MEMS芯片的主要制造工藝流程與MEMS芯片三種制造工藝介紹

合明科技發(fā)布時(shí)間：2024-01-22 ?? 3906 Tags：MEMS聲學(xué)傳感器體微加工技術(shù)表面微加工技術(shù)

用MEMS技術(shù)制造的新型傳感器，就稱為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)越來越成熟，尺寸越來越小，功耗越來越低，性能越來越高。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——用來感知信號(hào)，即相當(dāng)于敏感元件；以及ASIC芯片——用來處理信號(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（來自歌爾微招股書）

一、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)。

1.SOI晶圓

SOI是Silicon On Insulator的縮寫，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。

2.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。

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)不同材料間的無縫連接，從而創(chuàng)造出更加復(fù)雜、高性能的器件。

二、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。

1.體微加工

體微加工（Bulk Micromachining)，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(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。是通過對(duì)硅材料的腐蝕得到的，消耗硅材料較多(有時(shí)稱作減法工藝），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

2.表面微加工技術(shù)

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)域得到圖形的過程。

表面微加工技術(shù)通過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)等問題。

▲MEMS芯片表面微加工流程

3.LIGA工藝

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(jiǎn)稱。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

三、MEMS傳感器封裝清洗：

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

推薦使用合明科技水基清洗劑產(chǎn)品。

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