一顆MEMS聲學(xué)傳感器典型的產(chǎn)品構(gòu)造圖詳解

用MEMS技術(shù)制造的新型傳感器，就稱為MEMS傳感器。一般傳感器的主要構(gòu)造有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源四部分組成。那么，MEMS傳感器的主要構(gòu)造是怎樣的呢？ MEMS芯片和集成電路芯片是現(xiàn)代電子技術(shù)中重要的兩種芯片類型。雖然它們在一些方面有共同之處，但在實際應(yīng)用中，它們有一些明顯的區(qū)別。集成電路芯片是電路和電子元件的集合，由大量的晶體管、電容、電阻和其他元件組成。它們廣泛應(yīng)用于計算機、手機、電視等消費類電子產(chǎn)品中，是電子設(shè)備的核心。

集成電路芯片制造技術(shù)越來越成熟，尺寸越來越小，功耗越來越低，性能越來越高。MEMS芯片是小型機電系統(tǒng)的集合，具有小型化、低功耗和多功能特點。MEMS芯片廣泛應(yīng)用于氣壓計、加速度計、陀螺儀、傳感器等領(lǐng)域。MEMS芯片制造技術(shù)相對較新，需要更高的制造精度和技術(shù)成本，但它們可以實現(xiàn)微型化，使傳感器和器件更加精簡。

下面展示了一顆MEMS聲學(xué)傳感器典型的產(chǎn)品構(gòu)造示意圖，圖中可以觀察到MEMS傳感器的構(gòu)成：主要有MEMS芯片——用來感知信號，即相當(dāng)于敏感元件；以及ASIC芯片——用來處理信號，即轉(zhuǎn)換與變換元件。 MEMS芯片和ASIC芯片也是一個MEMS傳感器中技術(shù)和價值含量最高的部分。

▲MEMS聲學(xué)傳感器構(gòu)造圖（來自歌爾微招股書）

那么，MEMS芯片與集成電路芯片有什么區(qū)別？

與集成電路一樣，MEMS芯片廣泛采用硅作為晶圓襯底材料，而基于集成電路制造的光刻、薄膜沉積、刻蝕、摻雜等單項工藝。 相比于集成電路芯片，MEMS芯片通過微機械結(jié)構(gòu)控制物理現(xiàn)象并轉(zhuǎn)換為電信號輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)機械與電子之間的互動。 普通集成電路芯片是在半導(dǎo)體晶體中，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，為了在一定面積的晶圓內(nèi)塞入更多的晶體管等元件（這代表更強的性能），因此集成電路芯片追求更高的制程。 相比集成電路芯片，MEMS芯片包含了機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)機械與電子之間的互動，且微機電系統(tǒng)由尺寸為1至100微米的部件組成，一般微機電設(shè)備的通常尺寸在20微米到一毫米之間，相比集成電路芯片不需要追求制程的先進(jìn)性，但更注重制造工藝的開發(fā)。 MEMS芯片有“一種產(chǎn)品一種工藝”的說法，目前沒有一種統(tǒng)一的工藝能滿足全部MEMS器件制造的需求，這也限制了MEMS傳感器的量產(chǎn)和研發(fā)速度，因此通用MEMS工藝成為MEMS傳感器芯片中的研發(fā)重點之一。

什么是ASIC芯片？MEMS傳感器的ASIC芯片相比其他ASIC芯片有什么特別？

MEMS芯片負(fù)責(zé)感知信號，將測量量轉(zhuǎn)化為電阻、電容等信號變化；ASIC芯片負(fù)責(zé)將電容、電阻等信號轉(zhuǎn)換為電信號，其中涉及到信號的轉(zhuǎn)換和放大等功能。 由于MEMS芯片的特殊性，其模擬輸出量往往是十分微弱的或者有非常規(guī)的使用條件，通用的ASIC芯片無法達(dá)到其要求，常規(guī)的ASIC設(shè)計公司也無法設(shè)計出令MEMS傳感器廠家滿意的芯片。所以造成了MEMS行業(yè)普遍的“缺芯之痛”現(xiàn)象，這個“芯”指的就是MEMS專用的ASIC。因此，MEMS專用ASIC的設(shè)計是MEMS技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)。

MEMS芯片的主要制造工藝

MEMS工藝以成膜工序、光刻工序、蝕刻工序、鍵合工序等常規(guī)半導(dǎo)體工藝流程為基礎(chǔ)。

SOI晶圓

SOI是Silicon On Insulator的縮寫，即絕緣襯底上的硅，該技術(shù)是在頂層硅和背襯底之間引入了一層埋氧化層。在MEMS中可以使用氧化膜層作為硅蝕刻的阻擋層，因此能夠形成復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)。

晶圓粘合/熱剝離片工藝 通過使用支撐晶圓和熱剝離片，可以輕松對薄化晶圓進(jìn)行處理等。

晶圓鍵合

晶圓鍵合是晶圓級的封裝技術(shù)，用于制造微機電系統(tǒng)（MEMS）、納米機電系統(tǒng)（NEMS）、微電子學(xué)和光電子學(xué)，從而確保機械穩(wěn)定且密封的封裝。 晶圓鍵合工藝，是指通過溫度、壓力、電壓等外部條件的作用，讓兩個襯底材料（如硅-硅或硅-玻璃等）形成足夠的接觸，最終通過相鄰材料的界面之間形成的分子鍵作用力或化學(xué)鍵，將兩個襯底材料結(jié)合為一體的技術(shù)。 晶圓鍵合大致分為“直接鍵合”、“通過中間層鍵合”2類。

直接鍵合不使用粘合劑等，是利用熱處理產(chǎn)生的分子間力使晶圓相互粘合的鍵合，用于制作SOI晶圓等。 通過中間層鍵合是借助粘合劑等使晶圓互相粘合的鍵合方法。

晶圓鍵合技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，可以實現(xiàn)不同材料間的無縫連接，從而創(chuàng)造出更加復(fù)雜、高性能的器件。

MEMS芯片三種制造工藝

體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)、LIGA技術(shù)等是MEMS制造的主要工藝，前兩者目前應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟。 體微加工（Bulk Micromachining)，是一種通過各向異性或各向同性刻蝕襯底的方法在硅襯底上制造各種機械結(jié)構(gòu)器件的技術(shù)。其特點是設(shè)備簡單、投資少，但只能做形狀簡單的器件，深寬比小的器件。是通過對硅材料的腐蝕得到的，消耗硅材料較多(有時稱作減法工藝），而且只能以硅材料為加工對象。是指將硅襯底自上而下地進(jìn)行刻蝕的工藝，這種技術(shù)通過各向異性或各向同性刻蝕襯底的方法在硅襯底上制造各種機械結(jié)構(gòu)器件，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是制備具有立體結(jié)構(gòu)的MEMS器件的重要方法。

▲MEMS芯片體微加工流程

表面微加工(Surface Micromachining)，涉及的主要技術(shù)包括薄膜淀積、光刻和刻蝕：薄膜淀積技術(shù)是指在襯底表面通過物理或化學(xué)方法沉積一層納米級或微米級厚度的薄膜；光刻是一種將光學(xué)掩模版上的圖形復(fù)制到襯底表面的工藝，即通過對光刻膠層進(jìn)行有選擇性的光源照射，改變膠層的化學(xué)性質(zhì)，然后利用顯影液溶解光刻膠上發(fā)生化學(xué)變化的可溶解區(qū)域得到圖形的過程。 表面微加工技術(shù)通過在犧牲層薄膜上淀積結(jié)構(gòu)層薄膜，再移除犧牲層釋放結(jié)構(gòu)層，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)可動的目的，其主要步驟包括淀積薄膜、光刻圖形化、淀積犧牲層薄膜、犧牲層圖形化、淀積機械結(jié)構(gòu)層薄膜、機械結(jié)構(gòu)層圖形化、去除犧牲層（釋放結(jié)構(gòu)）表面微加工技術(shù)可以實現(xiàn)加工10μm厚度內(nèi)的微結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)多層懸空結(jié)構(gòu)，是MEMS加工工藝中不可替代的微加工技術(shù)，因其加工結(jié)構(gòu)的特殊性而對器件的力學(xué)性質(zhì)要求較高，并且需要解決粘連、殘余應(yīng)力、摩擦、驅(qū)動等問題。

▲MEMS芯片表面微加工流程

LIGA工藝（光刻、電鑄和模造）是德語光刻(Lithographie)、電鍍（也稱電鑄）(Galvanoformung)和壓模(Abformung)的簡稱。LIGA技術(shù)可加工金屬、塑料等非硅材料，同時可加工深寬比大的零件，這是體微加工和表面微加工難以做到的。但該工藝要通過同步加速器輻射裝置產(chǎn)生的高能射線作為主要的加工方法，設(shè)備昂貴，投資大。 LIGA四個工藝組成部分：LIGA掩模板制造工藝；X光深層光刻工藝；微電鑄工藝；微復(fù)制工藝。

▲LIGA工藝流程

MEMS芯片中的濕法刻蝕和干法深刻蝕

硅的濕法各向異性刻蝕是最早開發(fā)的微加工技術(shù)，濕法刻蝕是利用被刻蝕材料與刻蝕溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕，而干法深刻蝕是利用深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）進(jìn)行硅的各向異性刻蝕。 濕法刻蝕憑借其工藝簡單、成本較低等優(yōu)勢在加速度傳感器、壓力傳感器等器件中有著廣泛的應(yīng)用。最早的刻蝕技術(shù)是利用溶液與薄膜間所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，來去除薄膜未被光刻膠覆蓋的部分，而達(dá)到刻蝕的目的。濕法刻蝕需要用到的材料和儀器有刻蝕溶液、反應(yīng)器皿、控溫裝置、清洗機等，常用的各向異性刻蝕溶液為KOH溶液、四甲基氫氧化銨（TMAH）聯(lián)氨的水溶液等。 干法深刻蝕以其高深寬比的特性，正在被越來越多地應(yīng)用于體微加工技術(shù)，利用不同的刻蝕氣體及保護(hù)氣氛，干法刻蝕也可以刻蝕多晶硅、二氧化硅、金屬等材料，具有極高的應(yīng)用價值。

目前，干法深刻蝕已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微傳感器、微執(zhí)行器、微醫(yī)療器件等領(lǐng)域。 干法深刻蝕具有以下特點：刻蝕速率較高，比一般的濕法刻蝕速率的2~15倍；具有高深寬比，能夠穿透整個硅片；被刻蝕材料的晶向?qū)涛g結(jié)構(gòu)基本無影響，能夠刻蝕出任意形狀的垂直結(jié)構(gòu)；被刻蝕材料與阻擋材料的刻蝕選擇比高，容易保護(hù)。干法深刻蝕是利用氟基化物六氟化硫（SF6）氣體放電產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行刻蝕，同時利用保護(hù)氣體把六氟化硫的各向同性刻蝕轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋钥涛g，由此實現(xiàn)深刻蝕。

硅深度蝕刻

集各向異性蝕刻和各向同性蝕刻的優(yōu)點于一身的博世工藝技術(shù)已經(jīng)成為了硅深度蝕刻的主流技術(shù)。

通過重復(fù)進(jìn)行Si蝕刻?聚合物沉積?底面聚合物去除，可以進(jìn)行縱向的深度蝕刻。 側(cè)壁的凹凸因形似扇貝，稱為“扇貝形貌”。

成膜

ALD是Atomic Layer Deposition（原子層沉積）的縮寫，是通過重復(fù)進(jìn)行材料供應(yīng)（前體）和排氣，利用與基板之間的表面反應(yīng)，分步逐層沉積原子的成膜方式。 利用這種方式，只要有成膜材料可以通過的縫隙，就能以納米等級的膜厚控制，在小孔側(cè)壁和深孔底部等部位成膜，在深度蝕刻時的聚合物沉積等MEMS加工中形成均勻的成膜。

結(jié)語

MEMS傳感器已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面，無論是智能手機還是汽車，從智能工廠到醫(yī)療設(shè)備，都離不開它們。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，利用MEMS技術(shù)制造的產(chǎn)品已經(jīng)成為半導(dǎo)體傳感器銷售額的近四分之三。而在全球傳感器總出貨量中，MEMS器件更是占據(jù)了驚人的54%。這充分說明了MEMS技術(shù)的重要性和應(yīng)用范圍的廣泛性。 MEMS芯片所需的半導(dǎo)體制造設(shè)備制程主要處于微米級，并不涉及到先進(jìn)制程，目前，先進(jìn)國家并沒有禁止中國對于MEMS制造設(shè)備的獲取。 MEMS，有望成為中國半導(dǎo)體的突破口！

編輯：黃飛

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