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一、概况

北京大学微电子学研究院集成微纳系统中心成立于1996年,多年来在王阳元院士的指导下,致力于微纳加工技术、微纳米器件和集成微纳系统研究。本中心是微米/纳米加工技术重点实验室的重要组成部分。

本中心所现有研究人员14人,其中教授7人,教授级高工2人,副教授5人。是一个以中青年科研人员为骨干的创新性研究团队。研究人员中 80%以上具有在国外长期从事研究工作的经历。此外,中心还从国内外聘请了十几名客座教授和研究人员。

5年来,集成微纳系统中心承担国家科技重大专项、国家973计划、国家863计划、国家自然科学基金、重点实验室建设、地方和部委科研项目、以及国际国内合作等各类研究项目150余项,在硅基MEMS关键加工技术和成套工艺、先进MEMS材料加工工艺、MEMS设计方法学、工艺建模与仿真、MEMS/IC单片集成技术、微纳跨尺度加工技术、惯性MEMS器件及系统、射频MEMS器件及系统、光学MEMS器件及系统和生物MEMS器件及系统等方面取得了高水平的研究成果。五年来,发表SCI/EI论文341篇,申请专利154项,其中国际专利1项。

在积极开展研究工作的同时,本中心十分重视人才的培养,近5年已培养博士、硕士研究生91出站博士后15人。目前在读博士和硕士生91,在站博士后3人,中心每年都选派优秀的学生到国外大学、研究院所进修交流、参加学术会议或工作。针对微纳技术研究多学科交叉的特点,除微电子专业的学生外,集成微纳系统中心还广泛吸纳电子、机械、物理、生物、力学等专业的学生与博士后人员,并将逐步扩大研究生培养计划。

集成微纳系统中心也一直致力于促进技术和研究的应用,十分注重科研成果的产业化转移。以实验室和中心开发的技术为基础,成立了我国第一个MEMS制造企业—青鸟元芯微系统科技有限公司,并建立了无锡集成微纳系统工程技术研究中心,初步形成了科技成果向产业化转移的有效机制和平台。

二、主要研究方向

集成微纳系统中心重点开展微纳技术的基础研究和应用基础研究,研究方向包括:

(一)微纳加工技术

Ø 硅基MEMS关键工艺与标准工艺

在国内首次引进的高密度等离子硅刻蚀系统上开发了高深宽比硅深刻蚀方法,攻克了宽窄开口区刻蚀深度不同(LAG效应)的国际难题;钻蚀效应抑制技术成功保护了微结构的完整性和尺寸精度;开发的平滑侧壁深刻蚀技术将微结构侧壁粗糙度减小到原厂工艺的三分之一;发明的多层硅台阶刻蚀技术拓展了成套工艺能力;提出了硅表面离子注入非晶化处理方法,解决了金硅反应的各向异性问题,成功实现无空洞键合;开发的KOH凸角腐蚀补偿方法被JMM杂志列为国际七种效果明显的补偿方法之一,而且是占用面积最小的方法,更结合凸角补偿图形提出了KOH腐蚀速率在线监控方法,腐蚀速率监控精度小于0.02微米/分钟;突破了多晶硅薄膜应力控制技术和抗粘附释放技术,成功释放出平直的微结构。

在一批关键技术支持下,自主开发了多套标准工艺,建立了具有国际先进水平的开放的硅基MEMS加工技术平台,其中键合深刻蚀释放标准工艺成为被国内MEMS器件研制采用最多的工艺流程,可裁剪、面向多种器件的压阻式MEMS工艺首次在国内实现了200万以上压力计芯片批量生产。在MEMS加工技术方面的研究成果获得了2006年国家技术发明二等奖。

Ø 集成加工技术

开发出多套集成工艺方案:单晶衬底的电容式体硅集成工艺采用准POST CMOS集成方案,利用高深宽比隔离槽实现机械结构和电路部分的电气隔离和机械连接,可以实现高深宽比体硅结构与信号处理电路的单芯片集成;采用SOI CMOSSOI微机械加工技术的SOI集成工艺实现了微悬臂梁阵列与传感器信号调理电路的单片集成;针对薄膜压阻类传感器开发了集成化压阻工艺,采取压阻和CMOS工艺相结合的方法,满足了压力计、加速度计、流量计等多种器件研制需求。

Ø 微纳跨尺度加工技术

提出并开发了聚焦离子束应力引入及流体化微纳加工技术、基于氧等离子体轰击光刻胶引入纳米材料的纳米结构加工技术等原创性技术方法;提出并开发了基于新型侧墙工艺的多样性纳米结构加工技术、纳米颗粒图形化自组装辅助微加工技术、多样性边缘光刻等创新性技术方法,加工特征尺寸达10-100纳米,具有广泛的材料适用性。运用这些技术制备出了多样化的纳米结构和微米/纳米复合结构,如微米三维立方体、纳米螺旋及其阵列、纳米弦及其阵列、纳米网孔薄膜、大面积及图形化纳米森林、特种花瓣状结构阵列、二维纳米阵列、高深宽比纳米槽等。

Ø 新材料加工工艺

开发了一系列新型PECVD SiC MEMS器件加工工艺,实现了薄膜的应力控制和电学性能的改善,在此基础上开展了适用于恶劣环境的SiC MEMS压力传感器和谐振器研究,将SiC应用于封装技术,提高了传统器件的适用范围和性能;开发了基于氮化镓的MEMS工艺,实现了氮化镓微结构的全干法释放,利用各向异性和各向同性刻蚀相结合的技术,开发出具有较小横向刻蚀的深释放技术。实现了氮化镓MEMS器件与HEMTs等电子器件的集成制造;建立起了PMMAPDMSSU-8等多种常用聚合物加工技术,用于生物MEMS器件的加工与封装。最近引进了Parylene C(聚对二甲苯 C型)真空淀积设备,已经可以进行多种衬底的Parylene薄膜淀积、刻蚀和填充等,并应用多种柔性MEMS器件的研究中;应用Parylene/PDMS复合材料制备出低小分子扩散、低蛋白粘附的微流控芯片新材料。

Ø 金属基MEMS加工技术

开展了多种金属基底的圆片级三维微细加工研究,目前已开发出钛、钼、钨的高深宽比深刻蚀(DRIE)、湿法腐蚀、化学机械抛光、纳米结构多孔氧化钛薄膜的制作工艺,形成了与CMOS相容的工艺集成、MEMS-精密机械跨尺度融合制造两条工艺路线;在工艺开发的基础上,发展出金属基微传感器、微小金属结构件、植入式生物医学器件等新应用。

Ø MEMS封装技术

从芯片级封装、器件级封装和基板级封装多个层面开展基础研究和应用基础研究,这些研究的主要应用对象是微加速度计、微陀螺仪、压力传感器、微流控芯片和射频MEMS器件等。其中,芯片级封装包括硅/玻璃/硅结构、玻璃//玻璃结构、塑料和SiC封装;器件级封装包括低温金属封装、高性能陶瓷封装和低成本塑料封装;基板级封装包括基于PCBMEMS模块集成、基于LTCCMEMS先进封装和基于玻璃基板的生物芯片分析系统封装。

Ø 微结构参数提取和工艺质量监控技术

发明的拉压式和力矩式微小结构键合强度检测方法,突破了传统方法不能实现小面积键合强度在线检测和参数提取的难题,分辨率达到专业设备水平;开发了用于键合深刻蚀释放标准工艺的在线式微梁结构力学特性提取方法和微梁结构断裂强度检测方法,实现了对微米尺度微结构的参数提取和断裂强度检测,该方法也可作为硅深刻蚀过蚀量监控手段。向IEC提交了“微键合区剪切和拉压强度检测方法”和“版图设计基本规则”两项国际标准建议稿。

Ø 工艺仿真与设计

2003年开发完成了国内第一套具有自主知识产权的MEMS CAD工具软件IMEE1.02004年在国际上第一个提出并完成了DRIE工艺的建模与模拟软件;2005年与国际知名的MEMSCAD公司IntelliSense合作实现了商业化,作为其软件的独立模块RECIPE在全球销售,目前已经在全球销售20多套。

(二)微纳传感器与执行器

Ø MEMS传感器

MEMS惯性传感器是研究所最早开展的器件研究方向之一,历经十余年的发展,先后开展了多种不同结构和检测方式的MEMS加速度计和陀螺研究,研制出电容式三轴加速度计、谐振式加速度计、隧道式加速度计、高量程压阻式加速度计、电容式微机械陀螺等器件。近年来,集成微纳系统中心研制了多种电容式微机械陀螺,实现了微陀螺的闭环检测,零偏稳定性优于10°/h。目前,部分惯性传感器研究成果已经初步实现产业化转移。在硅压力传感器方面开展了大量的研究工作,先后开展了单晶硅、SOI压力传感器的研究,研制出了工业压力仪表用压力敏感元件、大气压力敏感元件、耐高温压力敏感元件及传感器等。

Ø 微纳流控系统与生化MEMS器件

研制了基于环形叉指电极的细胞电穿孔芯片,其细胞转染率和存活率远高于已报道微芯片和大型商用电穿孔仪;利用微流体层流实现高性能集成流式电穿孔芯片;研制了带有柔性薄膜微电极用于活体细胞电穿孔,实现了活体肿瘤细胞抑制;提出了基于柔性衬底三维电极和基于本征非晶硅的光电导特性的光可控微电极阵列,均优于现有视网膜芯片;提出并实现了表面微流道器件以及微流控SERS器件;利用纳米颗粒自组装方法获得简易、快速、表面易于修饰的纳流体器件,并验证了其在生物传感中的应用潜力,获得了电学读出的、nM量级的蛋白质检测新手段;通过微流控技术实现了片上高温(大于100oC)高压(大于5atm)的水基样品连续反应芯片(水环境样品的热消解)。提出了一种新的薄膜氧化锡制备工艺,利用退火和As离子注入等系列改性方法获得了本征P型和本征N型氧化锡薄膜材料,明显提高了SnO2的气敏特性。进行了悬臂梁气敏传感器芯片和封装结构的热设计和优化,实现了传感器低功耗。在此基础上研制的气体传感器响应时间小于1秒(甲烷小于0.5秒)。

Ø 光学MEMS

提出并实现了结构一体化光开关、光可变衰减、光可调功率分配多功能MEMS器件,MEMS光开关光可变衰减器单片集成芯片,以及由复合静电驱动结构致动的新型扭转微镜,研制了16×16二维光开关阵列,该器件在加工上不受硅晶向限制,具有平整光滑的高反射镜面(反射率为93.1%~96.3%)和稳定的“开”状态,具有良好的耐疲劳性,可实现109以上的连续驱动,并单片集成有光纤槽结构,最短距离光纤-微镜-光纤的插入损耗达到了2.1 dB。开展了基于MEMS技术的非制冷红外成像技术和太赫兹探测技术研究,分别利用牺牲层工艺和体硅工艺制备出包含256´256个像素的红外焦平面阵列,研制出MEMS非制冷红外探测器演示样机,并实现了人体的室温红外成像,系统的噪声等效温差小于200mK

Ø RF MEMS

在表面微机械加工工艺、体硅/SOI加工工艺、电镀加工等工艺研究基础上,开发出多种RF MEMS器件,包括可调电容、电感、开关/继电器、移相器、微机械式谐振器/滤波器、单片集成MEMS LC振荡器等,这些器件表现出比传统元件更优越的内在射频性能,而且能与有源电路实现单片集成。首创了SiN隔离、非掺杂多晶硅隔离和部分释放技术;发明了弹片触点高功率处理能力MEMS开关;在实验上构造出具有吸合和突跳两种失稳状态的拱形梁用于开关驱动,建立可以同时解释两种力学现象的理论模型。

Ø 纳米器件

通过交叉侧墙工艺与传统体硅工艺相结合,将纳米针尖制作在悬臂梁自由端部,形成悬臂梁式纳米探针结构;将FIB应力引入技术和FIB-CVD技术相结合,加工实现了金属纳米螺线管电感;利用所提出的“纳米厚度梁预成型/键合/深刻蚀释放”工艺,加工出了纳机电惯性敏感结构;实现了基于纳米森林结构和特种花瓣状阵列结构的表面增强拉曼散射(SERS)基底和微流控SERS器件。

Ø 微型能量采集器

利用振动能量采集原理,提出了单片的电磁和压电复合式的低频振动能量采集器并在52Hz下实现了55μW的输出。利用微纳复合结构能够提高表面吸收率和拓宽光谱的特点,研发了能够在宽光谱下实现高光电转换效率的高性能太阳能电池,在100-2500nm的范围内反射率低于0.5%,为物联网智能节点的自供电提供了较好的解决方案。

Ø PIN辐射探测器

与重庆大学共同开展了振动式静电微型发电机设计与制备技术研究。通过微加工工艺技术,研制开发了高性能PIN辐射探测器,目前能够提供厚度100μm~1000μm,多种形状的离子注入型PIN辐射探测器,开发的探测器已经在我国在轨卫星以及地面核物理研究中有多项应用。

(三)微纳系统集成技术

Ø 单片集成技术

利用体硅集成加工技术实现了MEMS陀螺、压力计、流量计与信号调理电路的单片集成。利用SOI集成加工技术实现压阻式微悬臂梁与CMOS电路的单片集成。开展了单芯片MIMU关键器件的研究,开发出采用不等高梳齿检测电容的水平轴微机械陀螺,可在大气环境下工作,其加工工艺与z轴陀螺和加速度计工艺完全兼容,可以在单个芯片上实现三轴的加速度计和陀螺,为实现低成本的单芯片微惯性测量系统奠定基础。

Ø TSV 三维集成

本中心自2007年开始进行基于TSVThrough Si Via)的三维高密度集成/封装技术的研究,与IntelSamsungAstri进行了深入的国际合作。2009年参与国家科技重大发展计划,负责“基于TSV 的三维封装关键技术”课题,主要包括关键工艺模拟仿真、包括TSV深孔加工、深孔填充、圆片减薄以及芯片/晶圆之间的键合等关键技术的成套工艺研究开发以及演示系统,在国内首次实现4层堆叠TSV模块。2012年作为主承担单位获得国家973计划支持,深入研究三维高密度集成的基础理论、关键方法以及典型器件制备。

Ø 芯片实验室(LOC

实现了BioMEMS及微纳流控系统集成:首次将自组装生物体系、MEMS、微流控系统和CMOS集成在单个芯片中,实现SOCLOC的融合;将离心分离原理应用在微流控芯片中;研制出微悬臂梁式传感器(包括压阻式微悬臂梁、MOSFET嵌入式悬臂梁、耦合式悬臂梁高灵敏传感器)及其生化传感检测仪,采用微悬臂梁传感器成功实现多种生物毒素、葡萄糖等的生化传感检测。

Ø 低温共烧陶瓷(LTCC

对具备精细化、高密度化、3维化立体互连的电路封装用LTCC开展研究,同时对可内嵌于LTCC基板中的、基于LTCC的微系统功能结构以及相应的封装工艺开展了积极探索。取得的成果包括:具有精密互连、内嵌散热微流道/微加速度计等微功能结构的微系统封装基板加工技术及相应的设计技术、基于LTCC基板的真空封装技术等。

三、近期主要研究成果(附2-3张图)

Ø 多样性纳米结构

集成微纳系统中心吴文刚教授课题组利用对双层自组装纳米颗粒刻蚀的方法实现了一种新型三维花瓣状阵列结构,称之为三花瓣状阵列结构(Tri-Petaloid Arrayed Structure,简称TPAS),该结构的制备具有可重复性、可控性和低成本等优点,有望提高传感效率,获得增敏表面。相关工作发表在著名期刊Small上(Chuang Qian, et al., Small, 2011, 7(13): 1801-1806.)。

说明: C:\Users\mems\Pictures\水平轴音叉陀螺.tif DSCF0660

集成微纳系统中心开展多种惯性器件制备工作。闫桂珍教授、杨振川副教授课题组开发的不等高梳齿技术,可以实现在大气环境下工作的水平轴陀螺,相关成果连续三年在MEMS领域顶级会议(MEMS200820092010 Transducers2009)和学术期刊(EDLJMEMSJMMS&A)上发表,左图为采用不等高梳齿的双解耦水平轴音叉陀螺照片;郝一龙教授、高成臣教授长期开展MEMS加速度计研究,右图为典型的三明治加速度计敏感单元照片。

Integration Figure 6

集成微纳系统中心开展多种MEMS-CMOS的集成制造研究。中心于晓梅教授课题组开展了基于SOI CMOS的微悬臂梁与信号调理电路的单片集成技术研究。单片集成工艺采用SOI硅片,基于硅岛隔离的intermediateCMOS集成工艺方案,在制备SOI CMOS电路的同时完成单晶硅力敏电阻的制备,最后采用MEMS工艺释放悬臂梁,左图为 MEMS-CMOS集成的微悬臂梁传感器。张大成教授课题组应用微电子学研究院工艺实验室开展MEMS-CMOS集成的微流量计研究,右图为最终器件SEM,所制备的微流量计。

四、所领导班子和电话

所长:金玉丰教授,yfjin@pku.edu.cn

副所长:陈兢副教授,mems@pku.edu.cn

副所长:杨振川副教授,z.yang@pku.edu.cn

副所长:王玮副教授,w.wang@pku.edu.cn

五、MEMS研究所主页

http://www.ime.pku.edu.cn/mems/