技術(shù)前沿：MEMS傳感器加工工藝

傳感器的功能

通常將傳感器的功能與人類的五大感覺器官相比擬：

光敏傳感器——視覺

聲敏傳感器——聽覺

氣敏傳感器——嗅覺

化學(xué)傳感器——味覺

壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺

①物理類：基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)；

②化學(xué)類：基于化學(xué)反應(yīng)的原理；

③生物類：基于酶、抗體、和激素等分子識(shí)別功能。

人類在計(jì)算機(jī)的時(shí)代，解決了大腦的模擬問題，相當(dāng)于用0和1實(shí)現(xiàn)了信息的數(shù)字化，利用布爾邏輯解決問題；現(xiàn)在是后計(jì)算機(jī)時(shí)代，開始模擬五官。

但模擬人的五官，只是傳感器的一個(gè)比較形象的說法。傳感器技術(shù)發(fā)展相對成熟的，還是工業(yè)測量中經(jīng)常用到的如力、加速度、壓力、溫度等物理量。對于真實(shí)人的感覺，包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺，從傳感器的角度來看，大部分不是很成熟。

視覺、聽覺可認(rèn)為是物理量，相對好一些，觸覺就比較差一些，至于嗅覺及味覺，由于涉及到生物化學(xué)量的測量，工作機(jī)理比較復(fù)雜，遠(yuǎn)未達(dá)到技術(shù)成熟的階段。

傳感器的市場，其實(shí)是由應(yīng)用推動(dòng)的。比如，化學(xué)工業(yè)中，壓力、流量傳感器市場相當(dāng)大;汽車工業(yè)中，轉(zhuǎn)速、加速度等傳感器市場非常大。基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的加速度傳感器現(xiàn)在技術(shù)較為成熟，對汽車工業(yè)的需求拉動(dòng)功不可沒。

在傳感器這一概念“出現(xiàn)”之前，早期的測量儀器中其實(shí)就有傳感器，只不過是以整套儀器中一個(gè)部件的形式出現(xiàn)。所以，中國在1980年以前，介紹傳感器的教科書叫做“非電量的電測量”。

傳感器概念的出現(xiàn)其實(shí)是測量儀器逐步走向模塊化的結(jié)果。此后，傳感器從整套儀器系統(tǒng)中獨(dú)立出來，單獨(dú)作為一個(gè)功能器件進(jìn)行研究、生產(chǎn)、銷售。

MEMS傳感器加工工藝

體微加工技術(shù)和表面微加工常用的MEMS加工工藝的原理、加工方法及應(yīng)用

體微加工技術(shù)

體微加工技術(shù)：通過對硅襯底材料進(jìn)行深硅刻蝕工藝，得到較大縱向尺寸的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。深硅刻蝕工藝為濕法刻蝕或干法刻蝕。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是獲得的結(jié)構(gòu)幾何尺寸較大、機(jī)械性能較好。

（1）濕法刻蝕

濕法刻蝕憑借其工藝簡單、成本較低等優(yōu)勢在加速度傳感器、壓力傳感器等器件中有著廣泛的應(yīng)用。有研究人員利用四甲基氫氧化銨（TMAH）溶液濕法刻蝕實(shí)現(xiàn)了大尺寸晶圓微臺(tái)面結(jié)構(gòu)的工程化制備，其工藝流程如圖1所示。首先，在硅片上下兩側(cè)同時(shí)生成二氧化硅（SiO2）介質(zhì)掩膜層，通過光刻技術(shù)及SiO2刻蝕工藝，將掩膜層刻印出圖形，清洗去除光刻膠后，利用TMAH溶液進(jìn)行濕法刻蝕制備出微臺(tái)面結(jié)構(gòu)。

圖1TMAH體硅腐蝕工藝制備硅微臺(tái)面結(jié)構(gòu)工藝流程圖

在實(shí)際應(yīng)用中，濕法刻蝕會(huì)出現(xiàn)刻蝕表面不平整等現(xiàn)象。為了優(yōu)化刻蝕結(jié)果，研究人員多從刻蝕溶液入手，通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)溶液配方和刻蝕條件，如加入異丙醇等添加劑以改善硅腐蝕表面的平整度，控制刻蝕溫度，改進(jìn)刻蝕溶液循環(huán)速率等手段，有效提高了微機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。濕法刻蝕技術(shù)歷久彌新，未來仍有很大的發(fā)展空間，如利用負(fù)壓技術(shù)改變刻蝕環(huán)境氣壓等方式優(yōu)化刻蝕效果，具有一定的研究價(jià)值。

（2）干法深刻蝕

干法深刻蝕具有以下特點(diǎn)：刻蝕速率較高，可以達(dá)到濕法刻蝕速率的2~15倍；具有大的深寬比，能夠穿透整個(gè)硅片；被刻蝕材料的晶向?qū)涛g結(jié)構(gòu)基本無影響，能夠刻蝕出任意形狀的垂直結(jié)構(gòu)；被刻蝕材料與阻擋材料的刻蝕選擇比高，容易保護(hù)。

有研究人員基于電磁耦合等離子體對硅進(jìn)行深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE），制備了一種新型的具有高靈敏度和高反應(yīng)速度的電容式濕度傳感器，如圖2所示。傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，首先在硅襯底上沉積氮化硅與下電極材料；用光刻技術(shù)刻制圖案；旋涂具有濕度敏感特性的聚酰亞胺薄膜并固化；在薄膜上沉積多孔鉻（Cr）膜形成上電極；最后通過DRIE進(jìn)行微細(xì)加工，利用三氟甲烷（CHF3）/氧氣（O2）和六氟化硫（SF6）/O2兩組氣體先后通入以實(shí)現(xiàn)高深度刻蝕硅襯底，最終形成懸浮的氮化硅膜結(jié)構(gòu)。

圖2（a）傳感器圖像；（b）圖a中轉(zhuǎn)角區(qū)域的特寫視圖

圖3濕度傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

干法深刻蝕技術(shù)也可以應(yīng)用于納米生物技術(shù)領(lǐng)域，有研究人員利用DRIE技術(shù)加工出用于原子力顯微鏡（AFM）懸臂梁的納米針，如圖4所示，納米針可以將蛋白質(zhì)、氨基酸等物質(zhì)注射入活細(xì)胞中。實(shí)驗(yàn)采用多晶金剛石薄膜作為襯底，利用四氟化碳（CF4）和O2混合氣體深刻蝕，通過改變偏置功率得到更加平滑的納米針。

圖4金剛石納米探針的掃描電子顯微鏡圖像：（a）低偏置功率（100W）；（b）高偏置功率（200W）；（c）圖b的近景圖像

表面微加工技術(shù)

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)已經(jīng)在多種MEMS產(chǎn)品上得到了應(yīng)用，有研究人員基于表面微加工工藝制作了一種新型的變形鏡驅(qū)動(dòng)器，如圖5。變形鏡主要應(yīng)用于各種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，在外加電壓控制下，變形鏡的鏡面可以產(chǎn)生形變以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。其主要加工工藝如圖6所示，首先將氮化硅材料的絕緣層沉積在硅襯底上；接著，沉積并刻蝕多晶硅作為驅(qū)動(dòng)器的下電極；隨后沉積一層SiO2犧牲層，并刻蝕犧牲層構(gòu)成上電極的定位點(diǎn)；接著，沉積并刻蝕多晶硅作為驅(qū)動(dòng)器的上電極；最后，濕法刻蝕SiO2犧牲層，形成最終的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行烘干。

圖5變形鏡驅(qū)動(dòng)器實(shí)物照片

圖6變形鏡驅(qū)動(dòng)器加工流程圖

總體而言，目前，體微加工和表面微加工兩大MEMS加工技術(shù)有著各自特點(diǎn)和應(yīng)用，在未來的研究中可嘗試通過改變其加工條件，如改變濕法刻蝕溶液的配比、改變刻蝕環(huán)境壓強(qiáng)等方式進(jìn)一步探究優(yōu)化MEMS器件性能的可行性，為MEMS發(fā)展指明方向。

審核編輯：湯梓紅