微系统技术

编写一本有关微系统技术方面的书是一项比较困难的工作，这是因为在此领域内相关新技术不断涌现，并且发展十分迅速。如果一个作者想使其书稿中包括该技术的最新内容，则需不断地重写其书稿，这样才可能不会出版类似的书籍。阻碍这类书籍出版的另一个原因是微系统技术的应用领域在不断扩大。以前主要是在度量技术中的应用，如民用、汽车行业或控制领域等，今天微系统技术在最小外科创伤手术、保健或生物化学等领域的市场份额都在不断地扩大。
在本书中，没有介绍微系统技术方面最新的科研和开发成果，因为这些最新的科研和开发成果将出版于相关的技术会议论文中。另外，我们也相信现在的工程师们已从微系统技术的开拓中积累了大量的经验。因此，编写这本书主要是为一些学生和感兴趣的工程师们提供一些该领域的基础知识和基本工艺方法。特别指出的是，我们主要希望介绍一些来源于微电子学，而经过发展又超越了微电子学的一些工艺方法，以及它们是如何在物理、化学、生物学等领域开辟新的空间的。在这样一个基础上，本书主要涉及了有关机械、光学、流体学、化学和生物化学的内容。相信总有一天微系统技术在这些领域内的应用会取得与微电子学一样的成功。
本书的内容已经在Karlsruhe大学，瑞士联邦工业大学（ETH 苏黎世）和Freiburg大学的新应用科学学院进行过讲授和完善。本书德文版为VCHWeinheim出版社的“Mikrosystemtechnik für Ingenieure”，在该书的第二版中已经加入了一些本书内容的要点。基于微系统技术必须与国际交流的观点，我们又以英文出版了该书。我们对德文版中的内容进行了全面的修订，并且对第6章硅基微系统的内容进行了扩充。随着这些改进，我们希望本书通过国际的合作努力，能为迷人的微系统技术增添一片奇葩。
最后，我们非常感激众多的同事和合作者。他们对本书提出了一些建议、帮助和建设性的批评。DrEric Kay,Mendocino CA为本书的出版发挥了较大的作用，他们从语言和技术上对本书进行了审核和修订。因此，我们也希望本书在英文技术文献市场上具有成功的竞争力。

Wolfgang Menz
Jürgen Mohr
Oliver Paul
2000年7月于Freiburg

本书是德国WILEYVCH出版社“Microsystem Technology”一书的中译本，讲述微系统技术领域内的相关内容。全书分为10章，前4章介绍微系统技术的基础知识、如微系统与微结构间的相互关系、单晶硅的生产、微系统技术的物理和化学基础等；5～１０章为本书核心，详细介绍微系统技术的基本工艺方法，包括光刻技术、硅技术、LIGA技术(X射线电镀成型)、封装技术等。

第1章微结构技术概述1
11什么是微结构技术1
12从微结构技术到微系统技术9
第2章微电子技术相关知识介绍13
21单晶硅片的生产13
211单晶硅的生产15
212GaAs单晶的生产21
22基本工艺过程23
221薄膜沉积24
222光刻（薄膜图形化）26
223表面改性28
224 蚀刻（薄膜去除）31
23封装技术32
231对封装技术的要求32
232混合技术33
24洁净室技术35
第3章微系统技术的物理和化学基础41
31晶体和晶体学41
311晶格和晶格类型42
312极射赤面投影44
313单晶硅47
314倒易晶格和晶体结构分析50
32确定晶体结构的方法57
321X射线衍射57
322电子束衍射59
33电镀的基本概念60
331电极电解液界面64
332极化和过电位67
333阴极金属沉积的机制68
34微系统技术的材料75
341用于微型机构成型的材料77
342用作传感器的材料80
343用于执行机构的材料84
344用于辅助应用的材料96
第4章MEMS主要技术101
41真空技术的基本原理101
411平均自由轨迹102
412单层时间104
413原子和分子的速度105
414气体动力学107
415技术真空的分类107
42真空的生成109
421用于粗真空和细真空的泵109
422高真空泵和超高真空泵111
43真空测量116
431压力转换计116
432导热性真空计117
433摩擦型真空计117
434热电子电离真空计118
435冷阴极电离计（彭宁原理）118
436泄漏和裂缝探测119
44薄膜特性120
441结构区域模型120
442层的黏结强度123
45物理和化学覆层技术124
451蒸发124
452溅射法126
453离子电镀或等离子加速沉积130
454离子束技术131
455CVD过程134
456外延136
457等离子聚合作用138
458氧化作用138
46利用干蚀刻过程完成薄膜构造141
461物理蚀刻技术144
462物理化学联合蚀刻技术147
463化学蚀刻技术152
47薄膜和表面分析153
471电子探针微分析154
472俄歇电子光谱法(AES)155
473X射线光电子光谱法（XPS）157
474次级离子质谱法（SIMS）157
475次级中性粒子质谱法（SNMS）158
476离子散射光谱法（ISS）158
477卢瑟福反向散射光谱法（RBS）158
478扫描隧道显微镜法159
第5章光刻160
51综述与发展历史160
52抗蚀剂161
53光刻过程164
54计算机辅助设计（CAD）165
541CAD设计165
542校准图形和测试结构167
543设计结构（分级，分层）168
55电子束光刻法170
551高斯波束171
552利用高斯波束的刻写方案174
553成形波束175
554后置处理177
555邻近效应178
56光学光刻法180
561掩模181
562投影法182
563成像投影法184
564光刻法的发展185
565用于微机械的光刻法188
57离子束光刻法189
58X射线光刻法190
581掩模191
582X射线源192
583同步加速器辐射192
584X射线光刻法的应用196
第6章硅微系统技术197
61硅技术197
611IC工艺和基底198
612铸造技术202
62硅的微加工203
621前言203
622湿蚀刻208
623基本的蚀刻形状216
624蚀刻控制222
625各向异性湿蚀刻剂特性228
626干法蚀刻229
63表面微加工236
631多晶硅的微加工238
632牺牲铝的微加工241
633牺牲聚合物的微加工243
634黏性243
64基于硅技术的微传感器和微系统245
641机械装置和系统245
642热微型装置和系统251
643处理辐射信号的装置和系统259
644磁性装置和系统265
645化学微传感器267
646处理电信号的微加工装置272
65总结与展望273
第7章LIGA加工工艺275
71概述275
72掩模生产277
721掩模的构造原理277
722金属载体薄片的生产279
723X射线中间掩模抗蚀剂的构造281
724X射线掩模镀金284
725工艺掩模的生产285
726X射线工艺掩模中的调整窗286
73X射线光刻287
731厚抗蚀剂层的生产287
732光诱导反应与抗蚀剂曝光289
733对吸收辐射量的要求292
734影响结构品质的因素296
74电流沉积301
741为生产微结构而进行的镍的电沉积302
742型芯的制造307
743其他金属与合金的电镀沉积308
75LIGA工艺中的塑料成型310
751使用反应注射成型方法的微结构生产311
752使用注射成型方法的微结构生产314
753使用热模压印方法的微结构生产320
754由已经塑造好的塑料结构生产金属微结构（二次电镀）322
76LIGA技术的变化和附加步骤327
761牺牲层技术327
762三维结构330
763利用成型方法的光导结构的生产333
77应用举例335
771刚性金属微结构335
772运动微结构、微传感器、微执行元件338
773流控微结构351
774光学用途的LIGA结构354
第8章其他微结构加工方法366
81机械微加工366
811生产过程和主要结构366
812应用实例370
82放电加工（EDM）377
821放电加工基础377
822EDM在微系统中的应用379
83激光微加工380
第9章封装和互连技术(PIT)385
91混合技术385
911基底和膏剂386
912层的生产388
913电路元件的安放和焊接390
914硅管芯的装配和连接393
92引线连接技术394
921热压缩引线连接法(热压焊接连接法)394
922超声波引线连接法（超声波焊接法）395
923热声波引线连接法（超声波热压焊接法）395
924球楔连接法396
925楔楔连接法397
926线连接工艺的优点和缺点398
927检验方法和备选方法399
93新连接技术399
931带自动焊接（TAB）技术400
932反转芯片焊接技术401
94粘接403
941各向同性粘接403
942各向异性粘接405
95阳极粘接法406
951晶片玻璃粘接406
952晶片晶片粘接408
96低温烧结陶瓷（LTCC）409
第10章系统技术412
101系统的定义412
102传感器414
103执行元件418
104信号处理420
1041微系统中传感器的信号处理421
1042传感器阵列的神经数据处理425
105微系统的接口430
1051IE（信息、能量）传递433
1052S（物质）传递436
106微系统技术的模块概念437
107微系统的设计、模拟、集成和测试443
参考文献446