MEMS芯片的主要制造工艺流程与MEMS芯片三种制造工艺介绍

发布时间：2024-01-22 👁 3611 Tags：MEMS声学传感器体微加工技术表面微加工技术

用MEMS技术制造的新型传感器，就称为MEMS传感器。一般传感器的主要构造有敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。那么，MEMS传感器的主要构造是怎样的呢？

MEMS芯片和集成电路芯片是现代电子技术中重要的两种芯片类型。虽然它们在一些方面有共同之处，但在实际应用中，它们有一些明显的区别。集成电路芯片是电路和电子元件的集合，由大量的晶体管、电容、电阻和其他元件组成。它们广泛应用于计算机、手机、电视等消费类电子产品中，是电子设备的核心。

集成电路芯片制造技术越来越成熟，尺寸越来越小，功耗越来越低，性能越来越高。MEMS芯片是小型机电系统的集合，具有小型化、低功耗和多功能特点。MEMS芯片广泛应用于气压计、加速度计、陀螺仪、传感器等领域。MEMS芯片制造技术相对较新，需要更高的制造精度和技术成本，但它们可以实现微型化，使传感器和器件更加精简。

下面展示了一颗MEMS声学传感器典型的产品构造示意图，图中可以观察到MEMS传感器的构成：主要有MEMS芯片——用来感知信号，即相当于敏感元件；以及ASIC芯片——用来处理信号，即转换与变换元件。

MEMS芯片和ASIC芯片也是一个MEMS传感器中技术和价值含量最高的部分。

▲MEMS声学传感器构造图（来自歌尔微招股书）

一、MEMS芯片的主要制造工艺

MEMS工艺以成膜工序、光刻工序、蚀刻工序、键合工序等常规半导体工艺流程为基础。

1.SOI晶圆

SOI是Silicon On Insulator的缩写，即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。在MEMS中可以使用氧化膜层作为硅蚀刻的阻挡层，因此能够形成复杂的三维立体结构。

晶圆粘合/热剥离片工艺

通过使用支撑晶圆和热剥离片，可以轻松对薄化晶圆进行处理等。

2.晶圆键合

晶圆键合是晶圆级的封装技术，用于制造微机电系统（MEMS）、纳米机电系统（NEMS）、微电子学和光电子学，从而确保机械稳定且密封的封装。

晶圆键合工艺，是指通过温度、压力、电压等外部条件的作用，让两个衬底材料（如硅-硅或硅-玻璃等）形成足够的接触，最终通过相邻材料的界面之间形成的分子键作用力或化学键，将两个衬底材料结合为一体的技术。

晶圆键合大致分为“直接键合”、“通过中间层键合”2类。

直接键合不使用粘合剂等，是利用热处理产生的分子间力使晶圆相互粘合的键合，用于制作SOI晶圆等。

通过中间层键合是借助粘合剂等使晶圆互相粘合的键合方法。

晶圆键合技术在半导体领域具有广泛应用，可以实现不同材料间的无缝连接，从而创造出更加复杂、高性能的器件。

二、MEMS芯片三种制造工艺

体微加工技术、表面微加工技术、LIGA技术等是MEMS制造的主要工艺，前两者目前应用最广、技术最成熟。

1.体微加工

体微加工（Bulk Micromachining)，是一种通过各向异性或各向同性刻蚀衬底的方法在硅衬底上制造各种机械结构器件的技术。其特点是设备简单、投资少，但只能做形状简单的器件，深宽比小的器件。是通过对硅材料的腐蚀得到的，消耗硅材料较多(有时称作减法工艺），而且只能以硅材料为加工对象。是指将硅衬底自上而下地进行刻蚀的工艺，这种技术通过各向异性或各向同性刻蚀衬底的方法在硅衬底上制造各种机械结构器件，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，是制备具有立体结构的MEMS器件的重要方法。

▲MEMS芯片体微加工流程

2.表面微加工技术

表面微加工(Surface Micromachining)，涉及的主要技术包括薄膜淀积、光刻和刻蚀：薄膜淀积技术是指在衬底表面通过物理或化学方法沉积一层纳米级或微米级厚度的薄膜；光刻是一种将光学掩模版上的图形复制到衬底表面的工艺，即通过对光刻胶层进行有选择性的光源照射，改变胶层的化学性质，然后利用显影液溶解光刻胶上发生化学变化的可溶解区域得到图形的过程。

表面微加工技术通过在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜，再移除牺牲层释放结构层，从而达到结构可动的目的，其主要步骤包括淀积薄膜、光刻图形化、淀积牺牲层薄膜、牺牲层图形化、淀积机械结构层薄膜、机械结构层图形化、去除牺牲层（释放结构）表面微加工技术可以实现加工10μm厚度内的微结构，可以实现多层悬空结构，是MEMS加工工艺中不可替代的微加工技术，因其加工结构的特殊性而对器件的力学性质要求较高，并且需要解决粘连、残余应力、摩擦、驱动等问题。

▲MEMS芯片表面微加工流程

3.LIGA工艺

LIGA工艺（光刻、电铸和模造）是德语光刻(Lithographie)、电镀（也称电铸）(Galvanoformung)和压模(Abformung)的简称。LIGA技术可加工金属、塑料等非硅材料，同时可加工深宽比大的零件，这是体微加工和表面微加工难以做到的。但该工艺要通过同步加速器辐射装置产生的高能射线作为主要的加工方法，设备昂贵，投资大。

LIGA四个工艺组成部分：LIGA掩模板制造工艺；X光深层光刻工艺；微电铸工艺；微复制工艺。

▲LIGA工艺流程

三、MEMS传感器封装清洗：

研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。

推荐使用水基清洗剂产品。

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