半导体MEMS工艺是一种将微电子技术与微机械加工技术结合的尖端制造技术,能够批量生产微型传感器、执行器等器件,具有高精度、低成本、集成化等核心优势。其核心工艺包括光刻、薄膜沉积、刻蚀等步骤,广泛应用于消费电子、医疗、汽车等领域。
半导体MEMS工艺的核心在于通过微米级加工实现复杂三维结构。例如,利用表面牺牲层技术,先在硅基上沉积牺牲层材料(如氧化硅),再覆盖结构层(如多晶硅),最后腐蚀牺牲层形成悬空结构。这种工艺与集成电路技术高度兼容,可在单晶硅片上批量制造数百个器件,显著降低生产成本。美国ADI公司率先实现MEMS与电路的集成,推出高性能惯性传感器。
材料选择直接影响器件性能。硅因其优异的机械特性和半导体性质成为主流材料,而氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)等压电材料则用于高端器件。低应力薄膜技术是关键挑战,需通过化学气相沉积(CVD)精确控制薄膜应力,避免结构变形。例如,采用低压CVD(LPCVD)制备的多晶硅薄膜,在牺牲层腐蚀后仍能保持结构完整性。
封装技术占MEMS成本的40%以上。传统IC封装会引入应力干扰可动部件,因此需采用晶圆级封装(WLP)或三维硅通孔(TSV)技术。例如,长电科技通过TSV技术实现传感器与处理电路的垂直互联,提升信号传输效率。疏水性涂层(如类金刚石碳膜)可防止微结构因表面张力黏连,提高器件可靠性。
未来趋势聚焦多层多晶硅集成与智能化生产。Sandia国家实验室的CMOS MEMS工艺将电路与微机械结构分层制造,兼顾性能与成本。国内企业如罕王科技正布局8英寸产线,结合AI缺陷检测技术提升良率。但高端工艺仍依赖进口设备,如深槽刻蚀机等。
掌握半导体MEMS工艺需突破设计仿真、特殊材料、精密封装等瓶颈,但其在智能穿戴、自动驾驶等领域的应用潜力巨大,是推动微系统创新的核心驱动力。