中国尖端技术领域MEMS传感器超过80%需依赖进口,特别是在军事、航空航天、国防安全等领域,这对中国造成严重威胁。MEMS是一项革命性新技术,是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的卡脖子关键技术。

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拓中科技团队在倪光南院士等专家顾问的技术指导下,在南京龙渊集团实验室历时三年进行不间断实验研究,现已在MEMS结构领域的制作工艺技术上取得突破性进展。本团队研究出一种通过固体3D微孔结构实现微尺度热隔离的新工艺,为实现传感器制造工艺的提升,摆脱中国传感器制造技术被卡脖子的现状而做出科研贡献。

拓中科技团队MEMS制作工艺流程图

热式MEMS器件基于微尺度热量的产生或吸收,实现不同能量域的转换。继简单的电阻加热器之后,热式MEMS器件主要包括三大类:传感器、执行器和能量收集器。主要应用包括微机械开关和微镜的倾斜执行器等。热式MEMS能量收集器利用热电或热电效应由温度梯度产生电能,为可穿戴传感器或植入物等低耗能器件供电。

拓中团队对MEMS器件结构改良模型图

本团队开发了一种在晶圆级构建多孔微结构的新型后道(BEOL)兼容工艺:PowderMEMS。简而言之,该工艺首先将干燥的松散粉末引入通过深度反应离子蚀刻(DRIE)等工艺形成的微腔中,然后通过原子层沉积(ALD)将上述微米级粉末颗粒原位团聚在一起。

最后,清除晶圆上不需要的粉末残留物,然后在标准MEMS洁净室条件下进行进一步处理。在之前的研究工作中,已有介绍将PowderMEMS结构用于能量收集和零功耗唤醒、永磁微磁体和磁位置检测,以及构建液冷微型电感芯。在研究中,本团队提出了一种基于PowderMEMS微结构的MEMS器件热隔离新方案。该工艺可用于在具有嵌入加热器的薄膜膜层下方的微腔中形成多孔结构。研究人员还开发了一种热模型来估算结构的热导率。一旦结构内气体的平均自由程长度接近孔隙宽度(克努森效应),多孔结构的热导率就会大幅降低,因此,研究人员分别在环境空气和真空下对其进行了测试。PowderMEMS改良:在这项研究中,研究人员采用了三种粉末:“Aeroperl(AP)300/30”,一种特殊颗粒形式的热解二氧化硅,D50=33µm;氮化硅,D50<10µm;以及玻璃碳,D50=2~12µm。

热式MEMS衬底设计图

为了获得符合设计的测试结构,研究人员在衬底正面涂有光刻胶并用UV胶带层压,以在后续处理过程中对其进行保护。然后将晶圆从洁净室转移到专用的PowderMEMS实验室。在该实验室中,将松散的干燥粉末填充到背面空腔中,然后在75°C下通过75 nmAl2O3原子层沉积(ALD)凝聚成固体3D微结构。

未来拓中科技团队将会继续研究沉淀,为实现MEMS制作工艺新突破,为我国研制出更好的MEMS器件砥砺前行!（图/李欢钊 文/窦俊华）