微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 已證明其在智能汽車、手機(jī)和微型胰島素泵等領(lǐng)域中的傳感功效。為了讓這些 MEMS 在未來變得更加強(qiáng)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 合作開發(fā)了一種與 CMOS 兼容的沉積和激光結(jié)晶工藝。與其他常見工藝相比，這種新工藝消除了對(duì)電線和焊點(diǎn)的需求，這一優(yōu)勢(shì)可以顯著減小組件尺寸并提高傳感器性能。
▲溫和的高溫結(jié)晶：Fraunhofer ILT 與 Fraunhofer ISIT 和 IST一起開發(fā)了一種選擇性的、基于激光的結(jié)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(guó)亞琛
解決高溫制造挑戰(zhàn)
MEMS已經(jīng)與人類的生活密不可分，舉例來說，MEMS 傳感器記錄了車輛運(yùn)行的許多關(guān)鍵參數(shù)，因此我們應(yīng)歸功于安全可靠的汽車行駛。MEMS使控制許多車輛系統(tǒng)成為可能，例如安全氣囊、防抱死剎車或電子穩(wěn)定程序。為了測(cè)量加速度等，MEMS慣性傳感器也以數(shù)十億的數(shù)量被集成到智能手機(jī)、智能手表、直升機(jī)等消費(fèi)產(chǎn)品中。為了使 MEMS 傳感器單元能夠可靠、安全地執(zhí)行這些任務(wù)，它們與位于硅載體單元（晶圓）上的電子專用集成電路 (ASIC) 相結(jié)合。
▲弗勞恩霍夫 ILT 選擇性激光結(jié)晶的硅陣列
? Fraunhofer ILT，德國(guó)亞琛
▲Fraunhofer ILT 開發(fā)的硅晶片選擇性激光結(jié)晶工藝的工藝圖
? Fraunhofer ILT，德國(guó)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 450°C，因此由晶體硅制成的 MEMS 傳感器由于傳統(tǒng)上的高制造溫度通常需要單獨(dú)制造。然后它們通過導(dǎo)線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(tǒng)的互連技術(shù)需要相對(duì)較大的空間，并阻礙了 MEMS 的進(jìn)一步小型化，根據(jù)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(gòu)建在 ASIC 上，所以傳統(tǒng)制造過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(jié)晶
Fraunhofer ILT 沒有使用傳統(tǒng)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(gòu)建晶體硅的 MEMS 傳感器。該項(xiàng)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(jié)晶技術(shù)，并通過弗勞恩霍夫 ISIT 將這些最終加工成傳感器。
研究人員正在實(shí)現(xiàn)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(jié)晶，而且還激活它所含的摻雜劑，從而確保合適的導(dǎo)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(dāng)激光輻射用于在高溫下結(jié)晶硅時(shí)，結(jié)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(nèi)）。通過這種方式——結(jié)合有針對(duì)性的溫度管理——該過程最大限度地減少了層材料中的機(jī)械應(yīng)力，但不會(huì)損壞底層基板上的敏感電子設(shè)備。
硅通過直徑為幾 10 μm 的聚焦激光束結(jié)晶，并由鏡子引導(dǎo)以逐步掃描整個(gè)表面。在這個(gè)空間選擇性過程中，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(qū)分開來，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(xiàn)了硅的固相結(jié)晶。由于本地處理時(shí)間短，因此電路并沒有損壞，新開發(fā)的激光工藝將硅層的電阻降低了四個(gè)數(shù)量級(jí)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(jié)構(gòu)的 MEMS 傳感器。
單片 MEMS 集成的優(yōu)勢(shì)
由于晶體硅層可以在 ASIC 晶圓上的 CMOS 兼容條件下生產(chǎn)，F(xiàn)raunhofer正在為集成 MEMS-IC 開辟新的可能性。由于消除了工藝限制，MEMS和IC可以獨(dú)立開發(fā)，從而可能顯著減少開發(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(dǎo)線連接和焊盤，從而使得預(yù)期的寄生干擾變量更低，并改善了對(duì)電磁干擾場(chǎng)的屏蔽，這種消除對(duì)傳感器的信號(hào)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(duì)當(dāng)今 MEMS 系統(tǒng)無法滿足要求的其他應(yīng)用領(lǐng)域具有吸引力。一種可以想象的應(yīng)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(bǔ)隧道或停車場(chǎng)中 GPS 信號(hào)接收的差距。
該過程還為醫(yī)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(jī)中，并使用獲得的數(shù)據(jù)來監(jiān)測(cè)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(yīng)急人員的安全性。
Fraunhofer LIT MEMS技術(shù)積淀
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，早在2021年初，亞琛的Fraunhofer LIT弗勞恩霍夫激光研究所還開發(fā)出了3D打印壓電MEMS微執(zhí)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(jì)性生產(chǎn)可行性。
壓電MEMS是真正的技術(shù)全能產(chǎn)品，因?yàn)槌弘妼蛹瓤梢詧?zhí)行執(zhí)行器功能，也可以執(zhí)行傳感功能：施加電場(chǎng)時(shí)它們會(huì)膨脹，或者將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓。因此，它們?cè)谕ㄐ呕蜥t(yī)療技術(shù)中是神奇的存在，例如，作為泵、閥或揚(yáng)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(zhí)行器比常規(guī)執(zhí)行器具有更好的性能和更高的再現(xiàn)質(zhì)量。PZT層和電極層像兩個(gè)非常細(xì)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(dǎo)電陶瓷鑭鎳氧化物（LNO）作為電極材料。通過省去金屬部件，可以顯著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。
知之既深，行之則遠(yuǎn)?；谌蚍秶鷥?nèi)精湛的制造業(yè)專家智囊網(wǎng)絡(luò)，3D科學(xué)谷為業(yè)界提供全球視角的增材與智能制造深度觀察。有關(guān)增材制造領(lǐng)域的更多分析，請(qǐng)關(guān)注3D科學(xué)谷發(fā)布的白皮書系列。
