[00914271]航空航天特种MEMS制造技术及其应用

微机电系统(MEMS)具有体积小、成本低、功耗少、响应快等独特优势，为机电产品微型化、集成化带来了变革性发展。然而，航空航天特种MEMS具有高性能、多品种、小批量等特点，属于国外严格禁运的高端芯片产品，必须自主研究适应其特殊性的制造技术。SOI (Silicon-on-insulator)基MEMS较以往硅基MEMS具有机电性能好、可靠性高等优良特性，为发展航空航天特种MEMS提供了重要途径，但面临微米尺度悬置结构精准释放、高深宽比结构可控刻蚀、机电结构协调互联以及加工应力控制等制造难题，为此国际上竞相开展其核心制造技术研究以占领技术制高点。 项目在国家自然科学基金及多项国家研究计划重点项目等支持下，历经10余年，提出单掩膜刻蚀与选择性释放等SOI基MEMS制造新方法，建立成套MEMS制造平台，开发典型制造工艺3套，主持制订出“基于SOI硅片的MEMS工艺规范”国家标准1项，突破深刻蚀、结构释放、沟道隔离、力控制等核心制造环节技术瓶颈，形成以下主要发明点： 1、发现等离子干法刻蚀过程中“根侧蚀效应”产生疏水纳米尖凸的生长规律，在此基础上“变害为利”，发明干湿法相结合的无粘附选择性释放方法，实现了悬置运动微结构精准释放，有效解决了微结构的吸合、粘附等难题，结构完好率达95%,保障了产品长时工作稳定性。 2、阐明等离子体浓度与速度等多参数耦合机理，发明错位光刻等精确刻蚀方法，实现了高深宽比微结构可控刻蚀，加工出异宽比达10:1的等深异宽微结构和深宽比达120:1的纳柱结构，使结构灵敏度提高了100倍。 3、揭示深沟道内多晶硅等梯度定量均匀生长规律，发明基于燕尾互锁结构及V型隔离槽的深沟道隔离填充方法，突破多晶硅完全致密填充等瓶颈，实现了平面内2μm沟道多路横向电隔离，保障了电信号的抗干扰联通。 4、建立真空封装的微结构热传递和应力分析模型，发明在基底层构建应力隔离结构方法，大幅降低了异质材料热失配等造成的应力形变，使芯片的平面翘曲变形量减少90%，实现了微结构的低应力高精度制造。 专家鉴定认为“项目总体技术处于国际先进水平，在干湿法结合的无粘附选择性释放方法方面达到国际领先水平”。 项目获授权发明专利58件，出版《微机电系统制造技术》专著1部，在MEMS领域顶级期刊J.MM等刊物上发表论文80篇，获省部科学技术一等奖等2项。 自主研制的微扫描振镜等6款特种MEMS已用于多项航空航天国家重大专项等：实现了高超声速飞行器超燃发动机内壁高温瞬态剪应力动态测量、C919大飞机超临界翼型剪应力定点定量测量、新型战机前缘涡抑制气动试验、导弹导引头激光雷达三维成像等。制造技术还推广用于60多家单位：定制加工的4款特种MEMS芯片用于国家重大专项核聚变点火工程，微纳卫星姿态调整，批量装备系列弹道导弹和最新型战机等。 项目已产生显著的社会和经济效益，近三年经济效益超过2.5亿元，并在航空发动机、智能制造、机器人、高速列车等领域具有广阔的应用前景。