微機電系統 (MEMS) 已證明其在智能汽車、手機和微型胰島素泵等領域中的傳感功效。為了讓這些 MEMS 在未來變得更加強大，位于亞琛的Fraunhofer ILT弗勞恩霍夫激光技術研究所的研究人員與弗勞恩霍夫 ISIT 和 IST 合作開發了一種與 CMOS 兼容的沉積和激光結晶工藝。與其他常見工藝相比，這種新工藝消除了對電線和焊點的需求，這一優勢可以顯著減小組件尺寸并提高傳感器性能。

溫和的高溫結晶：Fraunhofer ILT 與 Fraunhofer ISIT 和 IST一起開發了一種選擇性的、基于激光的結晶工藝，用于直接在有源電路上制造 MEMS 傳感器單元。

© Fraunhofer ILT，德國亞琛

 解決高溫制造挑戰

      MEMS已經與人類的生活密不可分，舉例來說，MEMS 傳感器記錄了車輛運行的許多關鍵參數，因此我們應歸功于安全可靠的汽車行駛。MEMS使控制許多車輛系統成為可能，例如安全氣囊、防抱死剎車或電子穩定程序。為了測量加速度等，MEMS慣性傳感器也以數十億的數量被集成到智能手機、智能手表、直升機等消費產品中。為了使 MEMS 傳感器單元能夠可靠、安全地執行這些任務，它們與位于硅載體單元（晶圓）上的電子專用集成電路 (ASIC) 相結合。

弗勞恩霍夫 ILT 選擇性激光結晶的硅陣列

© Fraunhofer ILT，德國亞琛

Fraunhofer ILT 開發的硅晶片選擇性激光結晶工藝的工藝圖

© Fraunhofer ILT，德國亞琛

      然而，由于具有溫度敏感型 CMOS 晶體管的集成電路附近的環境溫度可能不會超過 450°C，因此由晶體硅制成的 MEMS 傳感器由于傳統上的高制造溫度通常需要單獨制造。然后它們通過導線和焊接連接或晶圓鍵合工藝與電路接觸。傳統的互連技術需要相對較大的空間，并阻礙了 MEMS 的進一步小型化，根據Fraunhofer ILT 薄膜處理小組的研究人員，出于這個原因，通常由晶體硅制成的 MEMS 不能直接構建在 ASIC 上，所以傳統制造過程中的溫度不相容性使得傳感器難以進一步小型化并提高其性能。

 敏感硅層的溫和結晶

Fraunhofer ILT 沒有使用傳統的連接技術，而是依靠基于激光的工藝，使其能夠直接（單片）在溫度敏感電路上構建晶體硅的 MEMS 傳感器。該項目的重點是弗勞恩霍夫 IST 和 ISIT 沉積硅層技術，弗勞恩霍夫 ILT 選擇性激光結晶技術，并通過弗勞恩霍夫 ISIT 將這些最終加工成傳感器。

研究人員正在實現這樣一個事實，即硅層可以在低于 450°C 的溫度和高沉積速率下產生。激光不僅使該硅層結晶，而且還激活它所含的摻雜劑，從而確保合適的導電性。隨后，使用經典的微電子制造工藝進一步處理傳感器單元。

 三個空間方向的高效散熱

      當激光輻射用于在高溫下結晶硅時，結晶會在空間上、選擇性地和非常快速地發生（在較低的毫秒范圍內）。通過這種方式——結合有針對性的溫度管理——該過程最大限度地減少了層材料中的機械應力，但不會損壞底層基板上的敏感電子設備。硅通過直徑為幾 10 µm 的聚焦激光束結晶，并由鏡子引導以逐步掃描整個表面。在這個空間選擇性過程中，熱量在三個空間方向上被有效去除。這將該工藝與閃光曝光等替代光子工藝區分開來，后者的熱量只能在一個方向消散。由于能量很快被引入到很小的體積中，科研人員通過激光加工在實際高于底層電路破壞閾值的溫度下實現了硅的固相結晶。由于本地處理時間短，因此電路并沒有損壞，新開發的激光工藝將硅層的電阻降低了四個數量級以上。在層厚為 10 μm 時，可以生產具有電容式加速度傳感器的典型手指結構的 MEMS 傳感器。

 單片 MEMS 集成的優勢

       由于晶體硅層可以在 ASIC 晶圓上的 CMOS 兼容條件下生產，Fraunhofer正在為集成 MEMS-IC 開辟新的可能性。由于消除了工藝限制，MEMS和IC可以獨立開發，從而可能顯著減少開發時間和成本。除了提高集成密度之外，該工藝還消除了導線連接和焊盤，從而使得預期的寄生干擾變量更低，并改善了對電磁干擾場的屏蔽，這種消除對傳感器的信號質量和漂移行為具有積極影響。

        提高性能和小型化的前景也使 MEMS 技術對當今 MEMS 系統無法滿足要求的其他應用領域具有吸引力。一種可以想象的應用將是自動駕駛領域，其中非常精確的加速度傳感器可以彌補隧道或停車場中 GPS 信號接收的差距。

該過程還為醫療技術提供了有趣的潛力，例如，將溫度傳感器集成到耳機中，并使用獲得的數據來監測患者或抗擊流行病。此外，微型化、高精度MEMS 傳感器可以幫助在燃燒的建筑物中精確定位消防員，從而提高應急人員的安全性。

 Fraunhofer LIT MEMS技術積淀

      早在2021年初，亞琛的Fraunhofer LIT弗勞恩霍夫激光研究所還開發出了3D打印壓電MEMS微執行器，這個壓電MEMS有六個角，大約只有1美分的大小，而且價格低廉，這創造了小批量壓電MEMS的經濟性生產可行性。壓電MEMS是真正的技術全能產品，因為超薄壓電層既可以執行執行器功能，也可以執行傳感功能：施加電場時它們會膨脹，或者將機械運動轉換成電壓。因此，它們在通信或醫療技術中是神奇的存在，例如，作為泵、閥或揚聲器中的傳感器或致動器。

       Fraunhofer LIT弗勞恩霍夫激光研究所增材制造的執行器比常規執行器具有更好的性能和更高的再現質量。PZT層和電極層像兩個非常細的梳子一樣互鎖。層的快速激光處理將每層的處理時間減少了幾秒鐘，而原本需要幾分鐘的處理時間僅為幾秒鐘。此外，為了代替普通且非常昂貴的鉑，科學家使用導電陶瓷鑭鎳氧化物（LNO）作為電極材料。通過省去金屬部件，可以顯著提高這些純陶瓷多材料疊層的耐用性，同時降低材料成本。

(責任編輯：admin)

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