MEMS的生产工艺是在成熟的半导体集成电路（IC）工艺基础上发展而来的，但又有其独特的、非标准化的步骤，可以将其理解为“在芯片上雕刻出微米甚至纳米级的机械结构和传感器”。
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其核心思想是“自上而下”（Top-Down）的制造方法，即通过光刻、刻蚀等技术在硅晶圆等基底材料上，去除不需要的部分,最终形成所需的微型三维结构。
下面我将分步骤详细介绍MEMS的完整生产工艺流程,并穿插关键技术和工艺特点。
MEMS 生产工艺流程概览
一个典型的MEMS制造流程主要包括以下几个核心阶段：
- 设计与仿真
- 基底准备
- 薄膜沉积
- 光刻
- 刻蚀
- 键合与封装
- 测试与封装
下面我们逐一展开说明。
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设计与仿真
这是所有制造流程的起点,也是MEMS项目成功的关键。
- 目标： 根据应用需求（如加速度、压力、陀螺仪等），设计出具有特定性能的机械结构（如悬臂梁、质量块、薄膜等）和电路。
- 工具：
- CAD软件： 使用AutoCAD, L-Edit, CoventorWare等软件进行二维和三维结构设计。
- 仿真软件： 使用ANSYS, COMSOL, Coventor等进行多物理场耦合仿真，包括力学、流体、热学、电磁学等，仿真可以预测器件的性能（如灵敏度、谐振频率），并优化结构设计，避免制造失败,大大降低研发成本和周期。
- 输出： 设计好的版图文件，这是后续光刻的“蓝图”。
基底准备
基底是整个器件的物理基础,通常使用硅晶圆。
- 材料选择：
- 硅： 最常用的材料，具有良好的机械性能、半导体特性和成熟的加工工艺。
- SOI (Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)： 这是MEMS制造中极其重要的一种基底，它由三层组成：顶层硅（用于制造活动结构）、中间的二氧化硅（SiO₂，作为绝缘和刻蚀停止层）和底层硅（作为支撑），SOI晶圆可以极大地简化释放结构的工艺,实现更高质量的器件。
- 玻璃、石英： 常用于需要绝缘或光学特性的场合。
- 聚合物： 用于柔性MEMS或低成本应用。
- 清洗： 使用化学溶剂（如丙酮、异丙醇）和去离子水对晶圆进行彻底清洗，去除颗粒、有机物和金属离子,确保表面洁净。
薄膜沉积
在基底上沉积一层或多层具有特定功能的薄膜。
- 目的：
- 作为结构层（如多晶硅）。
- 作为绝缘层（如二氧化硅SiO₂）。
- 作为导电层（如金属铝、金）。
- 作为牺牲层（如磷硅玻璃PSG，后续会被腐蚀掉以释放结构）。
- 主要技术：
- 热氧化： 在高温下使硅表面与氧气反应，生长一层高质量、致密的二氧化硅（SiO₂）层。
- 化学气相沉积： 在反应腔中通入气体前驱物，在晶圆表面发生化学反应生成薄膜，可分为：
- LPCVD (低压CVD)： 沉积均匀性好，薄膜致密，适合沉积多晶硅、氮化硅等。
- PECVD (等离子体增强CVD)： 温度较低,适合在金属层上沉积介质膜。
- 物理气相沉积： 通过物理方法（如溅射、蒸发）将靶材原子沉积到晶圆上，适合沉积金属薄膜（如铝、金、钛）。
光刻
这是将设计版图转移到晶圆上的核心步骤，被誉为半导体制造的“照相术”。
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- 目的： 在薄膜上精确地定义出所需的图形。
- 步骤：
- 涂胶： 在晶圆表面均匀旋涂一层光刻胶（光敏材料）。
- 前烘： 加热使光刻胶溶剂挥发,增强其附着力。
- 曝光： 将带有版图的掩模版放置在晶圆上方，用紫外光或深紫外光照射，光线通过掩模版上的透明区域照射到光刻胶上，使其发生化学变化（正胶）或不变化（负胶）。
- 显影： 用化学溶剂（显影液）冲洗晶圆，对于正胶，被照射的区域会被溶解,从而将版图上的图形转移到光刻胶上。
- 坚膜： 对显影后的晶圆进行烘烤，去除残留溶剂,增强光刻胶的耐腐蚀性。
刻蚀
将光刻胶定义好的图形,永久性地转移到下方的薄膜或基底材料中。
- 目的： 去除未被光刻胶保护的区域,形成三维结构。
- 两大类刻蚀技术：
- 湿法刻蚀：
- 原理： 使用化学液体（腐蚀剂）与材料发生化学反应来去除材料。
- 特点： 各向同性（向四周均匀腐蚀），刻蚀速率快，成本低，但对于高深宽比的结构,轮廓控制较差。
- 应用： 刻蚀硅（KOH, TMAH溶液）、二氧化硅（氢氟酸HF）等。
- 干法刻蚀：
- 原理： 利用等离子体中的活性粒子（离子、自由基）进行物理轰击和化学反应来去除材料。
- 特点：
- 各向异性： 离子垂直轰击，可以实现几乎垂直的侧壁,非常适合高深宽比结构的刻蚀。
- 等离子体刻蚀： 主要用于刻蚀介质和半导体材料。
- 反应离子刻蚀： 结合了物理溅射和化学反应,刻蚀速率和方向性都很好。
- 深反应离子刻蚀： 这是MEMS制造中的革命性技术，可以实现数百微米深、侧壁近乎垂直的高深宽比结构，是制造陀螺仪、压力传感器等复杂结构的关键。
- 选择性刻蚀： 利用不同材料对特定等离子体或化学腐蚀剂的反应速率差异，只刻蚀特定材料而停止在另一种材料上（如用RIE刻蚀多晶硅，SiO₂作为停止层）。
- 湿法刻蚀：
释放
这是MEMS工艺区别于标准IC工艺最关键的一步。
- 目的： 去除“牺牲层”，释放出活动的机械结构（如悬臂梁、可动质量块）。
- 方法：
- 通常使用氢氟酸或缓冲氧化物刻蚀液，选择性地腐蚀掉作为牺牲层的材料（如磷硅玻璃PSG），而不会损伤结构层（如多晶硅）。
- 释放过程需要非常小心，因为结构变得非常脆弱，容易因表面张力（在液体中释放后干燥时）而粘附在基底上（Stiction效应），为此，常采用临界点干燥或超临界CO₂干燥等技术来避免。
键合与封装
将制造好的MEMS芯片与盖板或其他芯片结合，并引出电极,保护器件并提供与外界的接口。
- 键合：
- 目的： 封装内部腔体，保护活动结构；或者将两个晶圆永久性地结合在一起。
- 方法：
- 阳极键合： 在高温和高电压下，将硅与玻璃（如Pyrex）永久键合，键合界面形成牢固的Si-O-Si键。
- 硅-硅直接键合： 将两个经过特殊处理的硅晶圆表面在高温下直接键合。
- 共晶键合： 利用低熔点金属（如金-硅）在特定温度下形成共晶合金来实现键合。
- 封装：
- 目的： 提供机械保护、电气连接，并为传感器提供所需的环境（如真空、特定气压）。
- 形式：
- 气密封装： 内部为真空或惰性气体，适用于高精度传感器（如陀螺仪）。
- 非气密封装： 内部为空气，成本较低,适用于一些压力传感器等。
- 关键技术： 需要设计特殊的“通孔”（Through-Silicon Via, TSV）或“硅通孔”来实现芯片与封装基板之间的垂直电气连接,这是先进封装的核心技术之一。
测试与最终封装
- 晶圆级测试： 在键合和切割之前，对晶圆上的每个芯片进行初步的电学性能和功能测试，筛选出不合格的芯片,节省成本。
- 切割： 使用精密的钻石刀或激光将晶圆切割成单个的芯片。
- 贴片与引线键合： 将芯片粘贴到封装基板上,并用金线或铜线将芯片的焊盘与封装的引脚连接起来。
- 最终测试： 对封装好的成品进行全面的性能测试、可靠性测试（如高低温、振动、冲击）和老化测试。
- 打标与出货： 打印型号、批次号等信息,包装后出货。
MEMS工艺的核心特点总结
- 与IC工艺兼容： 大量借鉴了IC的设备、流程和技术,可以与CMOS电路集成。
- 高度定制化： MEMS器件种类繁多，没有统一的工艺流程,每种MEMS都可能需要独特的材料组合和工艺步骤序列。
- 三维结构制造： 核心是制造可动的三维机械结构,而IC主要是二维的电路平面。
- 牺牲层释放技术： 这是实现可动结构的关键,也是工艺难点之一。
- SOI晶圆的重要性： SOI简化了工艺，提高了器件性能和良率,已成为高端MEMS的主流选择。
- 深刻蚀技术： DRIE是实现高深宽比结构的核心技术,极大地扩展了MEMS的设计可能性。
MEMS生产工艺是一门融合了材料科学、机械工程、化学和微电子学的交叉学科技术,其复杂性和定制化程度决定了MEMS产品的多样性和高技术壁垒。
