微观在握---不可小看的微机电系统

鲍海飞 2012-10-31

集成电路(IC)和微机电系统(MEMS，Micro-electro-mechanical system)主要是在基于硅的圆片上进行加工和制造的，二者有许多共性和个性。集成电路已经有60多年的历史，成为今天工业技术等各领域中最重要的内核，集成电路芯片的应用已经渗透到各个领域中，因此有Intel公司的著名广告语‘Intel inside’。在集成电路业界中，一般把工艺分为‘前道’和‘后道’之分，即芯片在封装前和封装后两个制造过程。而微机电系统的发展至少也有50多年的历史了,成为今天硅材料上发展的又一个主要方向，如各种类型的传感器。如，成功应用在汽车上作为安全气囊起动的量程为50g(1g=9.8m/s2)的加速度传感器、喷薄打印机的喷嘴、医用的血压计等；并在物联网中、智能家庭、健康建筑物等方面上，都有着广泛的应用前景，完成信息的敏感提取和监测等。

微机电系统主要是在硅片上或其它材料上加工制造微传感器和微器件，所制造的器件即有静态结构，又有动态结构。器件的加工线条尺度在微米和纳米量级，器件可以和集成电路集成在一起，完成信息的检测、处理和控制等作用。因为微器件可以做得很小，重量非常轻，最重要的是能够批量制造（有所谓的与IC兼容），器件具有很高的一致性，并可以制备多种类型的微传感器，包括物理量和化学量传感器。而物理量传感器中最重要的是压力传感器、加速度传感器和陀螺等器件。MEMS和IC都采用相类似的工艺、光刻、氧化、溅射等工艺，但MEMS还有自己很独特的加工制造等特点。

曾经在微机电系统的研究和产业化过程中，人们发现只单纯用‘前道’和‘后道’工艺两个名词已经不是十分确切了。因为，人们忽然发现，器件的封装成本和测试成本已经占据全部成本中的大部分了，成为重要的环节了。为什么会是这样？因为集成电路和微机电系统加工制造中存在一个巨大的差别。集成电路采用的氧化、扩散和腐蚀等工艺都是表面平面二维的加工技术，即在硅片的表面利用扩散技术完成了电阻、二极管、三极管和电容的加工制造，并构成了相应的功能电路，即是表面的二维的物理加工过程。而微机电系统所加工的器件，除了有简单的平面工艺之外，更多的是三维加工过程，不仅有硅片的正面腐蚀过程，还有硅片的背面腐蚀过程，这样就在硅片表面的适当位置制造出一些悬臂梁和薄膜等尺寸在微米、甚至纳米的微结构。加工制造出的悬臂梁和薄膜等结构，是立体的、三维的和可动的结构，当然也有类似微流体管道静态的微结构器件。这样加工制造出来的器件是‘开放’结构，必需要加一个‘盖子’来保护（当然，并不是所有的都要加这个盖子）。这是MEMS和IC技术的一个主要差别（IC可以直接塑封）。因此，MEMS器件的封装过程曾经是一个主要瓶颈，因为研发初期，在晶圆分片后，再对独立的芯片进行键合和封装，这无疑就是手工操作时代，并且是在显微镜下进行对准、调试，在操作上相当困难，效率低下。之后，出现了晶圆即整个4寸片硅片及以上尺寸硅片的对准键合技术（bonding），实现了硅-硅、硅-玻璃等键合技术，这才解决了‘开放’结构的包含问题，并真正实现了MEMS的批量制造的自动化时代。

在键合和封装等问题解决之后，人们发现微传感器的测试技术又成为制约微机电系统进程的一个重要因素，即测试技术成为发展的瓶颈。因为微传感器是单独的器件，微器件要敏感外界的运动量（振动等过程）响应，微结构在外加信号的作用下要发生运动，产生位移和形变，如加速度传感器和陀螺传感器等。而这样的问题在集成电路中是不存在的，即集成电路中不存在可动的结构部件,因此，这需要对MEMS的每个器件进行测试，才能确定其是否能够正常使用和工作，这就需要花费大量的时间和人力成本。

是什么导致器件必须要单独测试呢？因为在微传感器的加工制造过程中，有一些结构不能很好地被‘释放’出来。这是由于整个晶圆的厚度存在几微米的差别，这样在腐蚀过程中，就导致晶圆上不同位置腐蚀的深度不同，从而有的结构就没有很干净的被‘释放’（release）出来；此外，腐蚀液中用的碱性溶液的不均匀性（或者干法腐蚀的不均匀性等），以及光刻造成微结构边缘的不整齐等因素，都会导致微结构不能完全有效的释放，造成器件缺陷。因此，当外界有振动等信号作用时，微传感器就不能完成‘动作’响应，从而不能对外界信号响应。即加工制造的器件不是一个好的器件。

所以，在MEMS中，不但要测试传感器的电学特性，还要测试传感器的力学特性或运动特性（针对惯性传感器来说）。而集成电路则是整个晶圆在测试设备下只需要测试电路的电特性就可以了。因此，需要对MEMS的每一个器件进行独立测试。随着技术的发展，现在已经发展了一些技术可以实现自检测过程，这样就可以原位检测微结构是否被‘释放‘出来了，这将减小测试成本。

至于为什么要把器件做小，这即包含了理论的意义和实际应用的价值，除了提到的体积小质量轻等优势之外，更重要的是，利用IC集成技术可以极大地降低制造成本，器件具有广泛的一致性，实现微观尺度下的机电一体化；第二，可以把不同功能的器件极大地集成在一起；第三，微纳米尺度的结构本身就是一个被研究的对象；同时它也是一个微分析的平台，可以研究微纳米尺度上的各种微观力、热、电效应的有力工具，是一个敏感的尖锐而有细小的触角，等等。

因此，到今天，随着技术和研究的不断深入，微纳米制造技术难关一个一个地被攻破，许多器件都已经得到了应用。微机电系统虽然发展成熟了很多，但依然有很大的发展空间待发掘，比如，在大晶圆片上均匀腐蚀技术的研发，在自动测试设备上的研发等，以及与IC集成一体化技术的研发，甚至许多潜在的市场开发等。