激光结晶工艺为集成式MEMS-IC开辟新的可能性
2022-10-08 20:00:08   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，为了让微机电系统（MEMS）在未来变得更加强大，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）与弗劳恩霍夫镀层和表面技术研究所（Fraunhofer IST）、弗劳恩霍夫硅技术研究所（Fraunhofer ISIT）的研究人员合作开发了一种与CMOS兼容的沉积和激光结晶工艺。

这种选择性激光结晶工艺用于直接在ASIC晶圆上制造MEMS敏感单元

与其它常见工艺相比，这种新工艺消除了对焊线和焊点的需求，这一优势可以显著减小MEMS元件尺寸并提高传感器性能。

MEMS惯性传感器的典型汽车应用市场包括车辆安全和控制系统，其记录了车辆运行的许多关键参数，涉及安全气囊、防抱死制动系统或电子稳定程序等。此外，MEMS惯性传感器也可被集成到智能手机、智能手表以及无人机等消费类产品中。

MEMS传感器由MEMS芯片与ASIC芯片组成，在传统工艺中，这两颗芯片通常需要分别在硅晶圆上制造而成，然后再通过引线和焊接连接或者晶圆键合工艺形成两颗芯片电路接触。“但传统的互连技术需要相对较大的空间，并阻碍了MEMS传感器进一步小型化。”Fraunhofer ILT薄膜工艺小组的研究员Florian Fuchs说道，“由晶体硅制成的MEMS通常难以直接构建在ASIC之上。”

Fraunhofer ILT不使用传统的互连技术，而是依靠基于激光的工艺，使其能够直接在ASIC上构建晶体硅MEMS（单片集成）。该研发项目的重点是：（1）Fraunhofer IST和Fraunhofer ISIT研发的硅层沉积工艺；（2）Fraunhofer ILT研发的选择性激光结晶工艺；（3）Fraunhofer ISIT利用上述技术进行设计与制造，从而形成MEMS传感器。

研究人员正在利用这样一个事实，即非晶硅层可以在电路晶圆上以低于450℃的温度和高沉积速率下生成。然后，激光不仅使该硅层结晶，而且还激活其所含的掺杂剂，从而确保适当的导电性。

当将激光辐射作用于结晶硅，并在高温情况下但低于其熔点时，结晶会在空间上选择性地快速发生（在较小的毫秒范围内）。通过这种方式——结合有针对性的温度管理——该工艺最大限度地减少了层材料中的机械应力，但不会损坏敏感元件。

Fraunhofer ILT薄膜工艺小组负责人Christian Vedder博士评论说：“由于能量被快速引入到很小的体积中，我们在实际高于底层电路破坏阈值的温度下通过激光工艺实现了硅的固相结晶。由于局部工艺时间短，电路并没有损坏。”

Florian Fuchs补充说：“由于晶体硅层可以在ASIC晶圆上的CMOS兼容条件下进行生产，我们正在为集成式MEMS-IC开辟新的可能性，因为不再需要改变CMOS制造工艺。”

除了提高集成密度之外，该工艺还消除了引线连接和焊盘，从而使得预期的寄生干扰变量更低，并且改善了对电磁干扰场的屏蔽能力。这种消除反过来又会对MEMS传感器的信号质量和漂移产生积极影响。

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