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(chēng)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(lèi)型。雖然它們?cè)谝恍┓矫嬗泄餐?，但在?shí)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(jì)算機(jī)、手機(jī)、電視等消費(fèi)類(lèi)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(lái)越成熟，尺寸越來(lái)越小，功耗越來(lái)越低，性能越來(lái)越高。MEMS芯片是小型機(jī)電系統(tǒng)的集合，具有小型化、低功耗和多功能特點(diǎn)。MEMS芯片廣泛應(yīng)用于氣壓計(jì)、加速度計(jì)、陀螺儀、傳感器等領(lǐng)域。MEMS芯片制造技術(shù)相對(duì)較新，需要更高的制造精度和技術(shù)成本，但它們可以實(shí)現(xiàn)微型化，使傳感器和器件更加精簡(jiǎn)。

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(lái)感知信號(hào)，即相當(dāng)于敏感元件；以及ASIC芯片——用來(lái)處理信號(hào)，即轉(zhuǎn)換與變換元件。 MEMS芯片和ASIC芯片也是一個(gè)MEMS傳感器中技術(shù)和價(jià)值含量最高的部分。

▲MEMS聲學(xué)傳感器構(gòu)造圖（來(lái)自歌爾微招股書(shū)）

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(xiàng)工藝。 相比于集成電路芯片，MEMS芯片通過(guò)微機(jī)械結(jié)構(gòu)控制物理現(xiàn)象并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械與電子之間的互動(dòng)。 普通集成電路芯片是在半導(dǎo)體晶體中，把一個(gè)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(qiáng)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(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械與電子之間的互動(dòng)，且微機(jī)電系統(tǒng)由尺寸為1至100微米的部件組成，一般微機(jī)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(kāi)發(fā)。 MEMS芯片有“一種產(chǎn)品一種工藝”的說(shuō)法，目前沒(méi)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(diǎn)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(hào)，將測(cè)量量轉(zhuǎn)化為電阻、電容等信號(hào)變化；ASIC芯片負(fù)責(zé)將電容、電阻等信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其中涉及到信號(hào)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(wú)法達(dá)到其要求，常規(guī)的ASIC設(shè)計(jì)公司也無(wú)法設(shè)計(jì)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(gè)“芯”指的就是MEMS專(zhuān)用的ASIC。因此，MEMS專(zhuān)用ASIC的設(shè)計(jì)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(xiě)，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(guò)使用支撐晶圓和熱剝離片，可以輕松對(duì)薄化晶圓進(jìn)行處理等。

晶圓鍵合

晶圓鍵合是晶圓級(jí)的封裝技術(shù)，用于制造微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）、微電子學(xué)和光電子學(xué)，從而確保機(jī)械穩(wěn)定且密封的封裝。 晶圓鍵合工藝，是指通過(guò)溫度、壓力、電壓等外部條件的作用，讓兩個(gè)襯底材料（如硅-硅或硅-玻璃等）形成足夠的接觸，最終通過(guò)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(gè)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(guò)中間層鍵合”2類(lèi)。

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(guò)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(shí)現(xiàn)不同材料間的無(wú)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(guò)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(jī)械結(jié)構(gòu)器件的技術(shù)。其特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少，但只能做形狀簡(jiǎn)單的器件，深寬比小的器件。是通過(guò)對(duì)硅材料的腐蝕得到的，消耗硅材料較多(有時(shí)稱(chēng)作減法工藝），而且只能以硅材料為加工對(duì)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(guò)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(jī)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(guò)物理或化學(xué)方法沉積一層納米級(jí)或微米級(jí)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(guò)對(duì)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(guò)程。 表面微加工技術(shù)通過(guò)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(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)層薄膜、機(jī)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(shí)現(xiàn)加工10μm厚度內(nèi)的微結(jié)構(gòu)，可以實(shí)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(duì)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(dòng)等問(wèn)題。

▲MEMS芯片表面微加工流程

LIGA工藝（光刻、電鑄和模造）是德語(yǔ)光刻(Lithographie)、電鍍（也稱(chēng)電鑄）(Galvanoformung)和壓模(Abformung)的簡(jiǎn)稱(chēng)。LIGA技術(shù)可加工金屬、塑料等非硅材料，同時(shí)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(guò)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(gè)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(kāi)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(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)勢(shì)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(lái)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(jī)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(lái)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(jià)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(diǎn)：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(gè)硅片；被刻蝕材料的晶向?qū)涛g結(jié)構(gòu)基本無(wú)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(guò)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(chēng)為“扇貝形貌”。

成膜

ALD是Atomic Layer Deposition（原子層沉積）的縮寫(xiě)，是通過(guò)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(guò)的縫隙，就能以納米等級(jí)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(shí)的聚合物沉積等MEMS加工中形成均勻的成膜。

結(jié)語(yǔ)

MEMS傳感器已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面，無(wú)論是智能手機(jī)還是汽車(chē)，從智能工廠到醫(yī)療設(shè)備，都離不開(kāi)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(xiāo)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(shuō)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(jí)，并不涉及到先進(jìn)制程，目前，先進(jìn)國(guó)家并沒(méi)有禁止中國(guó)對(duì)于MEMS制造設(shè)備的獲取。 MEMS，有望成為中國(guó)半導(dǎo)體的突破口！

編輯：黃飛

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