路的快速发展，极大的影响了社会的方 方面面，因此微电子产业被列为支柱产业。
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摩尔定律
1965年，美国硅谷仙童半导体公司的戈登.摩尔，研 究了1959到1965年半导体工业发展的数据，发现： 如果将能够集成在一块芯片上的晶体管数量画在一个 半对数坐标上，可以得到一条直线； 归纳出：集成电路上可容纳的晶体管数量，大约每隔 18～24个月就会翻一番； 此后半导体工业的发展也进一步地证实了这
一结论： 1969年Intel 4位微处理器4004有2300只晶体管， 时钟频率104KHz。 1998年Intel推出的奔腾II，32位的处理器，有750 万只晶体管，CPU 时钟450MHz，集成度提高了 260倍，而时钟频率提高了4326倍。
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微电子前沿技术
微电子制造工艺，包括元器件的生产、测试和 封装等； 微电子材料的研究； 超大规模集成电路/混合信号/射频集成电路设 计技术； MEMS技术等。
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微电子制造工艺
微加工技术（Microfabrication）是制造MEMS的 主要手段。微加工技术包括IC制造技术（如光刻、 薄膜淀积、注入扩散、干法和湿法刻蚀等）、微 机械加工技术（Micromachining）（如牺牲层技术、 各向异性刻蚀、反应离子深刻蚀（DRIE）、 LIGA、双面光刻、键合，以及软光刻技术等）和 特殊微加工技术。目前微电子制造的主要方法也 是“自上而下”的微型化过程，即采用光刻和刻 蚀等微加工方法，将大的材料制造为小的结构和 器件，并与电路集成，实现系统微型化。
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光刻工艺示意图
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光刻工艺面临的技术问题
由于工艺尺寸的减小，必须使用波长更短的光 源，实现越来越困难，从早期的水银灯直到现 在使用的远紫外线，甚至研发中的粒子束； 导致光刻设备以及掩模成本急剧上升； 光刻时小尺寸图形所产生的干涉和衍射效应使 得光刻图案失真越来越严重，严重影响制造出 的电路的性能以及一致性； 必须加以矫正，甚至在设计阶段就必须考虑这 一影响，加大了投入。
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氧化/扩散示意图
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等离子刻蚀示意图
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离子注入示意图
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MEMS的典型工艺过程 的典型工艺过程
淀积牺牲层
PECVD SiO2 2μm 光刻牺牲层
(a)
刻蚀牺牲层(RIE) 刻蚀牺牲层
(b)
淀积结构层
LPCVD poly-Si 1 μm
(c)
MEMS的典型工艺过程 的典型工艺过程
光刻结构层
(d)
刻蚀结构层(RIE) 刻蚀结构层(RIE)
(e)
去除牺牲层， 去除牺牲层，释放结构层
HF
(f)
半导体材料
元素半导体：锗、硅、硒、硼、碲、锑等； 化合物半导体：砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、 硫化镉及镓砷硅等； 有机半导体：萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族 化合物等； 无定形半导体：氧化
物玻璃和非氧化物玻璃两种。
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晶体半导体材料的制备
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元素半导体
元素半导体是指由单一元素晶体组成的衬底材 料； 如锗、硅、硒、硼、碲、锑等； 硅是当前使用最广泛、工艺最成熟的半导体材 料； 硅材料的禁带宽度、载流子漂移率等指标适中， 制备成本低； 在电路指标要求较高的场合，硅材料有其缺陷。
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化合物半导体
由化合物组成的半导体材料； 种类繁多、特性各异； 如：砷化镓主要用来制作高频电路和器件； 碳化硅主要用于制作大功率、耐高温和特种环 境下工作的器件； 存在制作成本高昂，工艺稳定性和兼容性，设 计环境缺乏等问题； 对其研究和认识程度不如硅材料。
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有机半导体和无定形半导体
有机半导体主要用于发光器件和生物芯片；
无定形半导体主要用于生物芯片；
这两种半导体材料是近年来的研究热点。
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集成电路设计
集成电路设计面临主要问题可以分为以下三个 方面： 超大规模集成电路设计； 高精度模拟、混合信号集成电路设计； 射频集成电路设计。 目的是设计出速度更快、功耗更低、面积更小、 功能更多的芯片。
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超大规模集成电路设计
超大规模集成电路设计主要难点在于如何在最 短的时间内完成千万门级电路的设计任务，并 进行有效的验证； 主要的技术问题如下： 自动布局、布线算法； 行之有效的验证方法； 日益严格的功耗要求； 面积和成本的考虑等。
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混合信号集成电路设计技术
混合信号即数字信号和模拟信号的统称； 将处理上述两种信号的电路集成在同一个芯片 中必须解决相互的干扰问题，尤其是数字信号 对于模拟信号的干扰； 如果此类芯片能够完成以前一个电子系统才能 完成的任务，又可以将其称为SOC（片上系 统）。此时，模数、软硬协同验证问题就必须 加以解决。
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射频集成电路设计技术
射频集成电路是近几年研究的热点，过去使用 AsGa等宽禁带材料实现； 近几年随着硅工艺的改进，越来越多的设计者 使用硅材料设计射频集成电路； 因此，对于射频集成电路，芯片测试、多芯片 封装、不同制造工艺的融合等都成为比较棘手 的问题。
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设计方法学的变迁
随着微电子技术的发展 ，集成电路设计方法学也 发生了变迁； 从纯手工设计到自动综 合、布局布线； 从“自底向上”的设计 方式发展到“自顶向下” 的设计方式，直至“中间 相遇”的设计方式； 从单纯的仿真验证到多 种验证方式相结合； 从单一平台到数模、软 硬协同等。
宏单元
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SOC
SOC（System On Chip）是一类复杂芯片， 其功能涵盖一个电子系统全部的功能； 上图是一个软件无线电的示意图，包含射频、 ADC以及软件控制的数字部分。
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FPGA
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MEMS技术
MEMS (Microelectromechancial Systems) :微电子机械系统 也称 微系统或微机械,是利用集成电路制造 技术和微加工技术把微结构、微传感器、 微执行器、控制处理电路，甚至接口、通 讯和电源等制造在一块或多块芯片上的微 型集成系统。 MEMS的出现使芯片远远超越了以处理电 信号为目的的集成电路，其功能拓展到机、 光、热、电、化学、生物等领域。
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MEMS的定义
MEMS是尺寸在微米到毫米量级的集成系统； 典型MEMS包括微机械结构、传感器、执行器和控制电 路，可以实现测量、信息处理和执行功能。
光 声
模 拟 传 感 字 器 号 转 换 理 处 信 号 数 信 － 字 数
数 字 － 模 拟 信 号 转 换 器 行 执
机械能 电 能
电 机械
光/电
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电 典型微系统的功能组成
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MEMS的特点
MEMS的一般特点
尺寸结构微小：微米到毫米 多能量域系统：力、热、电、光、生、化无所不包 基于但不限于集成电路技术和微加工技术制造 不完全是宏观对象的按比例缩小 宏观物理学规律仍旧成立，但是控制因素发生了变化
MEMS的衍生特点
可以大批量生产 成本低、功耗小 多样性、复杂性、难度大
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MEMS的分类
信息领域
光开关及其阵列、RF MEMS开关、数字微镜器件 （DMD）、MEMS可调电容、电感等
传感器领域
压力、流量、温度、湿度、气体传感器 微加速度计、微机械陀螺
生物领域
生物芯片、微型流体通道分析系统、毛细管电泳、芯片 实验室（LOC）
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集成电路的老化、测试技术
由于制造工艺的偏差和变化，制造出来的产品 会偏离设计指标，因此必须对批量产品进行测 试； 同时为了减小芯片在正常使用过程中的失效概 率，还需对芯片
进行老化工艺； 由于芯片的功能和复杂程度日益提高，测试和 老化的难度也在提高； 例如，对于一个CPU来说，进行一次完整的老 化、测试流程可能耗时数月之久，花费数百万 美元。
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微电子技术在军事领域中的应用
微电子技术的发展及应用，不仅提升了军事装备和作 战平台的性能，而且导致了新式武器以及新兵种的产 生。微电子技术的出现改变了传统战争的模式，即从 面对面的战斗演变成当今及未来的超视距作战； 战争发展的需求和军事系统的发展，促使军事电子产 品向着小型化、轻量化和智能化的方向发展，并对微 电子技术提出了高性能、高集成度、高可靠等越来越 高的技术要求；
军用集成电路将在进一步缩小线宽、增大集成度 的基础上，寻求在改进集成技术、采用新型材料 、研制新概念器件上的突破。
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微电子技术对武器系统的影响（一）
集成电路的运用，使武器系统从信息能力方面使 武器装备性能发生了革命性的变化。 美国F-15战斗机的AN/APG-63雷达在信号处理器 采用了超大规模集成电路以后，信号处理速度提 高了几倍； “战斧”巡航导弹、“ 爱国者”防空导弹、“铺 路石”激光制导炸弹的制导系统小型化，都是在 使用超大规模集成电路后才得以实现。
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微电子技术对武器系统的影响（二）
微电子技术的使用，使武器系统的体积、 重量和功耗大大减小，可靠性大大提高；
美国F－111飞机采用超高速集成电路后，平 均故障间隔时间从原来的40h提高到5000h左 右，元件数从224个下降到60个，爱国者导弹 在采用超高速集成电路后电子模块从200 个下 降至13 个。
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微电子技术在军事领域的应用
由于军事通信、雷达、导航、电子战、火力控 制等系统对微电子器件的性能、尺寸和可靠性 有很高的要求，特别是高速度、低噪声、低功 耗、小体积、耐高温、抗辐射等高技术需求, 导致材料、器件结构、电路设计、封装等微电 子综合技术的迅速发展。
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微电子技术在军事领域的应用
军事电子系统对微电子技术的需求主要有：高密 度、高速度、低功耗、高频、大功率、宽工作温 度范围、抗辐射和高可靠等性能； 根据先进国家的关键军事技术清单，需求的重点 微电子产品主要有：硅基集成电路、数据转换器 集成电路(A/D、D/A 转换器)、专用集成电路 (ASIC)、现场可编程集成电路、存储
器集成电路 、微处理器集成电路、系统级芯片集成电路、智 能集成电路、化合物半导体集成电路、纳米电子 集成电路、分子电子学集成电路及抗恶劣环境集 成电路。
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微悬臂梁
微悬臂梁的特点
无标记检测 特异性 高灵敏度（可达1X10-8g） 高通量（阵列化）
一个通用的检测平台
微悬臂梁的制作
硅，浓硼注入1019，KOH腐蚀自停止
微悬臂梁的制作
硅，浓硼注入1019，KOH腐蚀自停止
爆炸物检测
利用燃爆温度不同，检测爆炸物 的属性。 检测TNT的灵敏度可达70X10-12g
光敏二极管阵列
光引入的噪声小，可测变形量1? 需要透明介质且对准要求高
典型的探测器系统
位移传感器
叉指电容上下移动，利用衍射光斑的变化测位移改变量
热机械检测
硬盘的数据读取 加电烧坑，加电复原 多次加电，聚合物膜将变形
流量检测
加速度传感器
加速度传感器广泛应用于 汽车领域的安全气囊、悬挂系统、车身稳定控制系统； 军事领域的导弹制导、引信、卫星姿控导航； 消费电子领域的照摄像机稳定装置、洗衣机振动测量、 玩具； 计算机及无线通信领域的虚拟现实、硬盘保护、笔记本电 脑防盗； 工业领域的机器人测控、机床振动测量、电梯控制； 医学领域的心脏起博器、运动与睡眠状态监视； 环境能源领域的地震预警、石油勘探。 ，
加速度传感器
(a)
(b)
IC 部分 NPN NMOS
(c)
传感器部分 保护层 传感器多晶硅结构
(d)
(e)
Analog Devices 公司（ADI）制造的单片双轴微加速度传感器ADXL202
加速度传感器
梳状叉指电容：静电驱动，电容检测，谐振工作， 梳状叉指电容：静电驱动，电容检测，谐振工作，应用广泛
加速度传感器
梳状叉指电容
牺牲层淀积和光刻
2 μm LPCVD PSG, 1000°C致密和回流 PSG, 致密和回流 1h 湿法刻蚀下凹点 (dimples )
RIE 结构层支撑锚点 多晶硅结构层淀积、 多晶硅结构层淀积、掺杂和退火
2 μm LPCVD poly (undoped), 610°C 0.3 μm PSG on top (for doping purpose) 1050°C对称扩散 小时 对称扩散1小时 对称扩散 小时，N2保护
加速度传感器
梳状叉指电容
去除顶部PSG 去除顶部
光刻和RIE刻蚀结构层多晶硅 光刻和RIE刻蚀结构层多晶硅 RIE
释放
HF刻蚀 刻蚀PSG 刻蚀 水浸润 干法释放， 干法释放，避免粘连
室温红外探测器
红外传感器是黑暗环境下成像的主要手段。 在军事领域，非制冷红外探测技术已经广泛应用到了红外监 视、警戒、探测、侦查、跟踪和瞄准的各个领域，尤其是在导
弹红外寻的器、单兵武器红外枪瞄、便携式导弹瞄准具、单兵 红外夜视仪等方面国内外已经形成了批产。在头盔夜视仪、监 视员视觉增强器和大型军用光电系统中的应用已经全面展开。 21世纪初，非制冷红外热成像技术还被应用到无人侦察机 （UAV）和微型航空器（MAV）照相，或者应用到侦查探测的 一次性传感器上。 由于非制冷的独特技术优势，并且随着非制冷红外热成像技 术的不断进步，目前应用高灵敏度制冷型红外热成像技术的军 用光电将逐渐被非制冷技术取代。
室温红外探测器
利用红外成像技术拍摄到的图像
室温红外探测器
红外辐射
红外吸收层 热敏电阻
空腔
热绝缘结构 基底
红外探测器结构示意图
探测器主要由红外吸收层、热敏电阻、热绝缘结构、支撑基 底四部分组成。 工作原理：“吸收红外辐射→敏感区域温度变化→电阻值变 化”。
室温红外探测器
RF MEMS开关 开关
应用前景：
军用领域：以RF MEMS开关技术为基础，可研制RF MEMS 移相器、智能天线、T/R模块，是实现上万单元相控阵天线 的关键技术，对雷达预警、战术战略侦察，卫星组网和制导 等军事领域均有重要意义 民用领域：由于开关的低功耗、集成化的独特优点，将在手 机等移动通信设备上得到广泛应用。
RF MEMS开关 开关
应用举例：
开关在无线通讯中的应用：因其插入损耗小、隔离度高、功耗低、体积小 等特点，正符合未来通信系统向微型化发展的需求。
RF MEMS开关 开关
应用举例：
开关在移相器中的应用：在CPW传输线上周期性加载高Q值 的并联开关，在中心信号线和桥之间加电压后，将改变CPW 传输线的负载电容，从而改变传输线的特性阻抗和传输系数 来实现相移。相控阵天线每个单元都有移相器，在计算机控 制下，改变天线孔径上的相位分布，来实现波束在空间扫描 ，即电子扫描
相位扫描阵列示意图
RF MEMS开关 开关
应用举例：
开关在天线中的应用：在网格每一臂上都嵌入了一个开关， 通过控制开关的通断来实现信号沿不同路径传播，实现多频 段、多极化的功能。
RF MEMS开关 开关
工作原理
RF MEMS开关 开关
开关的制造
RF MEMS开关 开关
RF MEMS开关流水后的照片
MEMS在武器装备中的应用
武器装备中的应用
用于武器制导和个人导航的惯性导航组合 单兵携带、战场实时监测、毒气以及细菌检测和救护等 武器安全、保险、引信和无人值守分布式传感器 炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、侵彻点控制 推进和燃烧控制系统、飞机分布式空气动力
学控制 超小型、超低功率无线通讯信号处理、小型分析仪器 高密度、低功耗的大量数据存储器件 敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件
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MEMS在军事航空航天应用小结
基于MEMS技术的微/纳卫星
目前已发射的基于MEMS 技术的微/ 纳卫星主要有：
俄罗斯航天研究院SPU TNIK22 美国Aeroastro 的Bitsy , 亚利桑那大学的AUSat , 斯坦福大学的 SQUIRT22 和PicoSat , 英国Surrey 大学的SNAP21 墨西哥Anahuac 大学的AniSat 2000 年2 月,美国DARPA 和Aero2 space 公司成功地发射了世界上第 一颗皮型卫星, 重量仅245 g, 主要是试验MEMS RF 技术。
MEMS 卫星的组网与“虚拟卫星”是卫星技术发展的重要 方向,是目前世界MEMS 卫星的研究热点。
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MEMS在军事航空航天应用小结
微型飞行器
微型飞行器( Micro Aerial Vehicle , MAV) 因尺寸小( 5 km) 和飞行时间长( > 15 min) ,能够自主飞行,并能以可接受 的成本执行某一特定任务,被认为是 未来战场上的重要侦察和攻击武器; 具有价格低廉、便于携带、操作简 单、安全性好等优点。
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MEMS在军事航空航天应用小结
微型飞行器
目前,微型飞行器的研究主要集中在美、日、德等发达国家 美国MLB 公司研制出翼展为45 cm 的微型飞行器Bat , 该机飞行 时间20 min , 飞行速度约为64 km/ h , 飞行高度457 m ； 美国Aero Vir2 onment 公司研制出名为“黑寡妇”(Black Widow) 的直径15 cm 的圆盘状微型飞行器,飞行时间22 min , 飞行距离16 km ; 美国Intelligent Auto mation 公司制作了长15 cm 、重90 g 的微型 飞行器,它装备有自动制导系统,该飞行器能以约70～150 km/ h 速度飞行,飞时间约20 min ; 美国M IT 的林肯实验室正在开发的微型飞行器重57 g , 长、宽 均小于15 cm, 飞行速度约32～48 km/h, 可控半径5 km, 飞行时间 1 h, 具有摄像能力； 1995 年,日本东北大学利用MEMS 技术,制造出一个靠磁力矩驱 动的飞行装置,该装置宽30 mm, 长20 mm, 重5.3 mg 。
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MEMS在军事航空航天应用小结
空间和军用微型机器人
美国五角大楼认为,军用微型机器人的发展将有可能改变 下一世纪的战场。 目前,开发的微型机器人有三大类:
固定型,外观像石头、树木、花草, 装有各种微型传感器,可以探测 出人体的红外辐射、行走时的地面振动、金属物体移动造成的磁 场变化等,信号传送到中央指挥部,指挥部可控制防御区内的武器 自动发起攻击; 机动式的微型机器人,它们装备有太阳能电池板和计
算机,可以按 照预定程序机动到敌人阵地与敌人同归于尽; 生物型,研究将微型传感器安装到动物或昆虫身上,构成微型生物 机器人,使其进入人类无法到达的地方,执行战斗或侦察任务。
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MEMS在军事航空航天应用小结
空间和军用微型机器人
鉴于微型机器人巨大的技术潜力和应用前景, 美国国家航 空航天局喷气推进实验室(NASA/ J PL) 和DARPA 合作, 从1996 年起,陆续制定出一系列计划,进行空间和军用微 型机器人的研究开发, 如火星漫游微型机器人 Sojourner ,1997 年7 月在火星着陆,长60 cm, 高和宽分别 为30 cm, 自重约11 kg, 装有摄像机和多种传感器等。
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拍翼式微型飞行器
蜂鸟 蜜蜂 蜻蜓
其它微型飞行器
拍翼式微型飞行器
8字翼，有弹性，翅根与翅尖攻角不一样 变攻角，提高升力
拍翼式微型飞行器
飞行时间：20分钟 重量：11.5g 能量：PLiON电池 ，135mAh 翼展27cm
使用仿生机器进行星际勘探
主动式人身看护系统
具备飞行能力 变焦视野 轻质小型化 能感测危险 能自主控制 能传递讯息
玩具
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