MEMS壓力傳感器技術要點介紹

MEMS，微機電系統(tǒng)，是1959年12月由理查德·費曼最早提出的概念，是將微觀模擬機械元件機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、信號傳輸和電源等集成于一體構筑而成的可以批量制作的復雜的微型器件或包括該器件的系統(tǒng)。其開發(fā)始于20世紀60年代，在20世紀80年代進入了飛速發(fā)展的階段，在各個領域都具有廣闊的發(fā)展前景，近年來MEMS器件的制造和銷售呈迅速增長之勢。

MEMS壓力傳感器是目前MEMS器件的重要應用領域，大致可以分為電容式、壓阻式、壓電式、金屬應變式、光纖式等種類，MEMS壓力傳感器的性能隨著材料和制造工藝的進步提高了幾個數(shù)量級，并通過使用類似與集成電路的設計技術和制造工藝，實現(xiàn)了高精度、低成本的批量生產(chǎn)，并在未來具有廣泛的產(chǎn)業(yè)應用和良好的發(fā)展前景。

MEMS壓力傳感器的技術組成主要包括以下幾個分支。

（1）MEMS壓力傳感器基底材料

基底材料是制造MEMS壓力傳感器的基礎，不同的基底材料的選擇不但影響了MEMS壓力傳感器的性能，也決定了器件制備過程中的工藝選擇，目前進行MEMS壓力傳感器加工的基底材料主要分為硅基材料和非硅基材料，其中硅基器件的加工工藝由于其與現(xiàn)有集成電路加工工藝的兼容性目前得到廣泛的應用。

硅基材料類型主要分為包括多晶硅、單晶硅、非晶硅的硅材料，包括SOI和SOG的絕緣體上硅，新興的碳化硅半導體材料。

早期的MEMS壓力傳感器是基于常規(guī)壓力器件的材料銅作為基底材料進行制造，進入90年代以后，以常規(guī)硅材料例如非晶硅、單晶硅、多晶硅等作為基底材料進行MEMS器件制造由于具有硅集成電路加工的基礎，成為了MEMS器件加工和產(chǎn)業(yè)化的主流工藝，但由于MEMS器件相對于集成電路在器件性能和尺寸方面具有更高要求。為了改善在制造不同類型和應用的MEMS器件常規(guī)硅基底材料在結構和性能方面的不足，基于對于常規(guī)硅基基底材料的改進，西門子公司提出了使用SOI基底制造MEMS壓力傳感器，斯坦福大學提出了可以使用整塊碳化硅作為基底制造MEMS壓力傳感器。

此后由于硅基材料制備MEMS器件集成產(chǎn)業(yè)化的需求，基于基底材料制造完整的MEMS傳感器結構和配套ASIC系統(tǒng)以實現(xiàn)完整的集成壓力傳感系統(tǒng)的需求，荷蘭NX公司提出了使用SOI基底制作MEMS傳感器和電路結構集成系統(tǒng)，MEMS-VISION公司提出了使用碳化硅基底制作MEMS傳感器和電路結構集成系統(tǒng)。

此外，隨著壓力傳感器研究和應用領域的不斷推廣，基于器件類型的不同，目前開始選擇具有特定性能的例如電致收縮材料、磁性材料、壓電陶瓷、記憶合金、聚合物材料等其他材料進行器件制造。

（2）MEMS壓力傳感器的蝕刻工藝

蝕刻工藝是基于MEMS基底材料構建器件圖形和結構的關鍵工藝，不同的蝕刻工藝的選擇對器件圖形的精度以及器件的性能有重要影響，目前的蝕刻工藝包括使用堿性/有機溶液進行的濕法刻蝕工藝和干法蝕刻工藝，目前主要使用的干法蝕刻工藝包等離子刻蝕工藝（PE），反應離子刻蝕工藝（RIE）和感應耦合等離子刻蝕工藝（ICP）。

由于MEMS傳感器的制造技術是基于較為成熟的集成電路的制造工藝，而基于常規(guī)硅基底材料進行集成電路工藝中半導體器件制造的干法和濕法蝕刻工藝在MEMS器件出現(xiàn)以前就已經(jīng)經(jīng)歷的很長時間的發(fā)展和演進。

關于常規(guī)硅材料進行各向同性和各向異性得到特定器件圖形的相關干法和濕法蝕刻工藝已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，而干法刻蝕由于相對于濕法刻蝕工藝具有分辨率高，各向異性腐蝕能力強，不易產(chǎn)生器件結構粘結等特點，在器件制備過程的尺寸控制中具有明顯的優(yōu)勢。

其中通過離子反應刻蝕取得高深寬比硅圖案的博世工藝出現(xiàn)后，干法刻蝕工藝由于能夠控制蝕刻速率制造高深寬比的器件圖形結構，逐漸成為了器件刻蝕的主要方式，推動著MEMS壓力傳感器的制造工藝正在向更高分辨的方向發(fā)展。

（3）MEMS壓力傳感器的封裝工藝

封裝工藝是實現(xiàn)MEMS壓力傳感器產(chǎn)業(yè)化的關鍵工藝，占MEMS壓力傳感器制造總成本的60%～80%。

而MEMS壓力傳感器需要在封裝過程中經(jīng)過鍵合實現(xiàn)與對于器件結構的支撐和保護以及實現(xiàn)器件結構與外部電路的電學連接，它雖然不是直接進行MEMS壓力傳感器器件結構加工的技術，但是對于實現(xiàn)器件的應用和功能起著決定性的作用。

依托于半導體加工工藝，實現(xiàn)MEMS器件的元件鍵合具有多種手段，包括通過黏合劑黏接的鍵合工藝，通過焊料焊接的鍵合工藝，通過中間材料熔融連接的鍵合工藝，硅硅直接熱鍵合工藝，通過電荷積累原理實現(xiàn)的硅玻靜電鍵合以及通過金屬與硅或金屬間反應形成共晶物實現(xiàn)鍵合的金屬共晶鍵合工藝。但是由于MEMS器件具有多種立體結構和不同組成的材料層，對于器件中元件工作環(huán)境的真空度要求高，使用粘合劑進行封裝的鍵合工藝不能滿足器件加工需求。

目前在MEMS器件的封裝過程采用的鍵合工藝是不使用任何粘合劑，僅通過化學鍵和物理作用實現(xiàn)器件結構間緊密結合的方法，主要是硅硅直接鍵合，硅玻靜電鍵合以及共晶鍵合三種。鍵合工藝在MEMS壓力器件出現(xiàn)前就已經(jīng)隨著硅半導體工藝的進步發(fā)展地比較成熟，在器件制造過程中基于材料的不同和器件連接性能的要求不同選擇不同的鍵合工藝實現(xiàn)器件的組裝和連接一直作為器件加工過程中的常規(guī)手段，但是由于MEMS壓力傳感器件在尺寸、結構和工作原理方面特殊性，MEMS器件的鍵合工藝在常規(guī)半導體鍵合工藝的技術上具有一定的改進。

在硅硅直接鍵合和靜電鍵合技術方面，由于其在鍵合過程中需要使用接近1 000℃的高溫會造成器件中產(chǎn)生應力引起翹曲變形，因此，MEMS壓力傳感器鍵合過程中通過對鍵合區(qū)域進行優(yōu)化改進以減小鍵合過程中的溫度不均和器件結構變形；在共晶鍵合技術方面，此后隨著由于MEMS壓力傳感器與ASIC系統(tǒng)集成連接的需要，共晶鍵合由于在形成電連接方面的優(yōu)勢成為MEMS器件集成制造中的主要鍵合方式，未來隨著對MEMS壓力傳感器件尺寸和性能的發(fā)展，其在與系統(tǒng)中其他芯片鍵合過程中實現(xiàn)電互連的要求也會不斷提高，未來共晶鍵合將會是MEMS壓力傳感器鍵合工藝的主要方式。

結語：

經(jīng)過多年的發(fā)展，MEMS壓力傳感器技術已經(jīng)進入到了各個領域和行業(yè)，在給世界帶來變革的同時也對我們的生活產(chǎn)生了深遠的影響，未來MEMS壓力傳感器技術將迎來廣闊的發(fā)展和應用前景。