MEMS科普 | 制造工艺概述-感算商城

MEMS制造融合了半导体加工与精密机械构建技术，是物联网与人工智能时代的热门话题。为使读者进一步了解MEMS制造的主要方法与关键工艺环节，赛微电子微信公众号特别推出《MEMS制造工艺科普系列》，带您梳理MEMS器件从设计图纸到成品芯片的创造实现过程，本篇为该系列首篇文章。

什么是MEMS？

将头发丝般细小的传感器、执行器、电子电路、机械结构，集成在一块小小的硅片上，让它们协同工作，感知环境、执行动作、处理信息——这就是我们所说的MEMS（微机电系统）。

“Micro-Mechanical” 微机械

MEMS芯片拥有可动的微结构，常见的有悬臂梁、薄膜、齿轮、谐振腔、阀门、镜子等。

“Electro” 电子

集成电路负责信号处理、控制逻辑和通信，是MEMS的“大脑”。

“Systems” 系统

微机械结构与电子电路紧密集成，共同构成一个完整的、具有特定功能的微系统。

MEMS的核心优势

微型化：尺寸小（微米到毫米级），重量轻，满足手机、耳机等小型智能设备需要。

批量化：采用类似集成电路的工艺制造，每片晶圆可分割成百上千颗，成本相对低廉。

高性能：由于MEMS尺寸小，因此在部分领域具备高灵敏、反应快、低功耗的优势。

易集成：易与ASIC（专用集成电路）集成，具备可编程、可重构能力，形成智能传感器系统。

MEMS的核心制造工艺

制造这些精密的微米级“小机器”，离不开一系列半导体工艺步骤，其核心思想是：在硅片（晶圆）上，通过“加法”（沉积）和“减法”（刻蚀）的反复操作，“雕刻”出所需的三维结构。

光刻 - “绘制蓝图”

Part.1

作用：将设计好的MEMS结构图案转移到涂有光刻胶的硅片上。

过程：硅片清洗、涂胶（光敏材料），之后通过掩膜版（Mask，相当于底片）进行紫外线曝光。最后，通过显影溶解掉被曝光（或未曝光，取决于胶的类型）区域的光刻胶，形成图案化的“保护层”。

关键点：决定后续工艺的精度和最小特征尺寸。

薄膜沉积 - “添砖加瓦”

Part.2

作用：在硅片表面生长或覆盖各种材料的薄膜，如二氧化硅 (SiO2)、氮化硅 (Si3N4)、多晶硅 (Poly-Si)、金属（铝Al, 金Au）等。这些薄膜作为结构层、牺牲层、绝缘层或电极。

常用技术：化学气相沉积 (CVD)、物理气相沉积 (PVD - 如溅射)、热氧化（生长SiO₂）。

刻蚀 - “精雕细琢”

Part.3

作用：有选择性地去除未被光刻胶保护的硅或薄膜材料，形成所需的凹槽、孔洞或释放可动结构。这是形成三维结构的关键步骤。

湿法刻蚀 (Wet Etching)：使用化学溶液（如KOH, HF）。各向异性（方向性）或各向同性（无方向性）取决于材料和腐蚀液。

干法刻蚀 (Dry Etching)：使用等离子体（如反应离子刻蚀 RIE, 深反应离子刻蚀 DRIE/Bosch Process）。DRIE是实现高深宽比、垂直侧壁结构（如惯性传感器质量块）的核心技术。

牺牲层技术 - “金蝉脱壳”

Part.4

作用：制造可动结构（如悬臂梁、薄膜）。

过程：

1）

沉积一层牺牲层材料（通常易于被特定刻蚀剂去除，如二氧化硅、某些聚合物）。

2）

在牺牲层上沉积结构层材料（如多晶硅、氮化硅、金属）。

3）

光刻、刻蚀结构层，形成所需的可动部件形状。

4）

使用特定的刻蚀剂（如HF气相或液相）选择性地完全去除掉下方的牺牲层，从而释放结构层，使其能够自由移动。留下的就是悬空的微结构及其下方的空腔。

MEMS制造的两大流派

基于核心工艺的组合，主要形成两种制造方法：

体硅微加工

Part.1

作用：主要对硅衬底本身进行深度刻蚀（常用湿法各向异性刻蚀或DRIE）来形成腔体、沟槽、质量块等三维结构。

特点：结构通常较厚（与硅片厚度相关），机械性能好，常用于加速度计、陀螺仪、压力传感器等。（图1中的悬臂梁和空腔可以看作是体加工的结果）

基于SOI衬底的体硅加工工艺流程

截面示意图

表面微加工

Part.2

作用：主要通过在硅片表面交替沉积和刻蚀薄膜层（结构层和牺牲层）来构建可动结构。结构完全建立在硅片表面之上。

特点：结构层较薄（数微米），可实现更复杂的多层结构，高度依赖牺牲层技术。常用于制造微镜、RF开关、复杂的微执行器等。

意法半导体公司基于表面硅微加工

技术开发的THELMA工艺流程图

结语

从智能手机、可穿戴设备、汽车电子，到工业自动化、医疗设备（如微型给药泵、内窥镜胶囊）、通信（如光开关、光波导）、物联网感知节点，再到航空航天，MEMS技术正在渗透到我们生活和科技的方方面面。它让设备更智能、更小巧、更节能，是推动智能化时代发展的关键赋能技术之一。

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