作為智能汽車、手機(jī)和微型胰島素泵中傳感器的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了使這些MEMS 的功能在未來(lái)變得更強(qiáng)大，位于亞琛的弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所ILT 的研究人員與弗勞恩霍夫ISIT 和IST 合作，開(kāi)發(fā)了一種兼容CMOS 的沉積和激光結(jié)晶工藝。與其他普通工藝相比，這種新工藝不需要電線和焊點(diǎn)，這一優(yōu)勢(shì)可以大大減少元件尺寸，提高傳感器的性能。

　　MEMS 傳感器在汽車的安全可靠方面起到了關(guān)鍵作用，因?yàn)樗鼈冇涗浟塑囕v運(yùn)行的許多關(guān)鍵參數(shù)。它們使控制許多車輛系統(tǒng)成為可能，如安全氣囊、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)或電子穩(wěn)定程序。MEMS 慣性傳感器也被納入消費(fèi)類產(chǎn)品，如智能手機(jī)、智能手表、四旋翼飛機(jī)等，數(shù)量達(dá)數(shù)十億級(jí)。為了使MEMS 傳感器單元能夠可靠和安全地執(zhí)行這些任務(wù)，它們與位于硅載體單元（晶圓）上的電子、特定應(yīng)用集成電路（ASIC）相結(jié)合。

　　然而，由于對(duì)溫度敏感的CMOS 晶體管的集成電路附近的環(huán)境溫度可能不超過(guò)450℃。再因?yàn)閭鹘y(tǒng)的高制造溫度，由晶體硅制成的MEMS傳感器會(huì)被首先單獨(dú)制造。然后，它們通過(guò)導(dǎo)線和焊料連接或晶圓粘合工藝與電路接觸。

　　“但傳統(tǒng)的互連技術(shù)需要相對(duì)較大的空間，這阻礙了MEMS 的進(jìn)一步小型化。”弗勞恩霍夫ILT 薄膜加工組的研究助理Florian Fuchs 解釋說(shuō)。由于這個(gè)原因，由晶體硅制成的MEMS 不能直接建立在ASIC 上。制造過(guò)程中的溫度不相容性，使傳感器難以進(jìn)一步小型化，同時(shí)性能也無(wú)法提高。

　　敏感硅層的溫和結(jié)晶

　　ILT 沒(méi)有使用傳統(tǒng)的連接技術(shù)，而是依靠一種基于激光的工藝，使其能夠在溫度敏感的電路上直接（單片）構(gòu)建結(jié)晶硅的MEMS 傳感器。該項(xiàng)目的重點(diǎn)是由IST 和 ISIT 進(jìn)行硅層沉積，由ILT 再進(jìn)行選擇性激光結(jié)晶，并由 ISIT 對(duì)硅層進(jìn)行設(shè)計(jì)和微電子加工成傳感器。

　　研究人員正在利用這樣一個(gè)事實(shí)：在溫度低于450℃ 和高沉積率的情況下，非晶硅層已經(jīng)可以在容納電路的晶圓上生產(chǎn)。激光不僅能使這種硅層結(jié)晶而且還能激活其中的摻雜物，從而確保合適的導(dǎo)電性。隨后，傳感器單元使用經(jīng)典的微電子制造工藝進(jìn)一步加工。

　　三個(gè)空間方向上的高效散熱

　　當(dāng)激光輻射被用來(lái)在高溫下對(duì)硅進(jìn)行結(jié)晶，但低于熔點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶會(huì)在空間上、有選擇地、非常迅速地發(fā)生（在較低的毫秒范圍內(nèi)）。這種有針對(duì)性的溫度管理過(guò)程，可以最大限度地減少了層材料的機(jī)械應(yīng)力，但不會(huì)損害底層基底上的敏感電子器件。

　　用一束直徑為10μm 的聚焦激光對(duì)硅進(jìn)行結(jié)晶并由一個(gè)鏡子引導(dǎo)，一步一步地掃描整個(gè)表面。在這個(gè)空間選擇性的過(guò)程中，熱量在三個(gè)空間方向上被有效地去除。

　　這使該工藝區(qū)別于其他光子工藝如閃光曝光（閃光燈），后者由于需要處理的區(qū)域太大，只能在一個(gè)方向上散熱。

　　“由于能量只被迅速引入一個(gè)小體積，我們通過(guò)激光加工實(shí)現(xiàn)了硅的固相結(jié)晶，其溫度實(shí)際上高于基礎(chǔ)電路的破壞閾值。由于局部加工時(shí)間短，因此電路并沒(méi)有被破壞。”ILT 薄膜加工小組負(fù)責(zé)人Christian Vedder 博士解釋說(shuō)。新開(kāi)發(fā)的激光工藝將硅層的電阻降低了四個(gè)數(shù)量級(jí)以上，降至0.05Ω*cm 以下。在10μm 的層厚下，這個(gè)值相當(dāng)于50Ω/sq 的片狀電阻。具有典型手指結(jié)構(gòu)的電容式加速度傳感器的MEMS 傳感器，可以從這些層中生成。

　　單片式MEMS 集成的優(yōu)勢(shì)

　　ILT 的科學(xué)家Fuchs 說(shuō)：“由于晶體硅層可以在CMOS 兼容的條件下在ASIC 晶圓上生產(chǎn)，我們?yōu)榧蒑EMS-IC 開(kāi)辟了新的可能性，因?yàn)椴辉傩枰薷腃MOS 制造工藝。” 由于消除了工藝限制，MEMS 和IC 可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)，從而有可能減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。除了提高集成密度外，該工藝還消除了導(dǎo)線連接和粘合墊，從而導(dǎo)致寄生干擾變量預(yù)期降低，并改善了對(duì)電磁干擾場(chǎng)的屏蔽。這種消除反過(guò)來(lái)又對(duì)傳感器的信號(hào)質(zhì)量和漂移行為產(chǎn)生了積極影響。

　　在汽車工業(yè)、醫(yī)療行業(yè)的有趣應(yīng)用

　　“這里獲得的知識(shí)可以在幾個(gè)方向上擴(kuò)大和發(fā)展，這將會(huì)非常有趣。例如根據(jù)不同的傳感器類型和不同的層厚或其他摻雜材料的具體要求來(lái)調(diào)整工藝，”Fuchs解釋說(shuō)， “我們正在尋找那些能夠?qū)F(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的工藝用于產(chǎn)品并從中獲利的工業(yè)用戶。”

　　性能的提高和小型化的前景，使MEMS 技術(shù)對(duì)其他領(lǐng)域的應(yīng)用具有吸引力，但這些領(lǐng)域的要求還不能被今天的 MEMS 系統(tǒng)所滿足。一個(gè)可以想象的應(yīng)用場(chǎng)景是在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，非常精確的加速度傳感器可以彌補(bǔ)隧道或停車場(chǎng)中GPS 信號(hào)減弱的不足。

　　該工藝還為醫(yī)療技術(shù)提供了有趣的潛力。例如，將溫度傳感器集成到耳機(jī)中并利用獲得的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)病人或防治流行病。此外，小型化、高精度的加速度MEMS 傳感器可以幫助在燃燒的建筑物中精確定位消防員，從而提高應(yīng)急人員的安全。

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