MEMS傳感器芯片是這樣被制造出來的?。?0+高清大圖）

MEMS芯片和ASIC芯片是一個MEMS傳感器中技術(shù)和價值含量最高的部分。你知道MEMS芯片是怎么被制造出來的嗎？MEMS芯片與集成電路芯片有什么區(qū)別？ 此外，談到MEMS傳感器，我們還常說ASIC芯片，ASIC芯片是什么？對MEMS傳感器有什么作用？MEMS傳感器的ASIC芯片相比其他ASIC芯片有什么特別？ MEMS傳感器的主要構(gòu)造？MEMS芯片與集成電路芯片有什么區(qū)別？ MEMS是Micro-Electro-MechanicalSystem的縮寫，中文名稱是微機電系統(tǒng)，是將微電子電路技術(shù)與微機械系統(tǒng)融合到一起的一種工業(yè)技術(shù)，它的操作范圍在微米尺度內(nèi)。 此外還有納米機電系統(tǒng)( NEMS ) ，是一類在更微小的納米尺度上集成電氣和機械功能的設備，NEMS技術(shù)目前在量產(chǎn)和商業(yè)化上仍存在一些挑戰(zhàn)。 用MEMS技術(shù)制造的新型傳感器，就稱為MEMS傳感器。我們知道，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？ 以下是一顆MEMS聲學傳感器典型的產(chǎn)品構(gòu)造示意圖，我們可以看到MEMS傳感器的構(gòu)造，主要有MEMS芯片——用來感知信號，即相當于敏感元件；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。關(guān)于常見MEMS傳感器的原理和結(jié)構(gòu)，可參看《10大MEMS傳感器原理全解析！》，本文不再贅述。

▲MEMS聲學傳感器構(gòu)造圖（來自歌爾微招股書） 那么，同樣是芯片，MEMS芯片與集成電路芯片有什么區(qū)別？ MEMS器件的制造技術(shù)主要有以美國為代表的集成電路技術(shù)，日本以精密加工為特征的MEMS技術(shù)和德國的LIGA技術(shù)。當前，MEMS芯片采用的就是集成電路技術(shù)，也是目前最廣泛應用的MEMS器件制作加工方式。 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，也成為MEMS芯片制造的通用技術(shù)，主要分為：前端工藝和后端封裝工藝。其中，前端工藝主要包含晶圓清洗、光刻、蝕刻等步驟；后端封裝工藝主要包含測試、封裝和成品檢測。 MEMS芯片和集成電路芯片雖然都是在半導體晶圓上的微型元件，但二者還是有些區(qū)別。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。集成電路芯片主要利用電流、電磁等方式傳輸信號。 普通集成電路芯片是在半導體晶體中，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，譬如CPU、GPU等邏輯芯片，以及存儲芯片等。

▲集成電路CPU芯片內(nèi)部密密麻麻的晶體管等元件 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性，，但更注重制造工藝的開發(fā)。

▲MEMS麥克風芯片的機械構(gòu)造及運動情況（由高精圖像傳感器拍攝）

▲MEMS加速度傳感器芯片的梳妝架構(gòu)

▲MEMS陀螺儀芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 以上，是MEMS麥克風芯片、MEMS加速度傳感器芯片和MEMS陀螺儀芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可直觀看出各自不同的機械結(jié)構(gòu)特征（相關(guān)原理和構(gòu)造請參看《10大MEMS傳感器原理全解析！》）。 同時，每種MEMS傳感器芯片的機械結(jié)構(gòu)特點都大不相同，因此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？ 如上文所述，一個MEMS傳感器里面最重要的芯片為MEMS芯片和ASIC芯片，其中MEMS芯片負責感知信號，將測量量轉(zhuǎn)化為電阻、電容等信號變化；ASIC芯片負責將電容、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。 ASIC芯片即專用集成電路（Application-specific integrated circuit）的縮寫，指針對特定功能開發(fā)的專用芯片。MEMS傳感器里面的ASIC芯片采用與集成電路芯片一樣的制造工藝，因為本身不包含機械結(jié)構(gòu)。 但由于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芯片無法達到其要求，常規(guī)的ASIC設計公司也無法設計出令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的設計是MEMS技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)。 此前，歐盟采用“舉國體制”，集合7個國家10家公司花費1.4億元，研發(fā)下一代紅外傳感器的高效讀出集成電路芯片，即屬于傳感器ASIC芯片的研發(fā)。（參看《歐盟用舉國體制開發(fā)紅外傳感器》）

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)半導體工藝流程為基礎(chǔ)。除通用工藝外，由于MEMS器件結(jié)構(gòu)的特殊性，也衍生出許多特殊制造工藝。

SOI晶圓 SOI是Silicon On Insulator的縮寫，是指在氧化膜上形成了單晶硅層的硅晶圓。已廣泛應用于功率元件和MEMS等，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行處理等。

晶圓鍵合 對于MEMS器件與CMOS 芯片的高度集成，以及許多MEMS都是基于SOI晶圓等技術(shù)基板，這些需求都嚴重依賴晶圓鍵合這一重要工藝。 所謂晶圓鍵合工藝，是指在一定外部條件（溫度、壓力、電壓等）的作用下，使兩個襯底材料（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鍵，將兩個襯底材料結(jié)合為一體的技術(shù)。目前晶圓鍵合工藝技術(shù)可分為兩大類：一類是鍵合雙方不需要介質(zhì)層的直接鍵合，例如Si-Si鍵合；另一類是需要介質(zhì)層的中間材料鍵合，例如聚合物鍵合。 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。

MEMS芯片三種制造工藝MEMS制造工藝主要包括表面微加工技術(shù)、體微加工技術(shù)、LIGA技術(shù)等，目前應用范圍最廣、技術(shù)最成熟的為前兩者。體微加工（Bulk Micromachining)是指將硅襯底自上而下地進行刻蝕的工藝，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)，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。其特點是設備簡單、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。

▲MEMS芯片體微加工流程 表面微加工(Surface Micromachining)是利用薄膜沉積、光刻、刻蝕等方法，通過將材料逐層添加在基底上，用表面生長方法及光刻法在表面制造各種微型機械結(jié)構(gòu)器件，最后去除犧牲層從而構(gòu)造微結(jié)構(gòu)。在襯底頂面沉積和刻蝕如金屬、多晶硅、氮化物、氧化物、有機材料等。 通常使用的沉積技術(shù)是蒸鍍、濺射、絲印、CVD（化學氣相沉積）、電鍍等等，也使用干刻蝕和濕刻蝕技術(shù)。其特點是通過在硅材料上添加各種材料形成所希望的結(jié)構(gòu)，可制作比較復雜的零件，但技術(shù)比較復雜，設備也比較昂貴。

▲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；微復制工藝。

▲LIGA工藝流程 MEMS用到的主要材料是硅，這是因為MEMS加工技術(shù)中最基礎(chǔ)的是硅的刻蝕技術(shù)，利用硅的各向異性刻蝕，可以使硅的不同晶向發(fā)生不同速率的刻蝕，從而形成特定的機械結(jié)構(gòu)，且硅具有良好的機械特性，能夠滿足大部分微傳感器和微執(zhí)行器的材料力學特性的需求，同時采用硅制造能夠與IC集成，形成更加復雜的微系統(tǒng)。

▲MEMS傳感器芯片中，經(jīng)蝕刻之后形成的機械結(jié)構(gòu) 各向同性蝕刻與各向異性蝕刻 通過在低真空中放電使等離子體產(chǎn)生離子等粒子，利用該粒子進行蝕刻的技術(shù)稱為反應離子蝕刻。 等離子體中混合存在著攜帶電荷的離子和中性的自由基，具有利用自由基的各向同性蝕刻、利用離子的各向異性蝕刻兩種蝕刻作用。

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)生化學反應進行刻蝕，而干法深刻蝕是利用深反應離子刻蝕（DRIE）進行硅的各向異性刻蝕，是20世紀70年代以來新發(fā)展的深刻蝕技術(shù)。濕法刻蝕需要用到的材料和儀器有刻蝕溶液、反應器皿、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，這些堿性溶液對硅的刻蝕速率與晶相有關(guān)。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用。 干法深刻蝕是利用氟基化物六氟化硫（SF6）氣體放電產(chǎn)生的等離子體進行刻蝕，同時利用保護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，DRIE主要分為Bosch工藝和低溫刻蝕工藝。干法深刻蝕技術(shù)相比于濕法刻蝕有著更大的加工空間。

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)。

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

成膜ALD（原子層沉積）
ALD是Atomic Layer Deposition（原子層沉積）的縮寫，是通過重復進行材料供應（前體）和排氣，利用與基板之間的表面反應，分步逐層沉積原子的成膜方式。
通過采用這種方式，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器件主要材料是硅，這是因為MEMS加工技術(shù)中最基礎(chǔ)的是硅的刻蝕技術(shù)，這來源于集成電路芯片制造的光刻、薄膜沉積、刻蝕、摻雜等工藝，同樣也是MEMS芯片的通用工藝。 MEMS 傳感器無處不在，從智能手機到汽車，從智能工廠到醫(yī)療設備，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示 ，近四分之三的半導體傳感器銷售額來自利用MEMS技術(shù)制造的產(chǎn)品。MEMS器件現(xiàn)在已經(jīng)占據(jù)全球傳感器總出貨量的54%。 MEMS芯片所需的半導體制造設備制程主要處于微米級，并不涉及到先進制程，目前，先進國家并沒有禁止中國對于MEMS制造設備的獲取，中國大陸半導體設備也能滿足本土MEMS制造需要。 國產(chǎn)MEMS傳感器的研發(fā)，主要問題是工藝的改進、市場的拓展等，隨著近幾年地方政府的重視，各地MEMS中試線、量產(chǎn)線的投入建設，將有助于建立MEMS共性基礎(chǔ)工藝生產(chǎn)體系，提升傳感器企業(yè)MEMS工藝研發(fā)和迭代能力，推動中國MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。 MEMS，有望成為中國半導體的突破口！ 本文部分資料來自：

上海微技術(shù)工研院《上海工研院8寸線鍵合工藝介紹》等內(nèi)容

什么是MEMS？4步圖解MEMS芯片制造

南京理工大學機械工程學院胡藝森《微機電系統(tǒng)制造工藝綜述》

您對本文有什么看法？歡迎在傳感器專家網(wǎng)公眾號本內(nèi)容底下留言討論，或在中國最大的傳感社區(qū)：傳感交流圈中進行交流。

您對本文有什么看法？歡迎留言分享！

順手轉(zhuǎn)發(fā)&點擊在看，將中國傳感產(chǎn)業(yè)動態(tài)傳遞給更多人了解！

審核編輯黃宇