微机电系统 (MEMS) 已证明其在智能汽车、手机和微型胰岛素泵等领域中的传感功效。为了让这些 MEMS 在未来变得更加强大，位于亚琛的Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光技术研究所的研究人员与弗劳恩霍夫 ISIT 和 IST 合作开发了一种与 CMOS 兼容的沉积和激光结晶工艺。与其他常见工艺相比，这种新工艺消除了对电线和焊点的需求，这一优势可以显着减小组件尺寸并提高传感器性能。
温和的高温结晶：Fraunhofer ILT 与 Fraunhofer ISIT 和 IST一起开发了一种选择性的、基于激光的结晶工艺，用于直接在有源电路上制造 MEMS 传感器单元。
© Fraunhofer ILT，德国亚琛
解决高温制造挑战
MEMS已经与人类的生活密不可分，举例来说，MEMS 传感器记录了车辆运行的许多关键参数，因此我们应归功于安全可靠的汽车行驶。MEMS使控制许多车辆系统成为可能，例如安全气囊、防抱死刹车或电子稳定程序。为了测量加速度等，MEMS惯性传感器也以数十亿的数量被集成到智能手机、智能手表、直升机等消费产品中。为了使 MEMS 传感器单元能够可靠、安全地执行这些任务，它们与位于硅载体单元（晶圆）上的电子专用集成电路 (ASIC) 相结合。
弗劳恩霍夫 ILT 选择性激光结晶的硅阵列
© Fraunhofer ILT，德国亚琛
Fraunhofer ILT 开发的硅晶片选择性激光结晶工艺的工艺图
© Fraunhofer ILT，德国亚琛
然而，由于具有温度敏感型 CMOS 晶体管的集成电路附近的环境温度可能不会超过 450°C，因此由晶体硅制成的 MEMS 传感器由于传统上的高制造温度通常需要单独制造。然后它们通过导线和焊接连接或晶圆键合工艺与电路接触。
3D科学谷了解到传统的互连技术需要相对较大的空间，并阻碍了 MEMS 的进一步小型化，根据Fraunhofer ILT 薄膜处理小组的研究人员，出于这个原因，通常由晶体硅制成的 MEMS 不能直接构建在 ASIC 上，所以传统制造过程中的温度不相容性使得传感器难以进一步小型化并提高其性能。
敏感硅层的温和结晶
Fraunhofer ILT 没有使用传统的连接技术，而是依靠基于激光的工艺，使其能够直接（单片）在温度敏感电路上构建晶体硅的 MEMS 传感器。该项目的重点是弗劳恩霍夫 IST 和 ISIT 沉积硅层技术，弗劳恩霍夫 ILT 选择性激光结晶技术，并通过弗劳恩霍夫 ISIT 将这些最终加工成传感器。
研究人员正在实现这样一个事实，即硅层可以在低于 450°C 的温度和高沉积速率下产生。激光不仅使该硅层结晶，而且还激活它所含的掺杂剂，从而确保合适的导电性。随后，使用经典的微电子制造工艺进一步处理传感器单元。
三个空间方向的高效散热
当激光辐射用于在高温下结晶硅时，结晶会在空间上、选择性地和非常快速地发生（在较低的毫秒范围内）。通过这种方式——结合有针对性的温度管理——该过程最大限度地减少了层材料中的机械应力，但不会损坏底层基板上的敏感电子设备。
硅通过直径为几 10 µm 的聚焦激光束结晶，并由镜子引导以逐步扫描整个表面。在这个空间选择性过程中，热量在三个空间方向上被有效去除。这将该工艺与闪光曝光等替代光子工艺区分开来，后者的热量只能在一个方向消散。
由于能量很快被引入到很小的体积中，科研人员通过激光加工在实际高于底层电路破坏阈值的温度下实现了硅的固相结晶。由于本地处理时间短，因此电路并没有损坏，新开发的激光工艺将硅层的电阻降低了四个数量级以上。在层厚为 10 μm 时，可以生产具有电容式加速度传感器的典型手指结构的 MEMS 传感器。
单片 MEMS 集成的优势
由于晶体硅层可以在 ASIC 晶圆上的 CMOS 兼容条件下生产，Fraunhofer正在为集成 MEMS-IC 开辟新的可能性。由于消除了工艺限制，MEMS和IC可以独立开发，从而可能显着减少开发时间和成本。除了提高集成密度之外，该工艺还消除了导线连接和焊盘，从而使得预期的寄生干扰变量更低，并改善了对电磁干扰场的屏蔽，这种消除对传感器的信号质量和漂移行为具有积极影响。
提高性能和小型化的前景也使 MEMS 技术对当今 MEMS 系统无法满足要求的其他应用领域具有吸引力。一种可以想象的应用将是自动驾驶领域，其中非常精确的加速度传感器可以弥补隧道或停车场中 GPS 信号接收的差距。
该过程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，并使用获得的数据来监测患者或抗击流行病。
此外，微型化、高精度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性。
Fraunhofer LIT MEMS技术积淀
根据3D科学谷的市场观察，早在2021年初，亚琛的Fraunhofer LIT弗劳恩霍夫激光研究所还开发出了3D打印压电MEMS微执行器，这个压电MEMS有六个角，大约只有1美分的大小，而且价格低廉，这创造了小批量压电MEMS的经济性生产可行性。
压电MEMS是真正的技术全能产品，因为超薄压电层既可以执行执行器功能，也可以执行传感功能：施加电场时它们会膨胀，或者将机械运动转换成电压。因此，它们在通信或医疗技术中是神奇的存在，例如，作为泵、阀或扬声器中的传感器或致动器。
Fraunhofer LIT弗劳恩霍夫激光研究所增材制造的执行器比常规执行器具有更好的性能和更高的再现质量。PZT层和电极层像两个非常细的梳子一样互锁。层的快速激光处理将每层的处理时间减少了几秒钟，而原本需要几分钟的处理时间仅为几秒钟。
此外，为了代替普通且非常昂贵的铂，科学家使用导电陶瓷镧镍氧化物（LNO）作为电极材料。通过省去金属部件，可以显着提高这些纯陶瓷多材料叠层的耐用性，同时降低材料成本。
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