微电子机械加工系统（MEMS）技术基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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孙以材，庞冬青 著

图书标签:

• MEMS
• 微电子机械系统
• 微加工
• 传感器
• MEMS技术
• 微结构
• MEMS制造
• MEMS设计
• 微机电
• MEMS材料

出版社： 冶金工业出版社

ISBN：9787502447946

版次：1

商品编码：10089814

包装：平装

开本：大32开

出版时间：2009-03-01

用纸：胶版纸

页数：194

字数：172000

正文语种：中文

编辑推荐

　　《微电子机械加工系统(MEMS)技术基础》着重于MEMS元件设计中的有限元静电场和电流场，温度场，MEMS元件各向同性应力场和各向异性应变分析及压电效应介绍。《微电子机械加工系统(MEMS)技术基础》重点还放在MEMS元件制造，包括硅片腐蚀加工和硅片键合，封装和引线。编者在上述各方面曾作过许多研究，完成多项科研任务，有一定的经验和收获。

内容简介

　　《微电子机械加工系统(MEMS)技术基础》还详细介绍了电学，热学和力学有限元方法的要领，相关软件的使用及硅片的加工处理方法。阅读《微电子机械加工系统(MEMS)技术基础》，可以为MEMS元件的设计和制造打下较好的基础，从而可以灵活应用所学知识。MEMS技术是21世纪发展的重大技术，涉及国防、航天、医疗等领域。《微电子机械加工系统(MEMS)技术基础》以各种微型阀、微型泵、微型马达、压电元器件的制造为目的，阐述其功能，所依据的物理原理及定律。
　　《微电子机械加工系统(MEMS)技术基础》可供国防、航天、医疗等专业的技术人员阅读，也可供大专院校有关专业师生参考。

内页插图

目录

1 静电场数值计算有限元方法
1.1 静电场中重要定律和方程
1.1.1 欧姆定律
1.1.2 奥-高定律
1.1.3 静电场中的泊松（poisson）方程
1.1.4 高斯定理
1.1.5 格林定理
1.1.6 静电场能量
1.2 变分原理与泛函
1.2.1 变分原理与泛函
1.2.2 场域中存在电荷时泛函L（φ）
1.3 静电场有限元法的计算过程
1.3.1 场域的剖分与函数的近似表示
1.3.2 泛函的计算过程
1.3.3 综合方程的系数矩阵形式
1.4 静电场有限元数值计算在电流场电势分析中的应用实例
1.4.1 概述
1.4.2 原理
1.4.3 计算结果
2 应力场数值计算有限元方法
2.1 有限元应力分析概述
2.1.1 原理
2.1.2 FEA的输入信息
2.1.3 应力分析的输出信息
2.1.4 图形输出
2.1.5 总评
2.1.6 ANSYS的分析例子
2.2 ANSYS软件在硅岛膜电容式MEMS压力传感器设计中的应用
2.2.1 ANSYS力学分析步骤
2.2.2 问题的提出
2.2.3 ANSYS分析
2.3 MEMS弹性膜的二维有限元应力计算原理
2.3.1 弹性膜的有限元剖分
2.3.2 虚功原理的应用
2.3.3 单元刚度方程与整体刚度方程
2.3.4 整体刚度方程的求解
2.3.5 弹性膜应力分布有限元法计算结果
2.4 压力传感器三维有限元法应力计算简介
2.4.1 单元的选择与形变自由度
2.4.2 用结点位移表示单元中任何一点位移
2.4.3 单元刚度矩阵
2.4.4 总体刚度方程
2.4.5 计算结果
2.5 高温压力传感器热模拟
2.5.1 概述
2.5.2 AIN、Si02、A1203作为绝缘层时的比较
2.5.3 散热层不同厚度时衬底温度的比较
2.5.4 散热层不同厚度时电阻中心点温度的比较
2.6 受径向力圆环中正应力的周向分布规律及其应力计算的分析解法
2.6.1 概述
2.6.2 由格林定理推导正应力的周向分布规律
2.6.3 力的平衡条件
2.6.4 利用力矩平衡条件决定A值
2.6.5 计算结果
2.7 MEMS单晶元件各向异性正应变的计算
2.7.1 概述
2.7.2 在单轴应力下，进行X射线衍射实验测量
2.7.3 正应力作用下晶面正应变机理
2.7.4 不同晶向正应变与正应力间的关系
3 硅MEMS元件的化学腐蚀微机械加工
3.1 概况
3.2 湿化学腐蚀
3.2.1 电化学腐蚀机理
3.2.2 影响腐蚀速率的因素
3.2.3 阳极腐蚀法
3.2.4 凸角腐蚀及其补偿
3.2.5 无掩膜KOH腐蚀技术
3.2.6 各向异性腐蚀过程计算机模拟
3.2.7 腐蚀过程的几何分析
3.2.8 二维腐蚀过程计算机模拟
3.2.9 三维腐蚀过程计算机模拟
3.3 微电子机械元件的压力腔腐蚀工艺
3.3.1 常用腐蚀液及其特性
3.3.2 硅杯压力腔口掩膜尺寸设计
3.3.3 适合腐蚀法制备弹性膜的外延结构
3.3.4 KOH各向异性腐蚀制作近似圆形膜技术
3.3.5 各向异性腐蚀设备
3.3.6 简易双面对准技术
3.4 表面微机械加工——牺牲层技术
3.5 等离子体刻蚀技术在微细图形加工中的应用
3.6 微细电化学加工技术
3.6.1 微细电铸
3.6.2 微细电解加工
4 MEMS系统的封装
4.1 MEMS系统的封装意义及要求
4.1.1 封装的作用与意义
4.1.2 MEMS封装设计中需要考虑的重要问题
4.1.3 封装结构及封装材料
4.1.4 接口问题
4.1.5 封装外壳设计
4.1.6 热设计
4.1.7 封装过程引起的可靠性问题
4.1.8 封装成本
4.2 焊球栅阵列倒装芯片封装技术
4.3 MEMS中芯片封接方法
4.3.1 黏结
4.3.2 共晶键合
4.3.3 阳极键合
4.3.4 冷焊
4.3.5 钎焊
4.3.6 硅-硅直接键合
4.3.7 玻璃密封
4.4 硅片与硅片低温直接键合
4.4.1 各种硅-硅直接键合法
4.4.2 硅-硅酸钠-硅低温直接键合过程
4.4.3 影响键合质量的因素
4.4.4 质量检测方法
4.5 封接材料的性质
5 微电子机械元件的引线
5.1 MEMS元件的引线键合
5.1.1 引线的作用
5.1.2 对键合引线材料的要求
5.1.3 MEMS元件中应用的引线键合工艺
5.2 MEMS系统压力传感器的引线键合工艺
5.2.1 超声键合设备
5.3 引线的可靠性与可键合性
5.3.1 材料间键合接触时的冶金学效应
5.3.2 各种材料的键合接触
5.4 压力传感器的键合工艺及效果
5.4.1 芯片电路及引线
5.4.2 压力传感器键合工艺步骤
6 MEMS元件的制作
6.1 硅膜电容型压力传感器
6.1.1 电容变化量与流体压力的关系
6.1.2 测定方法
6.2 压电型压力传感器
6.2.1 压电材料和压电效应
6.2.2 压电方程与压电系数
6.2.3 表面电荷的计算
6.2.4 压电型压力传感器的电荷测量
6.2.5 压电型压力传感器的结构及其特点
6.3 MEMS微型阀和微型泵的制作
6.3.1 微型阀
6.3.2 微型泵
6.4 基于压电原理的MEMS微驱动器
6.4.1 压电纳米驱动器
6.4.2 压电喷墨头
6.5 气体传感器阵列中微加热器的制作
6.5.1 利用扩散电阻作加热器
6.5.2 微型热板式加热器（MHP）
6.5.3 绝缘层之间的金属Pt膜或多晶Si膜作加热器
6.6 微型燃烧器的制作
参考文献

前言/序言

　　微电子机械加工系统（MEMS）是指以集成电路等工艺批量制作，集微型机械、微型传感器、微型执行器及信号处理和控制电路等于一体的装置。它具有尺寸小、重量轻、响应快、精度高、性能优和成本低等特点，其在工业、国防、航天、航海、医学、生物工程、农业等领域有着广泛的应用前景。
　　微机电系统是微电子技术的拓宽和延伸，它与精密机械加工融为一体，能制造出外形轮廓尺寸在毫米、微米、甚至纳米量级的微型机电装置。MEMS制作技术包括微电子技术和微加工技术两大部分。前者有硅片的抛光、氧化、光刻、掺杂扩散、引线等；后者有硅片腐蚀加工和硅片键合、封装等。目前已制造出微型压力传感器、微型加速度传感器、微型泵、微型阀、微型沟槽、微型执行器、微型齿轮、微型电机、微型飞行器、微型陀螺、微型燃烧器、微型手术刀、微型血管内注射器、DNA芯片、智能药物释放器以及微小卫星等，并已在不同领域发挥重要作用。
　　今后在MEMS材料、性能及检查、元件设计与制造、加工效果观察、元件封装与测试方面实现标准化也是其发展方向之一。这将决定MEMS产业化发展的成功与否。

硅基微纳制造工艺揭秘：从设计到应用的深度探索 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，聚焦于当前集成电路制造领域的核心技术——硅基微纳制造工艺。我们将一同剖析这一塑造了现代电子设备性能与形态的基石技术，从其最基础的设计理念、材料选择，到一系列精密的加工步骤，再到最终的器件性能表征与应用拓展，层层剥茧，力求展现其内在的逻辑与精妙。 第一章：微纳制造的基石——硅材料的特性与制备 硅作为半导体工业的绝对主角，其独特的物理和化学性质是微纳制造得以实现的关键。本章将首先详细阐述硅晶体的原子结构、能带理论以及其在电学、光学和热学上的表现。我们将深入探讨硅的晶格缺陷、杂质扩散等概念，以及这些因素如何影响器件的性能。 随后，我们将重点介绍高纯度单晶硅的制备过程，包括柴氏法（Czochralski method）和区熔法（Float zone method）等主流技术。我们将详细解析提纯、晶体生长、晶圆切割、抛光等关键环节，并对比不同制备工艺对硅片质量的影响。此外，本章还将简要介绍其他常用的微纳制造材料，如二氧化硅、氮化硅、多晶硅等，阐述其在集成电路中的作用与应用。 第二章：微纳图形的“雕刻师”——光刻技术详解 光刻是微纳制造中最核心的图形转移技术，它决定了集成电路的最小特征尺寸和器件密度。本章将从光刻的原理出发，详细解析不同代际的光刻技术。我们将首先回顾接触式光刻和接近式光刻的局限性，随后重点深入介绍投影光刻，包括其光学成像原理、掩模版（mask）的制作与特性、以及光刻胶（photoresist）的选择与工艺。 我们将详细阐述深紫外（DUV）光刻技术，包括其光源（如KrF、ArF）的特点、光学系统（如多层透镜组、数值孔径NA）的设计理念，以及衍射限制和像差等关键问题。对于当前最前沿的极紫外（EUV）光刻技术，本章将投入大量篇幅，深入剖析其光源（如LPP光源）、反射式光学系统（如多层反射镜）的挑战，以及EUV光刻胶、光掩模版（reflective mask）的独特性。此外，我们还将探讨光刻中的关键工艺参数，如曝光剂量、显影条件、以及其对图形尺寸和线宽均匀性的影响。 第三章：硅基体的“变形术”——刻蚀工艺 刻蚀是根据光刻产生的图形，选择性地去除硅基体上不需要的材料，从而形成器件的三维结构。本章将全面介绍干法刻蚀和湿法刻蚀两大类工艺。 干法刻蚀方面，我们将重点解析等离子体刻蚀（Plasma Etching），包括其基本原理、反应机理（物理刻蚀、化学刻蚀、离子束刻蚀）以及不同刻蚀气体（如CF4、SF6、Cl2、HBr）的选择与作用。我们将详细介绍反应离子刻蚀（RIE）和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀等主流技术，分析其刻蚀速率、选择比、侧壁形貌控制（如各向异性刻蚀）等关键参数。对于先进工艺中越来越重要的深硅刻蚀（Bosch process）等技术，也将进行深入的探讨。 湿法刻蚀方面，我们将介绍其原理、优势（如成本低、设备简单）和局限性（如选择比、图形精度）。我们将分析不同湿法刻蚀剂（如HF/HNO3、KOH）对硅及其氧化物、氮化硅等材料的刻蚀特性，以及其在特定应用场景下的使用。 第四章：层层堆叠的“微建筑”——薄膜沉积技术 在微纳制造过程中，需要精确控制材料在硅基体表面的沉积，形成各种功能层。本章将详细介绍各种主流的薄膜沉积技术。 化学气相沉积（CVD）将是本章的重点，包括其基本原理、反应机理以及不同类型，如低压化学气相沉积（LPCVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD）和原子层沉积（ALD）。我们将深入分析不同CVD工艺在沉积速率、膜厚均匀性、致密性、掺杂控制以及表面形貌等方面的优缺点。特别是ALD技术，我们将重点阐述其原子层级的精确控制能力，以及在极薄、高深宽比结构中的独特优势。 物理气相沉积（PVD）也将被介绍，包括溅射（Sputtering）和蒸发（Evaporation）。我们将分析其工作原理、靶材选择、基底温度、功率等参数对薄膜性能的影响，并讨论其在金属互连、阻挡层等方面的应用。 第五章：微观世界的“塑形师”——离子注入与掺杂 掺杂是赋予半导体材料特定电学性能的关键步骤。本章将聚焦于离子注入技术，它是现代集成电路掺杂的主流方法。我们将详细阐述离子注入的基本原理，包括离子的产生、加速、注入以及在硅基体中的扩散行为。 我们将深入分析不同掺杂元素（如P、As、B）的注入能量、剂量、角倾角等参数如何影响掺杂浓度、深度分布和载流子迁移率。本章还将介绍退火（Annealing）在激活掺杂原子、修复损伤、以及固态扩散中的重要作用，包括快速热退火（RTA）等技术。此外，我们还将简要提及扩散掺杂等传统工艺，并对比其与离子注入的优劣。 第六章：细节的“打磨者”——平坦化与表面处理 为了实现高密度的多层互连结构，必须保证每一层表面的平坦度。化学机械抛光（CMP）是实现这一目标的关键技术。本章将深入解析CMP的原理，包括其化学腐蚀和机械研磨的协同作用。 我们将详细讨论CMP的工艺流程、研磨液（slurry）的成分与作用、研磨垫（pad）的选择以及加工参数（如压力、转速、时间）对平坦化效果的影响。本章还将介绍CMP在去除表面缺陷、提高器件良率方面的重要作用。此外，我们还将简要介绍其他表面处理技术，如清洗（Cleaning）和钝化（Passivation），以及它们在微纳制造中的重要性。 第七章：从“蓝图”到“实物”——器件制造流程与集成 本章将整合前几章所介绍的各项工艺，展现一个典型的集成电路器件从设计到最终制造的完整流程。我们将以一个基础的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）为例，详细解析其制造步骤，包括源漏区域的形成、栅极结构的构建、以及各层互连线的连接。 我们将深入探讨CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺的集成挑战，包括NMOS和PMOS器件的协同制造，以及如何在同一硅片上实现复杂的逻辑电路。本章还将介绍多层互连（multi-layer interconnect）的结构与工艺，以及它们在提高器件性能和减小芯片面积方面的作用。 第八章：器件的“体检”——性能表征与可靠性分析 制造出器件只是第一步，对其性能的精确表征和可靠性分析是确保其最终产品质量的关键。本章将介绍一系列用于评估微纳器件性能的测量技术。 我们将首先介绍电学参数的测量，如I-V特性曲线、阈值电压、亚阈值摆幅、漏电流等，以及用于测量这些参数的仪器（如参数分析仪）。光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和透镜扫描电子显微镜（TEM）等成像技术将被详细介绍，它们用于观察器件的微观形貌和结构。X射线衍射（XRD）、俄歇电子能谱（AES）和X射线光电子能谱（XPS）等表面分析技术也将被介绍，用于表征材料的成分和晶体结构。 此外，本章还将重点关注器件的可靠性问题，包括热应力、电迁移、栅氧化击穿、以及在不同环境条件下的失效模式。我们将介绍加速寿命测试（ALT）等方法，以及如何通过工艺优化来提高器件的可靠性。 第九章：微纳技术的“无限可能”——应用领域拓展 微纳制造技术的发展不仅驱动了集成电路产业的飞速进步，更在众多新兴领域展现出巨大的应用潜力。本章将聚焦于微纳制造在不同领域的创新应用。 我们将探讨微纳技术在生物医学领域的应用，如微流控芯片（microfluidic chips）在疾病诊断、药物筛选和基因测序中的作用；生物传感器（biosensors）的开发；以及微型手术器械和可植入式医疗设备。 在传感器技术方面，我们将介绍微纳制造如何实现高灵敏度、低功耗的各类传感器，包括MEMS加速度计、陀螺仪、压力传感器、麦克风等，以及它们在消费电子、汽车电子和物联网（IoT）中的广泛应用。 此外，本章还将展望微纳制造在新能源（如微型太阳能电池）、光电子学（如微光学元件、光通信器件）、以及先进封装技术等领域的未来发展趋势。 本书致力于为读者构建一个关于硅基微纳制造工艺的完整知识体系，从基础理论到实际应用，力求提供最前沿、最深入的见解，帮助读者理解并掌握这项推动现代科技发展的关键技术。

评分☆☆☆☆☆

我注意到这本书在介绍MEMS传感器的部分，并没有停留在对各种传感器原理的简单罗列，而是着重于它们在实际工作中所面临的挑战和解决方案。例如，在讨论微加速度计的时候，书中花了不少篇幅去分析不同结构下传感器的动态响应、非线性误差以及如何通过补偿算法来提高精度。它甚至还涉及到了一些环境因素对传感器性能的影响，比如温度变化、湿度以及电磁干扰等，并给出了相应的防护和优化措施。让我印象深刻的是，书中关于微流控芯片的章节，不仅介绍了其基本设计原理，还详细阐述了在微通道内实现高效混合、分离和检测的技术难点，以及当前主流的解决方案。这种将理论与工程实际紧密结合的写作方式，让这本书的实用性大大增强。我感觉这本书的内容更新也比较及时，涉及了一些最新的研究进展和技术趋势，对于希望了解MEMS领域前沿动态的读者来说，是个不错的选择。

评分☆☆☆☆☆

不得不说，这本书的语言风格相当学术化，但又不像某些纯理论书籍那样晦涩难懂。它在讲解复杂概念时，通常会辅以大量的图表和实例，使得抽象的概念变得更加具象化。比如在介绍压电驱动MEMS器件时，作者详细阐述了压电材料的晶体结构、电畴翻转机制，以及如何将其应用于微致动器。书中还深入探讨了MEMS器件的封装技术，这对于保证器件的可靠性和长期稳定性至关重要。作者详细分析了不同封装方式的优缺点，以及在实际应用中需要考虑的因素，比如密封性、热管理和电互连等。我个人觉得，这本书的内容涵盖面非常广，从基础的材料选择到复杂的器件设计，再到最后的封装和测试，几乎囊括了MEMS技术发展的全过程。它提供了一种非常全面的视角来审视MEMS技术，让我对这个领域有了更系统、更深入的认识。

评分☆☆☆☆☆

哇，刚拿到这本《微电子机械加工系统（MEMS）技术基础》，迫不及待地翻阅了一下。这本书的装帧设计很有科技感，封面颜色搭配沉稳又不失活力，让人一看就知道是专业领域的书籍。内容上，它似乎并没有像很多入门书籍那样，上来就堆砌一堆晦涩难懂的理论公式。相反，它从最基础的原理讲起，比如MEMS器件的种类、不同加工技术的概述，比如光刻、刻蚀、薄膜沉积等，都介绍得非常细致。我特别喜欢它对这些工艺的图文结合讲解，那些剖面图和流程图清晰地展示了微观世界里精密的加工步骤，让我这个非专业人士也能大致理解其过程。书中还涉及了一些MEMS器件的应用案例，比如加速度计、陀螺仪，甚至是微流控芯片，这些都让我感到非常震撼，原来我们生活中很多看似神奇的技术，背后都有这样一套复杂的微加工体系支撑。虽然我还没有深入阅读所有章节，但从目前的翻阅来看，这本书的知识点衔接得很自然，循序渐进，理论与实践相结合，非常适合想要了解MEMS技术的朋友。

评分☆☆☆☆☆

我发现这本书的独特之处在于，它并没有将MEMS技术局限于半导体产业，而是展现了其跨学科的潜力。例如，书中有一章专门讨论了MEMS在生物医学领域的应用，包括微型生物传感器、药物输送系统以及微创手术器械等。作者详细阐述了在生物环境中实现MEMS器件的生物相容性、微流体控制以及与生物信号的接口问题。这让我看到了MEMS技术超越传统电子领域的广阔前景。此外，书中还涉及到一些MEMS材料的创新，比如柔性MEMS、可穿戴MEMS等，这些都展现了MEMS技术的无限可能性。这本书的写作方式很善于引导读者思考，它不仅仅是知识的传递，更是一种思维方式的启迪。通过阅读这本书，我不仅了解了MEMS技术本身，也对未来科技的发展有了更深刻的理解。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事风格相当严谨，感觉作者是一位经验丰富的工程师，或者说是深耕该领域的学术研究者。它并没有过多地去渲染MEMS技术的“高大上”，而是沉下心来，把每一个环节都剖析得淋漓尽致。比如在讲到微机械加工的各种限制条件时，作者会详细列举出材料的特性、设备的精度、环境的影响等等，并且会给出相应的解决方案或者优化思路。我注意到其中有一个章节，似乎在讨论微纳加工中的应力控制问题，这对于MEMS器件的性能和可靠性至关重要，而作者对此的阐述是极其深入的，从应力产生的根源到如何通过工艺调控来减小应力，都做了细致的分析。这种深入到“骨子里”的讲解，对于真正想要掌握MEMS技术核心的人来说，价值是巨大的。它不是那种浅尝辄止的科普，而是让你去理解“为什么”以及“怎么做”。我个人觉得，这本书的内容密度很高，每一页都可能蕴含着重要的信息，需要静下心来，慢慢品味。

评分☆☆☆☆☆

凑合吧，呵呵哈哈哈和

评分☆☆☆☆☆

较实用，理论性强，值得好好学习的参考书

评分☆☆☆☆☆

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评分☆☆☆☆☆

适用于MEMS初学者

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教材用书，准备好好看看，深入浅出

评分☆☆☆☆☆

教材用书，准备好好看看，深入浅出

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评分☆☆☆☆☆

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