Технология микросистемной техники. Часть 1. Методы микрообработки

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
 

ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОСИСТЕМНОЙ 
ТЕХНИКИ 

 

В трех частях 

Часть 1. Методы микрообработки 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2010 

УДК 621.38 
ББК 32.85 
Т38 

Рецензенты: В.С. Кондратенко, Ю.Б. Цветков 

 
Технология микросистемной техники : учеб. пособие / О.С. На- 
Т38 райкин, В.В. Холевин, И.И. Данилов, В.А. Шалаев. – ч. 1 :  
         Методы микрообработки. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Бау-  
         мана, 2010. – 36, [4] с. : ил.  
 
Рассмотрены современные методы микрообработки, применяемые в технологии изготовления микросистем: объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, технология LIGA. Приведены сведения о материалах, применяемых в микросистемной технике, и о методах соединения слоев микросистем. 
Для студентов 5–6-го курсов приборостроительных специальностей.  
 

УДК 621.38 
                             
 
 
 
 
     ББК 32.85 

 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 

1. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ 

В пособии рассматривается новая область технических разработок – микросистемная техника. Это технология, используемая 
для создания микроминиатюрных интегральных устройств или 
систем, в которых комбинируются механические и электрические 
компоненты. Они изготавливаются на основе групповой обработки 
интегральных схем (ИС) и могут иметь размеры от нескольких 
микрометров до нескольких миллиметров. Эти устройства (или 
системы) могут выполнять детектирование, управление и привод в 
микромасштабе (на микроуровне) и создавать эффекты в макромасштабе (на макроуровне). 
В настоящее время в мировой практике для обозначения фактически одного и того же направления наиболее часто используются 
понятия: в США – MEMS и MOEMS (микроэлектромеханические и 
микрооптомеханические системы); в Японии – MICROMACHINING 
(микрообработка); в европейских странах – MST (технология микросистем). 
В России с 1996 г. в «Перечне критических технологий Федерального уровня» официально используется термин «микросистемная техника», а в утвержденный Президентом России 30 марта 
2002 г. «Перечень критических технологий Российской Федерации» микросистемная техника внесена как самостоятельная критическая технология, содержание которой определено следующим 
образом: «Сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с 
ранее недостижимыми массогабаритными, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемые интегрально-групповыми экономически эффективными процессами 
микро- и нанотехнологии». 

Микроэлектромеханическая система (МЭМС) состоит из меха
нических микроструктур, микродатчиков, микроактюаторов и 
микроэлектроники, объединяемых на одном кремниевом чипе, 
взаимодействие которых иллюстрирует рис. 1. 

Микродатчики обнаруживают изменения в окружающей сис
тему среде, измеряя механические, тепловые, магнитные, химические или электромагнитные величины. Микроэлектроника обраба

тывает эту информацию и сигнализирует микроактюаторам, чтобы 
они создали некоторые изменения по отношению к окружающей 
среде либо в самой системе. 

Рис. 1. Взаимосвязь между компонентами МЭМС 

Наиболее распространенными составными частями различных 

по назначению МЭМС являются следующие. 

Датчик – устройство, которое вырабатывает информацию об 

окружающей среде и обеспечивает электрический сигнал на выходе в ответ на измеренный параметр. Актюатор может входить в 
состав датчика. 

Актюатор – устройство, которое преобразует электрический 

сигнал или иную форму энергии в движение. Оно может создать 
силу, чтобы исполнить некоторую полезную функцию. 

Преобразователь – устройство, которое преобразует одну 

форму сигнала или энергии в другую. Термин «преобразователь» может использоваться применительно к датчикам и актюаторам. 

Совокупность преобразователей, объединенных в измеритель
ную цепь, образует измерительный микроприбор. Микроприбор 
(микродатчик) может использоваться в различных энергетических 
областях, характеризующихся физическими величинами, некоторые из которых приведены в табл. 1. 

Таблица 1 

Энергетические области использования датчиков 

Энергетические 
области 
Физические величины 

Механическая 
Сила, давление, скорость, ускорение, положение 

Тепловая 
Температура, энтропия 

Химическая 
Концентрация, состав, скорость реакции 

Оптическая 
Электромагнитная интенсивность волны, фаза, длина волны, поляризация, коэффициент отражения, 
индекс преломления, коэффициент пропускания 

Магнитная 
Интенсивность поля, плотность потока, магнитный 
момент, проводимость 

Электрическая 
Напряжение, ток, нагрузка, сопротивление, емкость, поляризация 

В соответствии с энергетической областью, в которой работа
ют приборы, их можно определить как микромеханические, микрооптические и т. д. 
На рис. 2 представлена классификация технологии микросистем (МСТ). Хотя МЭМС и МСТ – это разные обозначения одной 
технологии, но, строго говоря, МЭМС – это технология, используемая для создания микроминиатюрных механических устройств 
или систем, и, таким образом, МЭМС – это подтехнология МСТ. 

Рис. 2. Классификация технологии МСТ 

Микрооптоэлектромеханические системы (МОЭМС) – это 
также подтехнология МСТ, и вместе с МЭМС они формируют специальные технологические поля, использующие комбинирование 
оптики, электроники и механики. Обе микросистемы используют 
методы групповой обработки микроэлектроники при их разработке и изготовлении. Таким образом, МСТ – это методология разработки и создания сложных комплексных устройств и систем и их 
интегральных электронных схем с применением методов групповой технологии. 
С 1950-х годов, когда началась разработка МЭМС, они постепенно прошли путь от исследовательских лабораторий до современных изделий. В середине 1990-х годов компоненты МЭМС начали использоваться в многочисленных коммерческих изделиях 
разного применения (акселерометры, используемые для управления раскрытием надувных предохранительных подушек в автомобилях, медицинские датчики давления и головки струйных принтеров). В настоящее время МЭМС-устройства используются в 
проекционных дисплеях и в устройствах микропозиционирования 
в системах накопления данных. Однако наибольший интерес представляют новые области применения МЭМС-устройств: телекоммуникационные системы (оптические и беспроводные), биомедицинские приборы и устройства управления технологическими 
процессами. 
Как технология изготовления МЭМС имеет несколько очевидных преимуществ. Во-первых, междисциплинарный характер технологии МЭМС, используемые методы микрообработки, широкий 
диапазон применения МЭМС-устройств привели к созданию беспрецедентного количества устройств и видов совместной деятельности в ранее не связанных областях (например, биология и микроэлектроника). Во-вторых, МЭМС дает возможность методом 
групповой технологии изготовлять компоненты и устройства с более высокими техническими характеристиками и надежностью в 
сочетании с уменьшенными физическими размерами, массой и 
стоимостью. И в-третьих, это технология для изготовления изделий, которые не могут быть изготовлены другими методами. Эти 
факторы делают технологию МЭМС гораздо более значимой технологией, чем успешное применение микрочипов ИС. Однако существует еще много проблем и технологических трудностей, связанных с миниатюризацией. Их необходимо преодолеть, прежде 
чем технология МЭМС сможет реализовать свои большие потенциальные возможности. 

В настоящее время МЭМС находят широкое применение в разнообразных областях (табл. 2). 

Таблица 2 

Области применения МЭМС 

Автомобильная 
промышленность 
Электроника 
Медицина 
Средства связи 
Военная  
техника 

Внутренние 
навигационные 
датчики 

Головки 
дисководов
Датчик 
давления 
крови 

Компоненты  
волоконнооптических  
сетей 

Средства 
поражения 
системы 
наведения 

Компрессорный  
датчик кондиционирования 
воздуха 

Головки 
струйных 
принтеров 

Мышечные 
стимуляторы и системы доставки лекарственных 
средств 

ВЧ-реле, переключатели и 
фильтры 

Системы 
наблюдения 

Датчики силы 
торможения и 
подвесные контрольные акселерометры 

Телевизоры с проекционным 
экраном 

Имплантируемые 
датчики 
давления 

Проекционные 
дисплеи в переносных системах связи и 
измерительных 
устройствах 

Военные 
системы 
взведения 

Датчики уровня  
топлива и давления паров 

Сейсмологические 
датчики 

Протезирование 
Генераторы, 
управляемые 
напряжением 

Встроенные датчики 

Датчики аварийных систем с 
надувными подушками 

Авиационные датчики давления 

Миниатюрные аналитические 
измерительные 
устройства 

Разделители и 
соединители 
Накопление данных 

Микропроцессорные покрышки 

Системы 
запоминания больших массивов данных 

Электронные стимуляторы 
сердца 

Перестраиваемые лазеры 
Управление 
воздушным 
движением 

Методы изготовления МЭМС делятся на три основные группы: 
объемная микрообработка, поверхностная микрообработка и микрообработка с высоким форматным соотношением, которая включает технологию ЛИГА (LIGA – от нем. Lithographie, Galvanoformung, Abformung, т. е. литография, гальванопластика и формовка). 
Изготовление МЭМС-устройств перечисленными методами предполагает использование литографических процессов (фотолитография, рентгенолитография и др.). 

2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МИКРООБРАБОТКИ 

2.1. Подложки 

В МСТ для изготовления подложек наиболее часто используют 
кремний, поскольку он успешно применяется в микроэлектронике 
и будет впредь использоваться при миниатюризации по следующим причинам: 
 кремний имеется в природе в большом количестве, это недорогой материал при обработке которого можно добиться высокого 
качества поверхности; 
 способность кремния осаждаться в виде тонких пленок 
очень важна при изготовлении МЭМС; 
 качественное формирование и воспроизводимость формы 
кремниевых структур с использованием метода фотолитографии –
очень важное свойство для обеспечения высокой точности МЭМС; 
 кремниевые микроэлектронные схемы изготовляют методом 
групповой технологии. 
Другие кристаллические полупроводниковые материалы (например, германий и арсенид галлия), обладающие аналогичными 
качествами, также применяются для изготовления подложек, но 
кремний отличается от других полупроводников тем, что он может 
быстро окисляться с образованием плотного химически инертного 
и электрически изоляционного поверхностного слоя SiO2 при воздействии пара. 
Однородная кристаллическая структура кремния обеспечивает 
не только электрические свойства, необходимые для работы микроэлектронных схем, но и требуемые механические свойства. 
Кремний имеет такую же кристаллическую структуру, как и алмаз. 

И хотя его межатомные связи значительно слабее, он тверже, чем 
большинство металлов. Кроме того, кремний очень устойчив к механическому напряжению, он имеет более высокий предел упругости, чем сталь, как при растяжении, так и при сжатии. Монокристаллический кремний сохраняет прочность при повторных циклах растяжения и сжатия. 
При изготовлении МЭМС-устройств важное значение имеет 
кристаллографическая ориентация кремния, так как некоторые 
травители действуют в разных кристаллографических направлениях с разной скоростью. На рис. 3 показаны плоскости с низким 
кристаллографическим индексом, используемые в микроэлектронике и МСТ. 

Рис. 3. Плоскости с низким кристаллографическим индексом 

Продолжаются исследования по использованию в качестве 
подложки таких материалов, как металлы, стекло, кварц, кристаллические изоляторы, керамика, полимеры и др. Свойства некоторых материалов для МСТ приведены в табл. 3. 
Следует заметить, что свойства кристаллов могут варьироваться в зависимости от кристаллографического направления, 
строения кристалла и размера микрокристалла. Важным также 
является то, что некоторые свойства кристаллических материалов 
зависят от температуры, что иллюстрируется данными, приведенными в табл. 4 для кремния. 
Одно из основных направлений современных исследований – 
интеграция на одной подложке микроэлектронных устройств 
(МЭУ) с МЭМС-устройствами. Большие успехи при проведении 
этих исследований достигнуты при использовании подложек из 
кремния в сочетании с аддитивными пленками из различных материалов.

Таблица 3  

Свойства некоторых материалов для МСТ 

Материалы 

Свойства 
Si 
SiO2 
Si3N4 
Кварц 
SiC 
GaAs 
AlN 
Al2O3 
Поли- 
имид 

Полиметилметакрилат 
(ПММА) 

Относительная диэлектрическая проницаемость (εr) 

11,7 
3,9 
4…8 
3,75 
9,7 
13,1 
8,5 
9 
– 
– 

Электрическая прочность, МВ/см 
0,3 
5…10 
5…10 25…40 
4 
0,35 
13 
11,6 
1,5…3 
0,17 

Подвижность электронов, см2/(В·с) 
1500 
– 
– 
– 
1000 
8800 
– 
– 
– 
– 

Подвижность дырок, 
см2/(В·с) 
400 
– 
– 
– 
40 
400 
– 
– 
– 
– 

Ширина запрещенной 
зоны, эВ 
1,12 
8…9 
– 
– 
2,3…3,2
1,42 
– 
– 
– 
– 

Модуль Юнга, ГПа 
160 
73 
323 
107 
450 
75 
340 
275 
2,5 
3 

Предел текучести, 
ГПа 
7 
8,4 
14 
9 
21 
3 
16 
15,4 
0,23 
0,06 

Коэффициент Пуассона 
0,22 
0,17 
0,25 
0,16 
0,14 
– 
0,31 
0,31 
0,34 
– 

Плотность, г/см3 
2,4 
2,2 
3,1 
2,65 
3,2 
5,3 
3,26 
3,62 
1,42 
1,3