MEMS晶圆和Bio-MEMS工艺的自组装单分子膜：保护和提升下一代器件的功能
2015-12-03 21:16:53   来源：memsstar公司   评论：0   点击：

自组装单分子膜（SAM: Self Assembled Monolayers）涂层已成为电子器件表面改质的一种重要途径。SAM的单分子膜中包括反应基及官能团，反应基和官能团可以有各种不同的组合：改变反应基可已让用户将单分子膜黏附在各种待处理的器件上，而单分子膜不同的官能团可以完全改变器件表面的性质。

自组装单分子膜是什么？

顾名思义，这种处理方法就是沉积单分子层的功能材料。该领域对所用的多种化学品的开发已经进行了很多年。最近对于这些涂层的研究重点是将其作为疏水性的表面以延长器件的寿命。对该方法表示浓厚兴趣的是那些开发微机电系统（MEMS）的团队，特别是那些研发传感器（加速度计和陀螺仪）和MEMS麦克风的团队，因为他们典型器件的使用环境中充满来自环境的污染物。

单分子膜分为两个部分：反应基和官能团，或称为头端和尾端。反应基在改质过程中与被处理的表面发生反应，在表面和单分子膜之间形成键合；官能团是履行所需功能的尾端。最常见的两种反应基是硫醇和氯硅烷。当单分子膜将沉积在金的表面时会使用硫醇，反应基中的硫和器件表面的金会发生强力的键合。氯硅烷包括由氯围绕的硅原子，通常是以三氯甲硅烷的形式呈现。当待处理器件的表面是硅或二氧化硅（SiO2）时，使用氯硅烷反应基可以造成硅氧键来粘附单分子膜。

官能团可分为三种：疏水性（防粘滞）、亲水性、生物相容(生物活性)。

疏水或防粘滞层用来让器件表面排斥水分累积。最常应用于加速计、微麦克风和陀螺仪上，原因在于它们运行的环境无法避免湿度的存在。这层单分子膜可以防止因环境湿度累积所造成的粘滞作用，即两个表面永久性地粘合在一起造成器件故障。

亲水涂层旨在通过与液体联接而从另一个途径克服粘滞作用。通过这种方式，单个水滴会被伸展到器件上的大片区域。这样液体将无法在表面局部聚集，多余的液体从而也无法在局部累积。

生物相容或生物活性涂层在医疗设备和芯片实验室市场有多种用途，包括用于分析多种生物材料。它们已普遍应用于糖尿病的血糖分析和在药物上添加特殊DNA涂层来治疗特定的疾病。

沉积方法

目前有两种沉积方法：浸没和汽相沉积。

浸没法只是把待处理的器件表面沉浸在单分子膜溶液中，并停留24到48小时。这提供了充分的时间，使得涂层能和器件表面结合，成为一个完整的单分子膜。这种方法在设备成本方面相对便宜，但溶使用液的寿命和保存期限很有限。由于溶液很难避免和环境中的水分发生接触，如果单分子膜溶液在与器件表面结合前发生其他反应，那么它将产生不当的聚合反应而且可能变干。必须注意，务必将化学品存放在干燥的环境中。

汽相沉积法如今逐渐受到关注，因为它可以将涂层法融入标准生产工艺流程中。汽相沉积法是在真空环境下进行，从而排除早期聚合的风险，而且大大减少完整一层单分子膜的沉积时间（从长达48小时变为几分钟）。同时，如果采用最先进的工艺设备（如英国memsstar®公司所提供），器件可以先进行干法释放刻蚀，然后在不打破真空的情况下，直接接着进行SAM涂层的工艺，这是制造并保护敏感器件的最佳方法。

由于这些新真空设备能减少沉积时间并提供不同用户所需沉积不同薄膜的能力，使业界进一步提升了对自组装单分子膜的研究兴趣；同时，它们还为未来的研发设计人员提供了一套用于开发下一代器件高度健全的系统。

为何使用SAM涂层？

SAM涂层最终赋予研发设计人员和生产商改造器件的能力，而所运用的方法可降低对额外生产和处理步骤的需求。从前所使用的防粘滞办法，是在器件工艺流程中插入额外步骤，使器件表面变得粗糙，减少暴露的平整表面区域，从而抑制水分的局部累积。这种方法需要大量的额外步骤，包括层沉积和光刻或其他方法仅将待处理的区域暴露。这会带来额外5到10项步骤。这些步骤也许还包括漂洗和临界点干燥（CPD）法，而有些团队可能会希望完全避开这些方法。因为这减慢了开发时间，而且不是对所有器件都可行，特别是对Bio-MEMS器件而言。

在Bio-MES中，芯片实验室（LOC: Lab-On-Chip）团队用来制作手持式生物分析仪器的可用工艺很有限。SAM涂层的应用快速增进了这些新器件的研发和生产，而其它方法由于无法满足特殊涂层的需要而不适用于这些器件。此外，将不同涂层置于同一器件上的能力也为前期开发多测试系统提供了可行性。如今有些团队在开发药物测试器件，通过使用为特殊化学成分定制的SAM涂层，从单一的分析样本上可开展多项测试。此外，SAM涂层也被用于开发新的癌症疗法，包括研发了应用于一种药物上的涂层，能瞄准一种特定类型的细胞，减缓病人的病情。这种疗法的机理是能够有效局限于需要治疗的局部地方或细胞，而不是全面治疗（例如化疗，它在抗击癌症的同时也破坏着人体）。

在这些领域中，SAM涂层是用于保护器件的一种单一步骤以及一种仅需短暂处理时间的方法。相对的，其它方法可能需要增添大量的处理步骤和开发时间。和目前可用的非SAM涂层解决方案相比，SAM全制造解决方案在真空环境中处理样本的能力可以大幅提升整体的效果。使用SAM涂层的主要目标是保证器件能经受预期使用环境的考验。实践不断证明，SAM涂层可提高器件的使用寿命，避免寿命周期的粘滞作用，并在世界各地经常被采用于制造微麦克风和加速器器件等现有的电子消费品中。SAM涂层应用的综合效益已经表明，随着人们逐步加深对创造高度功能化涂层的认识和理解，这一领域将迎来更大的发展。

在消费市场，SAM涂层同样也普遍见于多种MEMS应用中，比如微麦克风、耳机和手机。这些高端硅、微型和纳米设备处于不利的环境之中，需要保护，避免受到环境变化的影响。从几滴雨水到呼吸中的水汽、再到一小滴水，都可能损毁一个灵敏的装置。

在采用本文所介绍表面改性解决办法的支持下，MEMS科技的进步是没有界限的。创新的前景是激动人心的。同样，市场需不断开发像自组装单分子膜这样的新的技术，保证硅工艺的持续快速发展。