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MEMS制造技术衍生自CMOS集成电路制造技术。

MEMS制造技术衍生自CMOS集成电路制造技术。在过去的50多年时间里,CMOS集成电路制造技术发展迅猛,成为有史以来精细度和复杂度最高的制造技术,单从器件尺寸上说,从1970年代的1微米线宽,已经缩微到现在的20纳米线宽,使得单位硅衬底面积上的器件数量有了极大地提高。

  在器件图形化方面,CMOS技术的工艺能力远远超过MEMS器件制造的需求。可以说,CMOS集成电路制造技术为MEMS制造奠定了十分坚实的基础。但另一方面,MEMS制造工艺又有它不同于CMOS制造的特点。

  首先,是它独特的悬臂梁部件形成工艺。目前可供选用的悬臂梁形成工艺有两类,一类采用牺牲层工艺,另一类采用晶圆键合工艺。

  图1(左)给出了采用牺牲层工艺形成悬臂梁的流程示意图。具体做法是在硅衬底表面沉积牺牲层,比如二氧化硅层、结构层、多晶硅层。之后采用特殊的工艺,通过光刻、刻蚀、化学机械抛光(CMP)等CMOS图形化工艺将牺牲层暴露出来,并用化学溶剂(湿法)或化学蒸汽(干法)把吸收层腐蚀掉,使结构层悬空,形成悬臂梁。

  图1(右)展示的是采用晶圆键合工艺形成悬臂梁的流程示意图。具体做法是在硅衬底上先形成悬臂梁下的空腔,再将结构层晶圆表面向下,与衬底晶圆键合在一起。之后采用减薄技术,将结构晶圆从背面减薄,只保留满足悬臂梁要求的厚度。再通过光刻、刻蚀等CMOS图形化工艺,形成悬臂梁。

  两种技术方案的区别在于前者的工艺相对简单,除了在采用蒸汽刻蚀时需要引入特殊的蒸汽刻蚀设备,基本可使用现有的CMOS工业设备,与CMOS制造的兼容性好。而采用晶圆键合工艺需要使用晶圆键合设备,因此技术复杂度相对较高,并因此增加了一些制造成本。它的优点是悬臂梁的质量和工艺一致性高。在牺牲层工艺中,结构层是由高温沉积形成的多晶硅材料,层内不可避免地残存有应力。这样,薄膜生长工艺条件的涨落很容易造成片内和片间均匀性问题,甚至造成良率的降低。采用键合工艺形成的结构层是单晶材料,层内没有高温生长带来的应力,材料性能的一致性好,对良率提升有很大助益。


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