基于激光的结晶工艺，制造MEMS传感器单元

　　作为智能汽车、手机和微型胰岛素泵中传感器的微机电系统（MEMS），已经在多个领域得到广泛应用。为了使这些MEMS 的功能在未来变得更强大，位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT 的研究人员与弗劳恩霍夫ISIT 和IST 合作，开发了一种兼容CMOS 的沉积和激光结晶工艺。与其他普通工艺相比，这种新工艺不需要电线和焊点，这一优势可以大大减少元件尺寸，提高传感器的性能。

　　MEMS 传感器在汽车的安全可靠方面起到了关键作用，因为它们记录了车辆运行的许多关键参数。它们使控制许多车辆系统成为可能，如安全气囊、防抱死制动系统或电子稳定程序。MEMS 惯性传感器也被纳入消费类产品，如智能手机、智能手表、四旋翼飞机等，数量达数十亿级。为了使MEMS 传感器单元能够可靠和安全地执行这些任务，它们与位于硅载体单元（晶圆）上的电子、特定应用集成电路（ASIC）相结合。

　　然而，由于对温度敏感的CMOS 晶体管的集成电路附近的环境温度可能不超过450℃。再因为传统的高制造温度，由晶体硅制成的MEMS传感器会被首先单独制造。然后，它们通过导线和焊料连接或晶圆粘合工艺与电路接触。

　　“但传统的互连技术需要相对较大的空间，这阻碍了MEMS 的进一步小型化。”弗劳恩霍夫ILT 薄膜加工组的研究助理Florian Fuchs 解释说。由于这个原因，由晶体硅制成的MEMS 不能直接建立在ASIC 上。制造过程中的温度不相容性，使传感器难以进一步小型化，同时性能也无法提高。

　　敏感硅层的温和结晶

　　ILT 没有使用传统的连接技术，而是依靠一种基于激光的工艺，使其能够在温度敏感的电路上直接（单片）构建结晶硅的MEMS 传感器。该项目的重点是由IST 和 ISIT 进行硅层沉积，由ILT 再进行选择性激光结晶，并由 ISIT 对硅层进行设计和微电子加工成传感器。

　　研究人员正在利用这样一个事实：在温度低于450℃ 和高沉积率的情况下，非晶硅层已经可以在容纳电路的晶圆上生产。激光不仅能使这种硅层结晶而且还能激活其中的掺杂物，从而确保合适的导电性。随后，传感器单元使用经典的微电子制造工艺进一步加工。

　　三个空间方向上的高效散热

　　当激光辐射被用来在高温下对硅进行结晶，但低于熔点时，结晶会在空间上、有选择地、非常迅速地发生（在较低的毫秒范围内）。这种有针对性的温度管理过程，可以最大限度地减少了层材料的机械应力，但不会损害底层基底上的敏感电子器件。

　　用一束直径为10μm 的聚焦激光对硅进行结晶并由一个镜子引导，一步一步地扫描整个表面。在这个空间选择性的过程中，热量在三个空间方向上被有效地去除。

　　这使该工艺区别于其他光子工艺如闪光曝光（闪光灯），后者由于需要处理的区域太大，只能在一个方向上散热。

　　“由于能量只被迅速引入一个小体积，我们通过激光加工实现了硅的固相结晶，其温度实际上高于基础电路的破坏阈值。由于局部加工时间短，因此电路并没有被破坏。”ILT 薄膜加工小组负责人Christian Vedder 博士解释说。新开发的激光工艺将硅层的电阻降低了四个数量级以上，降至0.05Ω*cm 以下。在10μm 的层厚下，这个值相当于50Ω/sq 的片状电阻。具有典型手指结构的电容式加速度传感器的MEMS 传感器，可以从这些层中生成。

　　单片式MEMS 集成的优势

　　ILT 的科学家Fuchs 说：“由于晶体硅层可以在CMOS 兼容的条件下在ASIC 晶圆上生产，我们为集成MEMS-IC 开辟了新的可能性，因为不再需要修改CMOS 制造工艺。” 由于消除了工艺限制，MEMS 和IC 可以独立开发，从而有可能减少开发时间和成本。除了提高集成密度外，该工艺还消除了导线连接和粘合垫，从而导致寄生干扰变量预期降低，并改善了对电磁干扰场的屏蔽。这种消除反过来又对传感器的信号质量和漂移行为产生了积极影响。

　　在汽车工业、医疗行业的有趣应用

　　“这里获得的知识可以在几个方向上扩大和发展，这将会非常有趣。例如根据不同的传感器类型和不同的层厚或其他掺杂材料的具体要求来调整工艺，”Fuchs解释说， “我们正在寻找那些能够将团队开发的工艺用于产品并从中获利的工业用户。”

　　性能的提高和小型化的前景，使MEMS 技术对其他领域的应用具有吸引力，但这些领域的要求还不能被今天的 MEMS 系统所满足。一个可以想象的应用场景是在自动驾驶领域，非常精确的加速度传感器可以弥补隧道或停车场中GPS 信号减弱的不足。

　　该工艺还为医疗技术提供了有趣的潜力。例如，将温度传感器集成到耳机中并利用获得的数据监测病人或防治流行病。此外，小型化、高精度的加速度MEMS 传感器可以帮助在燃烧的建筑物中精确定位消防员，从而提高应急人员的安全。

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