微機電系統 (MEMS) 已證明其在智能汽車(chē)、手機和微型胰島素泵等領(lǐng)域中的傳感功效。為了讓這些 MEMS 在未來(lái)變得更加強大，位于亞琛的Fraunhofer ILT弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的研究人員與弗勞恩霍夫 ISIT 和 IST 合作開(kāi)發(fā)了一種與 CMOS 兼容的沉積和激光結晶工藝。與其他常見(jiàn)工藝相比，這種新工藝消除了對電線(xiàn)和焊點(diǎn)的需求，這一優(yōu)勢可以顯著(zhù)減小組件尺寸并提高傳感器性能。
▲溫和的高溫結晶：Fraunhofer ILT 與 Fraunhofer ISIT 和 IST一起開(kāi)發(fā)了一種選擇性的、基于激光的結晶工藝，用于直接在有源電路上制造 MEMS 傳感器單元。
? Fraunhofer ILT，德國亞琛
解決高溫制造挑戰
MEMS已經(jīng)與人類(lèi)的生活密不可分，舉例來(lái)說(shuō)，MEMS 傳感器記錄了車(chē)輛運行的許多關(guān)鍵參數，因此我們應歸功于安全可靠的汽車(chē)行駛。MEMS使控制許多車(chē)輛系統成為可能，例如安全氣囊、防抱死剎車(chē)或電子穩定程序。為了測量加速度等，MEMS慣性傳感器也以數十億的數量被集成到智能手機、智能手表、直升機等消費產(chǎn)品中。為了使 MEMS 傳感器單元能夠可靠、安全地執行這些任務(wù)，它們與位于硅載體單元（晶圓）上的電子專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 相結合。
▲弗勞恩霍夫 ILT 選擇性激光結晶的硅陣列
? Fraunhofer ILT，德國亞琛
▲Fraunhofer ILT 開(kāi)發(fā)的硅晶片選擇性激光結晶工藝的工藝圖
? Fraunhofer ILT，德國亞琛
然而，由于具有溫度敏感型 CMOS 晶體管的集成電路附近的環(huán)境溫度可能不會(huì )超過(guò) 450°C，因此由晶體硅制成的 MEMS 傳感器由于傳統上的高制造溫度通常需要單獨制造。然后它們通過(guò)導線(xiàn)和焊接連接或晶圓鍵合工藝與電路接觸。
3D科學(xué)谷了解到傳統的互連技術(shù)需要相對較大的空間，并阻礙了 MEMS 的進(jìn)一步小型化，根據Fraunhofer ILT 薄膜處理小組的研究人員，出于這個(gè)原因，通常由晶體硅制成的 MEMS 不能直接構建在 ASIC 上，所以傳統制造過(guò)程中的溫度不相容性使得傳感器難以進(jìn)一步小型化并提高其性能。
敏感硅層的溫和結晶
Fraunhofer ILT 沒(méi)有使用傳統的連接技術(shù)，而是依靠基于激光的工藝，使其能夠直接（單片）在溫度敏感電路上構建晶體硅的 MEMS 傳感器。該項目的重點(diǎn)是弗勞恩霍夫 IST 和 ISIT 沉積硅層技術(shù)，弗勞恩霍夫 ILT 選擇性激光結晶技術(shù)，并通過(guò)弗勞恩霍夫 ISIT 將這些最終加工成傳感器。
研究人員正在實(shí)現這樣一個(gè)事實(shí)，即硅層可以在低于 450°C 的溫度和高沉積速率下產(chǎn)生。激光不僅使該硅層結晶，而且還激活它所含的摻雜劑，從而確保合適的導電性。隨后，使用經(jīng)典的微電子制造工藝進(jìn)一步處理傳感器單元。
三個(gè)空間方向的高效散熱
當激光輻射用于在高溫下結晶硅時(shí)，結晶會(huì )在空間上、選擇性地和非?？焖俚匕l(fā)生（在較低的毫秒范圍內）。通過(guò)這種方式——結合有針對性的溫度管理——該過(guò)程最大限度地減少了層材料中的機械應力，但不會(huì )損壞底層基板上的敏感電子設備。
硅通過(guò)直徑為幾 10 μm 的聚焦激光束結晶，并由鏡子引導以逐步掃描整個(gè)表面。在這個(gè)空間選擇性過(guò)程中，熱量在三個(gè)空間方向上被有效去除。這將該工藝與閃光曝光等替代光子工藝區分開(kāi)來(lái)，后者的熱量只能在一個(gè)方向消散。
由于能量很快被引入到很小的體積中，科研人員通過(guò)激光加工在實(shí)際高于底層電路破壞閾值的溫度下實(shí)現了硅的固相結晶。由于本地處理時(shí)間短，因此電路并沒(méi)有損壞，新開(kāi)發(fā)的激光工藝將硅層的電阻降低了四個(gè)數量級以上。在層厚為 10 μm 時(shí)，可以生產(chǎn)具有電容式加速度傳感器的典型手指結構的 MEMS 傳感器。
單片 MEMS 集成的優(yōu)勢
由于晶體硅層可以在 ASIC 晶圓上的 CMOS 兼容條件下生產(chǎn)，Fraunhofer正在為集成 MEMS-IC 開(kāi)辟新的可能性。由于消除了工藝限制，MEMS和IC可以獨立開(kāi)發(fā)，從而可能顯著(zhù)減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。除了提高集成密度之外，該工藝還消除了導線(xiàn)連接和焊盤(pán)，從而使得預期的寄生干擾變量更低，并改善了對電磁干擾場(chǎng)的屏蔽，這種消除對傳感器的信號質(zhì)量和漂移行為具有積極影響。
提高性能和小型化的前景也使 MEMS 技術(shù)對當今 MEMS 系統無(wú)法滿(mǎn)足要求的其他應用領(lǐng)域具有吸引力。一種可以想象的應用將是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，其中非常精確的加速度傳感器可以彌補隧道或停車(chē)場(chǎng)中 GPS 信號接收的差距。
該過(guò)程還為醫療技術(shù)提供了有趣的潛力，例如，將溫度傳感器集成到耳機中，并使用獲得的數據來(lái)監測患者或抗擊流行病。
此外，微型化、高精度MEMS 傳感器可以幫助在燃燒的建筑物中精確定位消防員，從而提高應急人員的安全性。
Fraunhofer LIT MEMS技術(shù)積淀
根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，早在2021年初，亞琛的Fraunhofer LIT弗勞恩霍夫激光研究所還開(kāi)發(fā)出了3D打印壓電MEMS微執行器，這個(gè)壓電MEMS有六個(gè)角，大約只有1美分的大小，而且價(jià)格低廉，這創(chuàng )造了小批量壓電MEMS的經(jīng)濟性生產(chǎn)可行性。
壓電MEMS是真正的技術(shù)全能產(chǎn)品，因為超薄壓電層既可以執行執行器功能，也可以執行傳感功能：施加電場(chǎng)時(shí)它們會(huì )膨脹，或者將機械運動(dòng)轉換成電壓。因此，它們在通信或醫療技術(shù)中是神奇的存在，例如，作為泵、閥或揚聲器中的傳感器或致動(dòng)器。
Fraunhofer LIT弗勞恩霍夫激光研究所增材制造的執行器比常規執行器具有更好的性能和更高的再現質(zhì)量。PZT層和電極層像兩個(gè)非常細的梳子一樣互鎖。層的快速激光處理將每層的處理時(shí)間減少了幾秒鐘，而原本需要幾分鐘的處理時(shí)間僅為幾秒鐘。
此外，為了代替普通且非常昂貴的鉑，科學(xué)家使用導電陶瓷鑭鎳氧化物（LNO）作為電極材料。通過(guò)省去金屬部件，可以顯著(zhù)提高這些純陶瓷多材料疊層的耐用性，同時(shí)降低材料成本。
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