基于激光的结晶工艺，“黑科技”制造MEMS传感器单元

为了使未来的微机电系统（MEMS）功能更强大，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）研究人员与弗劳恩霍夫IST（薄膜）和ISIT（硅）两家研究所合作，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，新工艺消除了对焊丝和焊点的需要，可以显著减小元件尺寸和提高传感器性能。MEMS传感器的一个显著市场是车辆安全和控制系统；它们记录了车辆运行的许多关键参数，例如安全气囊、防抱死制动器或电子稳定程序。MEMS惯性传感器也被纳入智能手机、手表和四翼机等消费品中。

温和高温结晶：ILT与ISIT和IST共同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

在传统生产中，MEMS传感器单元与硅片上的电子专用集成电路相结合。然而，由于集成电路附近的环境温度可能不超过450°C，因此首先单独制造由晶体硅制成的MEMS传感器。然后，它们通过导线和焊料连接或晶圆键合工艺与电路接触。

ILT薄膜处理小组的研究助理Florian Fuchs说：“传统的互连技术需要相对较大的空间，阻止了MEMS的进一步小型化。因此，由晶体硅制成的MEMS不能直接构建在专用集成电路上。”

“温和”的硅结晶

ILT不使用传统的连接技术，而是依靠基于激光工艺，使其能够在温度敏感电路上直接（单片）构建晶体硅MEMS传感器。开发项目的重点是通过IST和ISIT的技术沉积硅层，通过ILT选择性激光结晶，以及通过ISIT将硅层设计和微电子加工成传感器。

研究人员利用了这样一个事实，即在温度低于450°C、沉积速率较高的情况下，可以在保持电路的晶圆上生产非晶硅层。激光不仅使该硅层结晶还激活其中的掺杂剂，从而确保适当的导电性。

ILT选择性激光结晶硅阵列的详细视图

当使用激光辐射使硅在高温下结晶，但低于其熔点时，结晶会在空间上选择性地快速发生（在较低的毫秒范围内）。结合目标温度管理，该过程将层材料中的机械应力降至最低，但不会损坏敏感电子元件。

ILT薄膜处理小组负责人Christian Vedder博士评论道：“由于能量很快被引入到很小的体积中，我们通过激光处理在实际高于基本电路破坏阈值的温度下实现硅的固相结晶。由于处理时间短，电路没有损坏。”

单片集成的优点

Florian Fuchs补充道：“由于晶体硅层可以在专用集成电路晶片上的CMOS兼容条件下生产，我们为集成MEMS-IC开辟了新的可能性，因为不再需要修改CMOS制造工艺。”

除了增加集成密度外，该工艺还消除了接线和焊盘，从而降低了预期的干扰变量，提高了对电磁干扰场的屏蔽能力。这种消除反过来又会对传感器的信号质量和漂移行为产生积极影响。