THELMA和VENSENS微加工制程
ST目前在进行量产的微加工制程有THELMA和VENSENSE两种,均属于体型和表面型微加工技术的混合性制造技术。
THELMA主要适用于加速度传感器、陀螺仪及麦克风等高效能和低成本的运动传感器。THELMA制程从标准的硅晶圆开始,其上会有第一层作为隔离的氧化物层(约2微米)。接着会沉积一层互连用的多晶硅层,以及第二牺牲氧化层(约2微米),再在这层中负责作为固定机构的支持端及移动机构的固定端(Anchor)的个别点上进行蚀刻,以产生孔洞。随后一个较厚的垒晶层(约15微米)会在其上生成,再以一片光罩来对这一层进行蚀刻,以产生兼具移动和固定单元的结构。最后,这一结构下方的牺牲氧化层会以等向性蚀刻(Isotropic Etching)方式被去除,以使移动单元成形。为降低或消除由湿度或空气密度变异而产生的效应,进而影响此元件的共振频率,此结构附近的开放空间充满了空气,通常是干燥的氮气。第二片晶圆会紧接着被黏合到第一片之上,以保护微小的机构在进行射出成形(Injection Molding)程序时的高压下也不会受到破坏。
VENSENSE可实现非常小型化的压力传感器。其也由一片标准硅晶圆开始,其结果与采用体型微加工的晶圆黏结制程的结果颇为相似,专属的干式和湿式硅蚀刻混合步骤可以生成单晶硅层,并在其上形成一层厚度小于3微米的牺牲层,结构层的厚度可以达到20微米。但与体型微加工相比,VENSENSE能制出更薄、更小和机械性能更稳定的芯片。此外,孔隙的密合并不需要任何晶圆与晶圆间的黏结,因此密合连结的可靠性更高。
由于单晶硅具有极佳的电子特性,通过布植(Implantation)或扩散(Diffusion)等制程可以将稳定可靠的电阻整合进结构层中。接着这些电阻会和一个铝质金属层相连,实现惠斯通电桥(Wheatstone Bridge)的四个分支。此金属层接着被标准的绝缘体,如Silicon-Oxynitrid等所覆盖,以提供对外部腐蚀性药剂的保护能力。因电桥具有极佳的单晶硅层压阻特性,因此对压力的改变相当敏感。
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MEMS概述
微机电系统指通过硅晶圆微加工技术制造的三维机械电子结构,20世纪60年代时开始在半导体厂中出现。人们的日常生活中经常能见到MEMS技术的物理传感器,用来感测加速度、角速度、压力和声压等。
汽车电子是目前发展迅速的市场,MEMS技术在其中随处可见。例如汽车动态控制和安全气囊等所有的主动和被动式安全系统中,都使用加速度或偏移率(Yaw Rate)传感器来保护乘客的生命安全;为降低油耗,压力传感器也应用在引擎歧管(Engine Manifolds)和汽油管(Fuel Lines)中。
MEMS技术在活跃的消费电子市场掀起了产品设计创新的高潮。对于消费性市场来说,微机电产品通常会是在技术与经济考虑下的最佳解决方案,而且提供了微型化和高级程度的未来发展蓝图。最成功的应用之一就是加速度传感器在任天堂的Wii和Sony的PS3游戏机中带来的全新操控体验。过去加速度传感器只被用于汽车中的主动及被动式安全系统当中,一些安全法规的要求是其在汽车电子中应用的驱动力之一。今天,“感测及简化”已成为MEMS在消费产品市场的价值定位所在,扫除使用者和电子设备这个复杂世界之间的所有隔阂也是设计大师Naoto Fukusawa-san的梦想。此外,三轴加速度传感器也可用来设计硬盘放跌落装置,保护数据的安全;便携式设备的UI操控也可以通过它来实现更人性化的功能。
MEMS元件与芯片中的CMOS(互补金属氧化物半导体)相同,利用半导体晶圆厂来生产制造。但不同之处是,MEMS元件不仅仅是电子产品,还结合了许多机械结构,如连硅质弹簧(Spring)、电极(Electrode)、薄板(Membrane)和悬臂梁(Cantilever)等可移动的机构。此外,硅微加工元件经常会与传统石英或压电式产品在价格、尺寸及效能上出现竞争。
(责任编辑:孙莉)
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