MEMS微纳加工技术：原理、工艺与应用全解析

微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems）微纳加工技术是一种结合半导体工艺和机械微加工的技术，用于制造微型传感器、执行器及集成化功能器件。其核心在于通过微米/纳米级加工实现机械结构与电子电路的协同集成。MEMS器件的特征尺寸通常在微米到毫米量级。

一、MEMS技术特点：
微型化：尺寸小、重量轻
批量化生产：类似IC工艺，可大规模制造
集成化：可与其他功能单元集成
性能优越：响应快、功耗低、灵敏度高

二、MEMS微纳加工主要工艺
1. 硅基微加工技术
体硅微加工：通过各向异性湿法腐蚀(如KOH)或干法刻蚀(DRIE)在硅衬底上制造三维结构
表面微加工：通过沉积和选择性移除牺牲层材料来释放可动结构
SOI技术：使用绝缘体上硅(SOI)晶圆，结合表面和体加工优势
2. LIGA技术
使用X射线光刻、电铸和注塑成型
可制造高深宽比微结构
适合金属、塑料等非硅材料
3. 纳米压印技术(NIL)
通过机械压印方式复制纳米图案
分辨率高、成本相对较低
适合大面积纳米结构制造
4. 薄膜工艺
物理气相沉积(PVD)：蒸发、溅射
化学气相沉积(CVD)：LPCVD、PECVD
外延生长：硅外延、化合物半导体外延
5.键合技术（Bonding）
阳极键合：玻璃与硅在高温电场下键合（用于压力传感器封装）。
硅-硅直接键合：高温退火实现晶圆级集成（如MEMS-ASIC集成）。

三、典型MEMS器件加工案例
1. 加速度计加工流程
硅片清洗与氧化
光刻定义结构区域
DRIE刻蚀形成可动质量块
背面光刻与刻蚀形成空腔
键合封装
2. 喷墨打印头加工
热氧化生长SiO2
LPCVD沉积多晶硅作为加热电阻
光刻定义喷嘴图案
湿法或干法刻蚀形成喷孔
阳极键合玻璃盖板

四、MEMS加工技术发展趋势
异质集成：将不同材料(如III-V族化合物、压电材料)与硅集成
3D集成：通过TSV等技术实现多层结构垂直集成
纳米尺度：从MEMS向NEMS(纳机电系统)发展
智能化：与CMOS工艺兼容，集成信号处理电路
新材料应用：石墨烯、碳纳米管等新型纳米材料引入
MEMS微纳加工技术作为智能制造和物联网的核心支撑技术，正在向更高集成度、更多功能化和更低成本的方向发展，在消费电子、生物医疗、航空航天等领域具有广阔应用前景。