一文详解MEMS压力传感器技术

      MEMS，微机电系统，是1959年12月由理查德·费曼最早提出的概念，是将微观模拟机械元件机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、信号传输和电源等集成于一体构筑而成的可以批量制作的复杂的微型器件或包括该器件的系统。其开发始于20世纪60年代，在20世纪80年代进入了飞速发展的阶段，在各个领域都具有广阔的发展前景，近年来MEMS器件的制造和销售呈迅速增长之势。

      MEMS压力传感器是目前MEMS器件的重要应用领域，大致可以分为电容式、压阻式、压电式、金属应变式、光纤式等种类，MEMS压力传感器的性能随着材料和制造工艺的进步提高了几个数量级，并通过使用类似与集成电路的设计技术和制造工艺，实现了高精度、低成本的批量生产，并在未来具有广泛的产业应用和良好的发展前景。 　　

MEMS压力传感器基底材料 　　

      基底材料是制造MEMS压力传感器的基础，不同的基底材料的选择不但影响了MEMS压力传感器的性能，也决定了器件制备过程中的工艺选择，目前进行MEMS压力传感器加工的基底材料主要分为硅基材料和非硅基材料，其中硅基器件的加工工艺由于其与现有集成电路加工工艺的兼容性目前得到广泛的应用。 　　

      硅基材料类型主要分为包括多晶硅、单晶硅、非晶硅的硅材料，包括SOI和SOG的绝缘体上硅，新兴的碳化硅半导体材料。 　　

      早期的MEMS压力传感器是基于常规压力器件的材料铜作为基底材料进行制造，进入90年代以后，以常规硅材料例如非晶硅、单晶硅、多晶硅等作为基底材料进行MEMS器件制造由于具有硅集成电路加工的基础，成为了MEMS器件加工和产业化的主流工艺，但由于MEMS器件相对于集成电路在器件性能和尺寸方面具有更高要求。为了改善在制造不同类型和应用的MEMS器件常规硅基底材料在结构和性能方面的不足，基于对于常规硅基基底材料的改进，西门子公司提出了使用SOI基底制造MEMS压力传感器，斯坦福大学提出了可以使用整块碳化硅作为基底制造MEMS压力传感器。 　　

      此后由于硅基材料制备MEMS器件集成产业化的需求，基于基底材料制造完整的MEMS传感器结构和配套ASIC系统以实现完整的集成压力传感系统的需求，荷兰NX公司提出了使用SOI基底制作MEMS传感器和电路结构集成系统，MEMS-VISION公司提出了使用碳化硅基底制作MEMS传感器和电路结构集成系统。 　　

      此外，随着压力传感器研究和应用领域的不断推广，基于器件类型的不同，目前开始选择具有特定性能的例如电致收缩材料、磁性材料、压电陶瓷、记忆合金、聚合物材料等其他材料进行器件制造。

MEMS压力传感器的蚀刻工艺 　　

      蚀刻工艺是基于MEMS基底材料构建器件图形和结构的关键工艺，不同的蚀刻工艺的选择对器件图形的精度以及器件的性能有重要影响，目前的蚀刻工艺包括使用碱性/有机溶液进行的湿法刻蚀工艺和干法蚀刻工艺，目前主要使用的干法蚀刻工艺包等离子刻蚀工艺（PE），反应离子刻蚀工艺（RIE）和感应耦合等离子刻蚀工艺（ICP）。 　　

      由于MEMS传感器的制造技术是基于较为成熟的集成电路的制造工艺，而基于常规硅基底材料进行集成电路工艺中半导体器件制造的干法和湿法蚀刻工艺在MEMS器件出现以前就已经经历的很长时间的发展和演进。 　　

      关于常规硅材料进行各向同性和各向异性得到特定器件图形的相关干法和湿法蚀刻工艺已经发展的比较成熟，而干法刻蚀由于相对于湿法刻蚀工艺具有分辨率高，各向异性腐蚀能力强，不易产生器件结构粘结等特点，在器件制备过程的尺寸控制中具有明显的优势。 　　

      其中通过离子反应刻蚀取得高深宽比硅图案的博世工艺出现后，干法刻蚀工艺由于能够控制蚀刻速率制造高深宽比的器件图形结构，逐渐成为了器件刻蚀的主要方式，推动着MEMS压力传感器的制造工艺正在向更高分辨的方向发展。

MEMS压力传感器的封装工艺 　　

      封装工艺是实现MEMS压力传感器产业化的关键工艺，占MEMS压力传感器制造总成本的60%～80%。 　　

      而MEMS压力传感器需要在封装过程中经过键合实现与对于器件结构的支撑和保护以及实现器件结构与外部电路的电学连接，它虽然不是直接进行MEMS压力传感器器件结构加工的技术，但是对于实现器件的应用和功能起着决定性的作用。 　　

      依托于半导体加工工艺，实现MEMS器件的元件键合具有多种手段，包括通过黏合剂黏接的键合工艺，通过焊料焊接的键合工艺，通过中间材料熔融连接的键合工艺，硅硅直接热键合工艺，通过电荷积累原理实现的硅玻静电键合以及通过金属与硅或金属间反应形成共晶物实现键合的金属共晶键合工艺。但是由于MEMS器件具有多种立体结构和不同组成的材料层，对于器件中元件工作环境的真空度要求高，使用粘合剂进行封装的键合工艺不能满足器件加工需求。 

      目前在MEMS器件的封装过程采用的键合工艺是不使用任何粘合剂，仅通过化学键和物理作用实现器件结构间紧密结合的方法，主要是硅硅直接键合，硅玻静电键合以及共晶键合三种。键合工艺在MEMS压力器件出现前就已经随着硅半导体工艺的进步发展地比较成熟，在器件制造过程中基于材料的不同和器件连接性能的要求不同选择不同的键合工艺实现器件的组装和连接一直作为器件加工过程中的常规手段，但是由于MEMS压力传感器件在尺寸、结构和工作原理方面特殊性，MEMS器件的键合工艺在常规半导体键合工艺的技术上具有一定的改进。 　　

      在硅硅直接键合和静电键合技术方面，由于其在键合过程中需要使用接近1000℃的高温会造成器件中产生应力引起翘曲变形，因此，MEMS压力传感器键合过程中通过对键合区域进行优化改进以减小键合过程中的温度不均和器件结构变形；在共晶键合技术方面，此后随着由于MEMS压力传感器与ASIC系统集成连接的需要，共晶键合由于在形成电连接方面的优势成为MEMS器件集成制造中的主要键合方式，未来随着对MEMS压力传感器件尺寸和性能的发展，其在与系统中其他芯片键合过程中实现电互连的要求也会不断提高，未来共晶键合将会是MEMS压力传感器键合工艺的主要方式。