MEMS芯片和ASIC芯片是一個(gè)MEMS傳感器中技術(shù)和價(jià)值含量最高的部分。你知道MEMS芯片是怎么被制造出來(lái)的嗎？MEMS芯片與集成電路芯片有什么區(qū)別？ 此外，談到MEMS傳感器，我們還常說(shuō)ASIC芯片，ASIC芯片是什么？對(duì)MEMS傳感器有什么作用？MEMS傳感器的ASIC芯片相比其他ASIC芯片有什么特別？ MEMS傳感器的主要構(gòu)造？MEMS芯片與集成電路芯片有什么區(qū)別？ MEMS是Micro-Electro-MechanicalSystem的縮寫(xiě)，中文名稱是微機(jī)電系統(tǒng)，是將微電子電路技術(shù)與微機(jī)械系統(tǒng)融合到一起的一種工業(yè)技術(shù)，它的操作范圍在微米尺度內(nèi)。 此外還有納米機(jī)電系統(tǒng)( NEMS ) ，是一類(lèi)在更微小的納米尺度上集成電氣和機(jī)械功能的設(shè)備，NEMS技術(shù)目前在量產(chǎn)和商業(yè)化上仍存在一些挑戰(zhàn)。 用MEMS技術(shù)制造的新型傳感器，就稱為MEMS傳感器。我們知道，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？ 以下是一顆MEMS聲學(xué)傳感器典型的產(chǎn)品構(gòu)造示意圖，我們可以看到MEMS傳感器的構(gòu)造，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。關(guān)于常見(jiàn)MEMS傳感器的原理和結(jié)構(gòu)，可參看《10大MEMS傳感器原理全解析！》，本文不再贅述。

▲MEMS聲學(xué)傳感器構(gòu)造圖（來(lái)自歌爾微招股書(shū)） 那么，同樣是芯片，MEMS芯片與集成電路芯片有什么區(qū)別？ MEMS器件的制造技術(shù)主要有以美國(guó)為代表的集成電路技術(shù)，日本以精密加工為特征的MEMS技術(shù)和德國(guó)的LIGA技術(shù)。當(dāng)前，MEMS芯片采用的就是集成電路技術(shù)，也是目前最廣泛應(yīng)用的MEMS器件制作加工方式。 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，也成為MEMS芯片制造的通用技術(shù)，主要分為：前端工藝和后端封裝工藝。其中，前端工藝主要包含晶圓清洗、光刻、蝕刻等步驟；后端封裝工藝主要包含測(cè)試、封裝和成品檢測(cè)。 MEMS芯片和集成電路芯片雖然都是在半導(dǎo)體晶圓上的微型元件，但二者還是有些區(qū)別。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)。集成電路芯片主要利用電流、電磁等方式傳輸信號(hào)。 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，譬如CPU、GPU等邏輯芯片，以及存儲(chǔ)芯片等。

▲集成電路CPU芯片內(nèi)部密密麻麻的晶體管等元件 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麥克風(fēng)芯片的機(jī)械構(gòu)造及運(yùn)動(dòng)情況（由高精圖像傳感器拍攝）

▲MEMS加速度傳感器芯片的梳妝架構(gòu)

▲MEMS陀螺儀芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 以上，是MEMS麥克風(fēng)芯片、MEMS加速度傳感器芯片和MEMS陀螺儀芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可直觀看出各自不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)特征（相關(guān)原理和構(gòu)造請(qǐng)參看《10大MEMS傳感器原理全解析！》）。 同時(shí)，每種MEMS傳感器芯片的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都大不相同，因此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？ 如上文所述，一個(gè)MEMS傳感器里面最重要的芯片為MEMS芯片和ASIC芯片，其中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。 ASIC芯片即專用集成電路（Application-specific integrated circuit）的縮寫(xiě)，指針對(duì)特定功能開(kāi)發(fā)的專用芯片。MEMS傳感器里面的ASIC芯片采用與集成電路芯片一樣的制造工藝，因?yàn)楸旧聿话瑱C(jī)械結(jié)構(gòu)。 但由于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專用的ASIC。因此，MEMS專用ASIC的設(shè)計(jì)是MEMS技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)。 此前，歐盟采用“舉國(guó)體制”，集合7個(gè)國(guó)家10家公司花費(fèi)1.4億元，研發(fā)下一代紅外傳感器的高效讀出集成電路芯片，即屬于傳感器ASIC芯片的研發(fā)。（參看《歐盟用舉國(guó)體制開(kāi)發(fā)紅外傳感器》）

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)。除通用工藝外，由于MEMS器件結(jié)構(gòu)的特殊性，也衍生出許多特殊制造工藝。

SOI晶圓 SOI是Silicon On Insulator的縮寫(xiě)，是指在氧化膜上形成了單晶硅層的硅晶圓。已廣泛應(yīng)用于功率元件和MEMS等，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 對(duì)于MEMS器件與CMOS 芯片的高度集成，以及許多MEMS都是基于SOI晶圓等技術(shù)基板，這些需求都嚴(yán)重依賴晶圓鍵合這一重要工藝。 所謂晶圓鍵合工藝，是指在一定外部條件（溫度、壓力、電壓等）的作用下，使兩個(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)。目前晶圓鍵合工藝技術(shù)可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是鍵合雙方不需要介質(zhì)層的直接鍵合，例如Si-Si鍵合；另一類(lèi)是需要介質(zhì)層的中間材料鍵合，例如聚合物鍵合。 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。

MEMS芯片三種制造工藝MEMS制造工藝主要包括表面微加工技術(shù)、體微加工技術(shù)、LIGA技術(shù)等，目前應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)最成熟的為前兩者。體微加工（Bulk Micromachining)是指將硅襯底自上而下地進(jìn)行刻蝕的工藝，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)，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。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)稱作減法工藝），而且只能以硅材料為加工對(duì)象。

▲MEMS芯片體微加工流程 表面微加工(Surface Micromachining)是利用薄膜沉積、光刻、刻蝕等方法，通過(guò)將材料逐層添加在基底上，用表面生長(zhǎng)方法及光刻法在表面制造各種微型機(jī)械結(jié)構(gòu)器件，最后去除犧牲層從而構(gòu)造微結(jié)構(gòu)。在襯底頂面沉積和刻蝕如金屬、多晶硅、氮化物、氧化物、有機(jī)材料等。 通常使用的沉積技術(shù)是蒸鍍、濺射、絲印、CVD（化學(xué)氣相沉積）、電鍍等等，也使用干刻蝕和濕刻蝕技術(shù)。其特點(diǎn)是通過(guò)在硅材料上添加各種材料形成所希望的結(jié)構(gòu)，可制作比較復(fù)雜的零件，但技術(shù)比較復(fù)雜，設(shè)備也比較昂貴。

▲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(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用到的主要材料是硅，這是因?yàn)镸EMS加工技術(shù)中最基礎(chǔ)的是硅的刻蝕技術(shù)，利用硅的各向異性刻蝕，可以使硅的不同晶向發(fā)生不同速率的刻蝕，從而形成特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，且硅具有良好的機(jī)械特性，能夠滿足大部分微傳感器和微執(zhí)行器的材料力學(xué)特性的需求，同時(shí)采用硅制造能夠與IC集成，形成更加復(fù)雜的微系統(tǒng)。

▲MEMS傳感器芯片中，經(jīng)蝕刻之后形成的機(jī)械結(jié)構(gòu) 各向同性蝕刻與各向異性蝕刻 通過(guò)在低真空中放電使等離子體產(chǎn)生離子等粒子，利用該粒子進(jìn)行蝕刻的技術(shù)稱為反應(yīng)離子蝕刻。 等離子體中混合存在著攜帶電荷的離子和中性的自由基，具有利用自由基的各向同性蝕刻、利用離子的各向異性蝕刻兩種蝕刻作用。

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，是20世紀(jì)70年代以來(lái)新發(fā)展的深刻蝕技術(shù)。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，這些堿性溶液對(duì)硅的刻蝕速率與晶相有關(guān)。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。 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，DRIE主要分為Bosch工藝和低溫刻蝕工藝。干法深刻蝕技術(shù)相比于濕法刻蝕有著更大的加工空間。

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，稱為“扇貝形貌”。

成膜ALD（原子層沉積）
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。
通過(guò)采用這種方式，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器件主要材料是硅，這是因?yàn)镸EMS加工技術(shù)中最基礎(chǔ)的是硅的刻蝕技術(shù)，這來(lái)源于集成電路芯片制造的光刻、薄膜沉積、刻蝕、摻雜等工藝，同樣也是MEMS芯片的通用工藝。 MEMS 傳感器無(wú)處不在，從智能手機(jī)到汽車(chē)，從智能工廠到醫(yī)療設(shè)備，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示 ，近四分之三的半導(dǎo)體傳感器銷(xiāo)售額來(lái)自利用MEMS技術(shù)制造的產(chǎn)品。MEMS器件現(xiàn)在已經(jīng)占據(jù)全球傳感器總出貨量的54%。 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，中國(guó)大陸半導(dǎo)體設(shè)備也能滿足本土MEMS制造需要。 國(guó)產(chǎn)MEMS傳感器的研發(fā)，主要問(wèn)題是工藝的改進(jìn)、市場(chǎng)的拓展等，隨著近幾年地方政府的重視，各地MEMS中試線、量產(chǎn)線的投入建設(shè)，將有助于建立MEMS共性基礎(chǔ)工藝生產(chǎn)體系，提升傳感器企業(yè)MEMS工藝研發(fā)和迭代能力，推動(dòng)中國(guó)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。 MEMS，有望成為中國(guó)半導(dǎo)體的突破口！ 本文部分資料來(lái)自：

上海微技術(shù)工研院《上海工研院8寸線鍵合工藝介紹》等內(nèi)容

什么是MEMS？4步圖解MEMS芯片制造

南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院胡藝森《微機(jī)電系統(tǒng)制造工藝綜述》

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審核編輯黃宇