微机电系统（MEMS）是将微电子技术与机械工程结合，在微观层面制造传感器、执行器、或其他器件的技术。与传统的集成电路（IC）制造主要关注二维的电学功能不同，MEMS工艺核心在于如何在硅晶圆或其它基底上制造出具有复杂三维形貌和可动结构的微型机械部件。这需要一套独特且高度专业化的制造流程和技术。
什么是MEMS工艺？
MEMS工艺是一系列用于在微观尺度上制造机械和机电系统的制造技术的总称。它不仅仅是简单地缩小传统机械部件，而是在半导体工艺的基础上，融入了创建三维结构、可动部件以及不同材料集成的独特步骤。
与标准的IC工艺（如CMOS工艺）相比，MEMS工艺有几个显著区别：
- 材料多样性： MEMS工艺使用的材料远比CMOS丰富，除了硅（包括单晶硅、多晶硅）外，还广泛使用氮化硅（SiN）、二氧化硅（SiO2）、金属（铝、金、铂、镍、铜等）、甚至陶瓷和聚合物。这些材料的选择取决于所需的机械、电学、热学或生物学特性。
- 三维结构制造： IC工艺主要制造平面或近似平面的多层电学互连。MEMS工艺则需要创建悬臂梁、膜片、梳状驱动器、微镜等具有复杂三维形状和高深宽比（高度远大于宽度）的结构。
- 可动部件： 许多MEMS器件包含可以移动、弯曲或振动的部件，这是IC所不具备的特性。实现这些可动部件需要特殊的“释放”步骤。
- 工艺步骤： 虽然共享一些基本步骤（如光刻、薄膜沉积），MEMS工艺引入了独有的技术，尤其是深反应离子刻蚀（DRIE）、牺牲层刻蚀、晶圆键合等，以实现其独特结构。
为什么需要专门的MEMS工艺？
标准的IC制造工艺主要优化用于制造高性能的晶体管和互连线，它们擅长在二维平面上构建复杂的电学网络。然而，这些工艺在构建具有特定机械属性（如刚度、弹性、质量）、高深宽比几何形状或可动部件方面存在局限性。例如：
- 刻蚀限制： IC刻蚀通常追求精确的二维图形转移，对刻蚀深度和侧壁倾角控制要求与制造高深宽比结构（如MEMS传感器中的质量块或弹簧）不同。IC刻蚀难以制造垂直且深度达几十到几百微米的沟槽。
- 材料限制： IC主要使用硅、氧化硅、氮化硅和几种金属。而MEMS可能需要具有特定机械性能（如低内应力、高屈服强度）或特殊功能（如压电、热敏）的材料，这些材料并非IC工艺的标准组成部分。
- 结构限制： IC工艺本质上是层层堆叠的二维工艺。要创建可以自由移动的悬浮结构（如加速度计的质量块），需要移除下方或周围的支撑材料，这就需要牺牲层和释放刻蚀这些IC工艺中不常见的步骤。
- 封装挑战： MEMS器件通常对环境敏感（灰尘、湿气），且可动部件需要在腔体中运行。这需要晶圆级的气密封装技术，如晶圆键合，这也是IC后道工艺中不常见的。
因此，为了在微观尺度上实现机械功能，并将机械结构与电子电路集成，必须发展出针对性强的MEMS工艺，专门解决这些三维、可动和多材料集成的挑战。
MEMS工艺如何在晶圆上实现？
MEMS工艺通常在硅晶圆或其他合适基底上进行，通过一系列的光刻、刻蚀、沉积、键合和释放等步骤来构建微型结构。以下是一些核心的工艺模块及其在MEMS制造中的应用：
光刻 (Lithography)
如同IC工艺，光刻是图形转移的基础。通过光刻胶在晶圆表面选择性地定义出需要处理的区域。在MEMS中，由于需要制造较厚的结构（几十甚至几百微米），有时会使用厚膜光刻胶或双层光刻胶技术来获得具有高纵横比的光刻图形。
薄膜沉积 (Thin Film Deposition)
在基底上生长或沉积各种薄膜材料，用于构建结构层、牺牲层、绝缘层、导电层或钝化层。常见的沉积技术包括：
- 物理气相沉积 (PVD)： 如溅射（Sputtering）或蒸发（Evaporation），常用于沉积金属薄膜（铝、金、钛等）。
- 化学气相沉积 (CVD)： 如低压化学气相沉积 (LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)。广泛用于沉积多晶硅、氮化硅、氧化硅等，这些材料常作为MEMS的结构层或牺牲层。LPCVD多晶硅因其良好的力学性能和与CMOS工艺的兼容性而被广泛用作结构材料。
- 原子层沉积 (ALD)： 提供极高的薄膜均匀性和厚度控制，适用于沉积超薄的功能层或钝化层。
- 电镀 (Electroplating)： 常用于在模具中生长厚金属结构，如LIGA工艺或制造某些射频MEMS器件中的金属部件。
刻蚀 (Etching)
选择性地移除材料，是MEMS工艺中创建三维结构的关键。刻蚀可分为干法刻蚀和湿法刻蚀。
- 湿法刻蚀： 使用化学溶液进行刻蚀。对于单晶硅，各向异性湿法刻蚀（如使用KOH或TMAH溶液）会沿着晶体解理面进行刻蚀，形成具有特定角度（如54.7°）的侧壁。这称为体微加工（Bulk Micromachining），可以用来制造膜片、悬臂梁或腔体，但形状受到晶向限制。同向性湿法刻蚀（如使用HF溶液刻蚀氧化硅）则不受晶向限制，用于牺牲层刻蚀等。
- 干法刻蚀： 使用等离子体或反应性气体进行刻蚀。
- 反应离子刻蚀 (RIE) / 等离子体刻蚀： 常用于图形转移和浅层刻蚀。
- 深反应离子刻蚀 (DRIE)： 这是MEMS工艺中最具代表性的技术之一，尤其是博世工艺（Bosch Process）。通过交替进行等离子体刻蚀（如SF6）和侧壁钝化（如C4F8），可以在硅晶圆上制造出深达几百微米、侧壁接近垂直且深宽比极高的结构（如加速度计的梳状驱动器或陀螺仪的振动质量块）。DRIE极大地提高了MEMS设计的自由度。
牺牲层技术 (Sacrificial Layer Technology)
这是实现可动MEMS结构的核心技术之一。在制造结构层之前，先沉积一层“牺牲层”。结构层在牺牲层上沉积并进行图形化。最后，通过特定的刻蚀步骤（通常是湿法或汽相刻蚀），选择性地移除牺牲层，而不会损伤上方的结构层，从而使结构层获得自由度，成为可以移动的部件。
例如，在制造表面微加工的悬臂梁时，可以在硅基底上先沉积一层牺牲层（如氧化硅），然后在氧化硅上沉积一层结构层（如多晶硅）。通过光刻刻蚀定义多晶硅梁的形状，并在梁的一端保留与基底的连接点。最后，用HF溶液刻蚀移除氧化硅牺牲层，多晶硅梁的另一端就被“释放”出来，可以自由弯曲或振动。
晶圆键合 (Wafer Bonding)
将两个或多个晶圆永久性地结合在一起，常用于构建复杂的叠层结构、制造封闭腔体（用于保护MEMS结构免受环境影响或提供真空/特定气体环境）或集成不同工艺/材料的芯片。
- 阳极键合 (Anodic Bonding)： 通过在玻璃和硅之间施加高压和加热，利用钠离子迁移形成的静电引力实现键合，常用于将玻璃盖板与硅MEMS晶圆键合形成气密封装。
- 硅-硅融合键合 (Silicon Fusion Bonding)： 在高温下使两个干净的硅表面直接结合，形成原子级的键合，常用于SOI（绝缘体上硅）晶圆制造或制造体微加工的器件。
- 热压键合 (Thermocompression Bonding) / 共晶键合 (Eutectic Bonding)： 利用加热和压力，或使用中间层（如金锡共晶合金）实现键合。适用于金属层之间的键合或金属与硅之间的键合。
封装与测试 (Packaging and Testing)
MEMS封装比IC封装更复杂，因为它不仅需要提供电连接和保护，还需要保持MEMS结构的机械功能，并可能提供特定的内部环境。晶圆级封装（WLP）技术，尤其是晶圆键合封装，在MEMS中应用广泛。测试也需要结合电学和机械性能的测试。
MEMS工艺在哪里应用和制造？
MEMS工艺的应用领域极为广泛，几乎渗透到现代生活的方方面面：
- 消费电子： 智能手机、平板电脑中的加速度计、陀螺仪、磁力计、压力传感器、MEMS麦克风；游戏手柄、运动追踪器；喷墨打印机头。
- 汽车工业： 车辆稳定性控制（ESC）中的加速度计和陀螺仪；轮胎压力监测系统（TPMS）中的压力传感器；安全气囊的碰撞传感器；发动机进气压力传感器。
- 医疗健康： 微流控芯片（用于诊断、药物筛选）；植入式传感器（如血糖监测）；药物输送系统；生物传感器；血压传感器。
- 工业领域： 工业过程控制中的压力传感器；环境监测传感器；振动监测；高精度仪器仪表。
- 航空航天与国防： 惯性导航系统；高精度压力传感器；微型卫星推进器。
- 通信： 射频MEMS开关、可调电容器（用于手机信号处理）；微镜（用于光通信）。
MEMS器件的制造主要集中在拥有先进半导体制造能力的地区。制造厂包括：
- 大型半导体代工厂（Foundries）： 部分大型代工厂提供MEMS代工服务，通常是在其成熟的CMOS生产线上增加特定的MEMS工艺模块。
- 专业的MEMS代工厂： 专注于提供各种MEMS工艺平台的代工服务，具有更广泛的材料和工艺选择。
- 整合器件制造商（IDM）： 如博世、意法半导体、ADI等公司，拥有自己的MEMS设计、制造和封装能力，从晶圆到最终产品全流程控制。
- 研究机构和大学实验室： 进行MEMS新工艺、新器件的研发和小批量原型制造。
MEMS制造对洁净度的要求与IC相似，需要在高等级的洁净室环境中进行。
MEMS工艺的关键技术特点与“多少”？
理解MEMS工艺，绕不开其特有的尺度和成本考量：
- 特征尺寸： MEMS的最小特征尺寸通常在微米到亚微米级别，虽然可以做到纳米级，但出于机械结构的鲁棒性、刚度或制造成本考虑，很多结构的特征尺寸（如线宽、间隙）比最先进的IC（纳米级别）要大。然而，结构的整体尺寸（如传感器芯片大小）则非常微小。
- 结构高度与深宽比： 这是MEMS工艺区别于IC的关键之一。通过DRIE等技术，可以在几十到几百微米的厚度上刻蚀出深而窄的沟槽，深宽比可以轻松达到10:1、20:1甚至更高。这使得在微观尺度上实现复杂的机械运动和力学特性成为可能。
- 层数： 简单的MEMS器件可能只需要1-2层结构层和1层牺牲层（如简单的悬臂梁或膜片）。复杂的器件，如一些陀螺仪或微流控芯片，可能需要3层、5层甚至更多结构层和牺牲层，以及多层键合。
- 生产成本： MEMS制造的单位成本受多种因素影响。
- 晶圆尺寸： 大多数MEMS在8英寸或12英寸晶圆上生产，与IC相似，晶圆越大，单颗芯片成本越低。
- 工艺复杂性： 工艺步骤越多、光罩层数越多、使用特殊材料或键合等技术，成本越高。
- 良率： MEMS工艺，特别是涉及可动部件释放和复杂键合的工艺，良率通常低于成熟的IC工艺，这会显著推高单位成本。
- 设备与厂房： 需要购置和维护昂贵的半导体制造设备和洁净室，这部分固定成本很高。但总体而言，构建一个MEMS工厂的资本开销通常低于最尖端的IC工厂。
- 生产批量： MEMS产品的生产批量差异巨大。用于消费电子的加速度计、陀螺仪、麦克风等是十亿级别的海量市场，推动了工艺的标准化和成本的降低。而一些用于医疗或工业领域的MEMS器件可能是小批量、高附加值生产。
总的来说，MEMS工艺是一种融合了传统微电子技术和独特微机械制造方法的复杂系统工程。它通过精确控制材料沉积、刻蚀、结构释放和晶圆键合等技术，在微观世界构建出具有感知、执行或处理能力的微型器件，极大地扩展了微系统的功能边界。
理解MEMS工艺，不仅仅是知道其定义，更在于深入了解它如何通过光刻定义蓝图、如何通过沉积构建材料层、如何通过刻蚀雕刻出三维形貌、如何通过牺牲层释放可动部件、以及如何通过键合实现多层集成和封装。正是这些独特而精密的步骤，共同构成了MEMS这座微观世界的“建造”艺术。
