顧杰斌團(tuán)隊(duì)研發(fā)的MEMS-Casting?技術(shù)實(shí)現(xiàn)了MEMS和鑄造的完美結(jié)合

金屬沉積是制造微電子器件（這里指廣義半導(dǎo)體器件，包括LED、MEMS、模擬器件等）的重要工藝技術(shù)。在許多器件制造需要用到的厚金屬（大于數(shù)十微米）工藝中，電鍍幾乎是目前厚金屬沉積的唯一方式。但如何處理有毒害電鍍廢液，簡化工藝流程，以及解決沉積時(shí)間長等問題，成為多年來困擾行業(yè)發(fā)展的核心要素。

MEMS技術(shù)與鑄造工藝的結(jié)合

金屬鑄造是一種被廣泛使用的金屬制造方法。人類使用鑄造的歷史有5000多年，鑄造的基本原理是將金屬或者合金熔化后注入預(yù)制模具中，待固化后，脫模取出成型鑄件。據(jù)考證，鑄造技術(shù)已有上千年的發(fā)展歷史，約1500BC年前青銅器鑄造開始出現(xiàn)。隨著近代科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，鑄造技術(shù)也隨之不斷發(fā)展。上世紀(jì)60年代，應(yīng)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，一種新的熔模單晶鑄造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)以單晶形式鑄造噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片，從而滿足超高溫度和轉(zhuǎn)速的使用要求。80年代末，真空鑄造的研發(fā)減少了鑄件中的氣泡缺陷，促使鑄件的成型質(zhì)量大幅提高。

MEMS技術(shù)與鑄造的結(jié)合，緣自它們之間的一個(gè)共通點(diǎn)：兩者都是機(jī)械部件制造技術(shù)，區(qū)別在于尺度上存在幾個(gè)數(shù)量級差異。相對于其他機(jī)械加工方法，例如車，銑，拋等，鑄造的長處在于它幾乎一次成形，可免機(jī)械加工或少量加工，降低了成本并在一定程度上縮短了加工周期，而且可成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)械部件。而MEMS技術(shù)是近幾十年從微電子技術(shù)中發(fā)展出來的一項(xiàng)微加工技術(shù)。通過在硅片或者其它襯底上制造出微米尺度的機(jī)械部件，來實(shí)現(xiàn)傳感、執(zhí)行、能量采集等功能。MEMS與鑄造結(jié)合的基本概念是通過體硅刻蝕工藝在硅片（或者其它材料襯底）上制造出需要成型的微模具，然后將微量金屬熔化注入填充并固化成型。

如何將新興的MEMS技術(shù)與傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用在微電子領(lǐng)域從而創(chuàng)造了一項(xiàng)全新的金屬沉積方法，實(shí)現(xiàn)MEMS和鑄造的完美結(jié)合，是中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所顧杰斌博士及其團(tuán)隊(duì)的主要研發(fā)方向。經(jīng)過努力，他們終于開發(fā)并掌握了MEMS-Casting?關(guān)鍵技術(shù)。此技術(shù)的開發(fā)運(yùn)用對微電子相關(guān)領(lǐng)域帶來了革命性的突破， 大大降低了成本、節(jié)省了工藝流程、縮短了工藝周期同時(shí)避免了廢液對環(huán)境的污染及對人體的危害。但是這個(gè)結(jié)合也面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，對于宏觀的鑄件，存在的問題是鑄件內(nèi)部容易產(chǎn)生氣泡或者空洞，這些氣泡或者空洞的尺寸可以達(dá)到毫米級別，已經(jīng)遠(yuǎn)超MEMS結(jié)構(gòu)的尺寸。其次，鑄造通常用于機(jī)械部件而不是電子元件的制造，MEMS鑄件在電性能方面能否滿足器件的要求也需要深入研究。最后，MEMS與鑄造的結(jié)合，不僅僅是將宏觀的模具換成體硅刻蝕的硅微模具這么簡單，因?yàn)殍T件尺寸縮小幾個(gè)數(shù)量級帶來的表面效應(yīng)和溫度效應(yīng)等，在硅微模具的制造、合模、熔融合金的微流控填充，固化過程中的體積收縮問題以及脫模等方面均無法采用宏觀鑄造的方法解決。只有引入相關(guān)的微納尺度效應(yīng)，才能真正意義上實(shí)現(xiàn)MEMS和鑄造的結(jié)合。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，多年來，為了實(shí)現(xiàn)MEMS和鑄造的結(jié)合，顧杰斌博士在英國帝國理工（Imperial College London）讀博期間就開展這項(xiàng)技術(shù)的相關(guān)研究工作，歷經(jīng)十余年，攻破了MEMS和鑄造結(jié)合中的一個(gè)個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。這項(xiàng)研究在國際核心學(xué)術(shù)期刊發(fā)表文章十余篇，并在MEMS相關(guān)國際頂級會(huì)議上與同行進(jìn)行過多次報(bào)告分享。2018年3月，上海邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司成立，同年即獲得中科院旗下中科創(chuàng)星的天使輪投資。公司致力于MEMS-Casting?技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前，擁有從技術(shù)，設(shè)備到工藝的多項(xiàng)完全自主知識產(chǎn)權(quán)。隨著研發(fā)進(jìn)一步深入，該項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化方面日趨成熟，并已開放試樣服務(wù)。

MEMS-Casting?工藝流程解讀

MEMS-Casting?的六步工藝流程

MEMS-Casting?技術(shù)被分為六個(gè)步驟，如上圖所示，分別為合模、合金填充、“切割”、固化、脫模和表面處理。

第一步：合模，即通過在刻蝕有微模具的硅片增加上下蓋板（硅片或者玻璃片），將微模具形成一個(gè)閉合的空間結(jié)構(gòu)。合模的挑戰(zhàn)在于，上下蓋板在填充過程施加的壓力下會(huì)有形變，因?yàn)榫A的薄片形狀，產(chǎn)生的形變量很容易達(dá)到鑄件本身的特征尺寸。因此模具和蓋板需要進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以使形變量控制在一定的限度內(nèi)。

第二步：合金填充，高溫熔化下金屬在微米尺度的微槽中流動(dòng)填充雖然類似于微流控，但是因?yàn)楹辖鸬谋砻鎻埩Α⒄硿禂?shù)，以及與硅模具側(cè)壁的浸潤性等因素相較于傳統(tǒng)微流控中的水溶液不一樣，所以產(chǎn)生了特殊的流動(dòng)填充機(jī)理。合金填充的最大挑戰(zhàn)是減少流動(dòng)過程中氣泡或者空洞，氣泡/空洞對造成器件產(chǎn)生致命的斷路缺陷。

第三步：“切割”，其目的是將填充入硅微模具的合金與外界合金進(jìn)行“切割”。該步驟至關(guān)重要，因?yàn)槿绻麩o法實(shí)現(xiàn)“切割”，硅片中的合金與外界合金始終是連成一體，在這種情況下固化后硅片與外界合金連成一體，則無法實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。顧博士團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一項(xiàng)基于“液橋”的切割技術(shù)，這項(xiàng)歷時(shí)三年的研發(fā)技術(shù)，可以在下蓋板（MEMS噴嘴片）中實(shí)現(xiàn)填充后合金與外界合金的有效分離。

第四步：固化，絕大部分金屬在從液相到固相的固化過程中，體積會(huì)經(jīng)歷一個(gè)收縮，收縮量約在2%~7%之間。在宏觀鑄造中，體積收縮的問題是靠補(bǔ)償方式來實(shí)現(xiàn)的。即通過控制鑄件從下往上冷卻，最后頂部冒口處的金屬熔化，這樣在冷卻過程可以一直補(bǔ)償其下方的合金固化收縮。

但是在MEMS-Casting?中，因?yàn)榫A的扁平結(jié)構(gòu)加上硅材料本身的高熱導(dǎo)性，補(bǔ)償需要的溫度梯度是無法實(shí)現(xiàn)的。如何挑戰(zhàn)MEMS-Casting?固化過程中收縮產(chǎn)生的缺陷問題？顧博士給出的解答是：“我們從固化理論著手，提出并研發(fā)一項(xiàng)均勻固化技術(shù)。通過該技術(shù)可以將缺陷化整為零，從而將收縮缺陷控制住。”

第五步：脫模，上下蓋板在固化完成后需要與鑄件體硅片進(jìn)行分離。因?yàn)楹辖鹑刍筮M(jìn)行填充，固化后容易出現(xiàn)上下蓋板被合金粘住無法分離的情況。顧博士團(tuán)隊(duì)研發(fā)出納米分子層脫模技術(shù)，即通過在蓋板的表面沉積特種納米分子層材料以減少其表面能，從而實(shí)現(xiàn)輕松的分片。

第六步：表面處理，這不是必須步驟。根據(jù)實(shí)際情況，脫模后可能需要進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨（CMP）來平整化，或者在鑄件表面進(jìn)行薄層電鍍的方式來達(dá)到某些具體應(yīng)用要求。

作為一項(xiàng)厚金屬沉積工藝，MEMS-Casting? 技術(shù)可以作為電鍍的替代和補(bǔ)充，并且具有成型速度快，過程清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)?？蓱?yīng)用于以下三個(gè)微電子領(lǐng)域：（1）半導(dǎo)體先進(jìn)封裝的硅過孔互連（TSV）/玻璃過孔互連（TGV）；（2）MEMS器件，例如MEMS磁通門、電磁式能量采集器等；（3）三維堆疊微波組件及集成無源器件（IPD）。

上海邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司新研制的MEMS-Casting?專用設(shè)備

上海邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司利用MEMS-Casting?技術(shù)實(shí)現(xiàn)TSV/TGV填充的圖片

上海邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司利用MEMS-Casting?實(shí)現(xiàn)150匝磁通門探頭的圖片

上海邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司利用MEMS-Casting?技術(shù)實(shí)現(xiàn)的螺線電感IPD的圖片