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基于电化学微加工技术的多元兼容集成制造工艺及其应用

随着摩尔定律日益趋近其发展极限, 高集成、多功能微机电系统(MEMS) 器件为智能化应用的发展提供持续不竭的动力. 若要实现兼容更多功能部件的系统集成, 关键是要突破多元材料、复杂结构难以异质异构集成制造的工艺难题. 基于电化学微加工的多元兼容集成制造技术, 以其低温且易于集成的工艺属性展现了材料多样性、结构多样性和工艺多样性兼容集成的潜力,提供了有效解决上述难题的优势技术途径, 为面向重大需求的高性能、智能化、微型化的MEMS器件奠定技术基础. 上海交通大学丁桂甫教授团队对典型MEMS微加工技术的兼容性进行分析, 阐述基于电化学微加工技术的多元兼容集成制造工艺的技术内涵、发展潜力、关键技术和阶段成果, 并进一步探讨了后续发展亟需解决的基础科学问题.
纵观半导体行业的发展历史, 集成电路 (IC) 的集成度和工艺节点分别按照“摩尔定律”的翻番规律和缩减趋势不断地延续, 随着特征尺寸逐步逼近物理极限, 工艺的迭代速度已有所放缓, 功耗与性能难以平衡, 技术瓶颈制约了生产制程的发展步伐, 物理效应、芯片功耗和经济效益成为现阶段集成电路的发展瓶颈. 各大研究机构一方面积极探索新型的可替代结构和微缩工艺, 力求在维持功耗的同时提升芯片性能并尽可能缩小空间尺寸; 另一方面则以应用需求为导向, 侧重尝试将不同功能芯片或异质异构元器件堆叠互联以实现多元兼容的集成效果. 跟随硅基与非硅基微机电系统 (MEMS) 技术的发展, 系统芯片不再拘泥于传统IC技术下的微型电路模块, 而是利用先进MEMS工艺将微机械结构与电路系统高度集成在同一块载体, 成为探索后摩尔时代发展的关键路径之一.
市场需求和技术创新驱动了产品的发展进程, 图1所示为IC和MEMS工艺技术及其行业的发展历程.自2007年以来, 以智能手机为代表的消费电子产品引领了MEMS传感器的大规模商业化应用, 初步展示了多功能集成的优势和潜力. 此外, 除了以表面硅和体硅工艺为主的硅基微加工技术, 伴随着LIGA工艺和聚合物工艺的开发,以金属为代表的非硅基微加工技术进一步拓展了MEMS工艺的多样化发展, 多功能器件制造将成为推进硬件技术发展的新动力.
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图1 IC和MEMS工艺技术及其行业的发展历程
多种类型功能器件系统集成的发展方向使得芯片发展从一味地追求极限尺寸转向更为有效地将各类功能器件高密度多兼容的集成制备, 若要实现多类型功能微结构的一体化集成制造, 需要先解决多种材料、复杂结构异质异构集成的工艺难题. 上海交通大学丁桂甫教授团队首先分析了典型的MEMS工艺以及基于典型工艺和掩膜电镀工艺所形成的标准化工艺, 并重点介绍了满足多种功能器件集成需求的多元兼容MEMS集成制造工艺, 该工艺技术以电化学成型和叠层制备作为技术路线, 配合基于掩膜电镀的通用化图形化方法和高选择性化学牺牲层工艺, 兼容多样性材料、结构和工艺, 实现一体化集成的三维MEMS微结构, 以适应多功能集成器件的发展趋势和应用需求.
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