小如蚂蚁—硅的新时代

鲍海飞 2012-10-30

硅片不再是单纯的硅片，硅片不再只是用来单纯制造集成电路的载体。现在我们已经迎来了或者说已经处于一个硅的新时代---基于硅的微机电系统时代(MEMS,Microelectromechanical system)。基于硅的微机电系统主要是在硅上制造和加工微传感器和执行器，能够对物理量和化学量敏感，相当于人的手眼耳鼻等感官，是信息获取的前端关键元件。

在硅上有两种方法制备微传感器，一个是利用多晶硅薄膜沉积技术，然后有选择性的刻蚀加工制造微传感器或微结构。另一个是利用硅片(体硅)的腐蚀技术来实现。

在体硅上主要是通过湿法和干法腐蚀，利用集成电路制造技术中的氧化、光刻等工艺，在硅片上可以‘雕刻’、‘镂空’出三维的微结构，比如，悬臂梁、微桥和薄膜等结构。早期的湿法腐蚀技术是利用碱性溶液如KOH,TMAH等对刻有图形的硅片进行腐蚀。针对硅各向异性腐蚀的特点，硅晶体中的（111）等晶面由于是腐蚀的慢面，在一定的腐蚀时间内，腐蚀到最后会保留下来。依据这一特性，结合凸角补偿等技术，就可以制造出多种微结构。但是这也导致湿法腐蚀的一个缺点就是腐蚀速率慢，需要较长的时间完成较深结构的制造；而由于是各向异性的特点，腐蚀的慢面呈现出梯形，故而所制造的微结构上要占有较大的面积。因此，早期的硅加工技术，与其说是技术的实现，更不如说是一种艺术和智慧的体现。

而体硅的干法刻蚀则是利用等离子体刻蚀技术，利用XeF2等反应气体和其它保护气体对刻有图形的硅片进行加工，可以制造出具有较大的深宽比的微结构。干法腐蚀的特点是刻蚀反应速率快、效率高；相对来说，可以制备出占面积较小的器件，这样就可以提高硅片的使用率。

腐蚀制备好的微结构或微器件还需要封装来保护。由于制造的微结构本身尺寸很小，从几十微米到几百微米不等，甚至可以更小到纳米尺寸，甚至更大到毫米尺寸；同时，灰尘颗粒会对器件造成污染，甚至一些冲击碰撞等外界会对器件造成损坏，因此，需要对微结构进行很好的保护，即需要在设计上对微结构进行保护，以及通过键合封装等技术对所制造的敏感结构芯片进行保护。如，可以采用硅片与玻璃的键合技术来保护硅片上的敏感微结构。

微结构敏感的原理是这样的。利用IC工艺在微结构上（如悬臂梁上）制备出的敏感电阻，或利用微结构之间的间隙制造的电容等敏感元件，当外界有作用力，如当一定大小的加速度作用到微结构上时，微结构就要发生机械形变，这就导致悬臂梁上的压敏电阻或电容就要发生变化，然后再通过适当的电路放大，从而完成对外界作用力的响应，进而实现对加速度和角度等物理量的检测。

这样的微结构不仅能够对物理量能敏感，对化学量也能敏感。如，当在硅微结构上制备自组装单分子膜或其它有机膜(SAM,self-assembled monolayer)时，利用该膜就可以对某些气体分子具有吸附作用，从而使微结构发生形变等，从而检测出被吸附物质的质量，进而完成甚至‘称量’分子的重量。因此，这极大地赋予了硅上物理的新内容---硅上的微力学、微化学敏感原理，以至于实现芯片上在片(Lab on chip)微分析等。

说起来容易做起来难！今天使用最成功的数字投影仪(DMD)，最初是TI（Texas Instruments）公司一百个博士历经十年艰苦得来的结果，这也为今天MEMS产业奠定了基础。现在，随着人们对MEMS的认识加深，已经有越来越多的器件实用化了，如医用压力传感器、应用在汽车防撞气袋上的加速度传感器、导航用的陀螺、以及微流体通道等多种多样的器件。

MEMS前景非常广阔，利用MEMS技术，可以加工制造多种类型的微传感器等。其种类繁多，只要有想法，设计合理、工艺合适，就会有很好的市场可以开发和利用。国内虽然有多家研究机构在进行研究，同国外一些公司相比还很落后，国外在90年代制造的压力传感器就已经和IC集成在一起了。因此，国内如果能够突破这一障碍，我们还不会被落下，否则又要重走IC之路。

《小如蚂蚁》一书是已故中科院冶金所教授王渭源先生所著有关微机械的科普书。以此题名纪念。