热式MEMS衬底集成多孔3D微结构实现热隔离

来源：MEMS

作者：麦姆斯咨询殷飞

热式MEMS（Thermal MEMS）器件基于微尺度热量的产生和/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。在传感器领域，热式MEMS器件包括红外（IR）辐射探测器、热式流量传感器、热式加速度计以及多种气体传感器。

热式执行器基于加热或冷却限定区域时MEMS结构的受控形变，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。

大多数热式MEMS器件需要将热量的产生或吸收限制在一个明确定义的区域内才能工作。这就需要使用合适的热隔离策略，但由于单晶硅的高热导率，这些策略的实施并非易事。最常见的方法是在热活性微结构（主要是金属薄膜）周围尽可能多地去除硅。

这可以通过构建薄膜的膜层结构、微悬臂梁的悬浮，或完全移除所有衬底仅留下独立金属化层来实现。所有这些方法都有一个缺点，即它们利用MEMS工艺构建了脆弱的结构，这些结构通常难以控制，因为它们需要仔细调整薄膜应力，以防止结构发生屈曲或彻底失效。此外，悬浮微结构和薄膜对振动或压力冲击很敏感，这限制了它们在恶劣环境中的应用。

前述挑战已经促使MEMS设计人员考虑使用热隔离块体材料，主要包括两种材料：玻璃和多孔硅。这两种材料的热导率都比单晶硅低两个数量级以上。尽管已经可以满足部分应用，但它们仍远大于薄膜的膜层或悬臂等结构所能达到的热导率。

不久之前，德国弗劳恩霍夫硅技术研究所（Fraunhofer Institute for Silicon Technology，ISIT）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。

据麦姆斯咨询介绍，弗劳恩霍夫硅技术研究所的研究人员在一项新的研究中，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。这项研究成果已于近期发表于Micromachines。

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（德国Evonik），D50=33µm；氮化硅（德国Sigma Aldrich），D50<10µm；以及玻璃碳（德国Sigma Aldrich），D50=2~12µm。

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 nm Al2O3原子层沉积（ALD）凝聚成固体3D微结构。

经过PowderMEMS技术改良传感器的2D热模型

实验结果表明，PowderMEMS微结构非常适合用于调整MEMS器件等微型系统内的热传播。由氮化硅和玻璃碳粉末制成的多孔3D微结构，可以实现Borofloat 33等衬底所能达到的热导率。多孔AP 300/30微结构测得的热导率，则低于所有已有报道的与MEMS工艺兼容的无机材料。

与玻璃和多孔硅这两种最广泛用于固体热隔离的MEMS衬底相比，AP 300/30微结构可将热导率降低高达两个数量级。通过降低PowderMEMS微结构内部的气体压力，可以实现接近空气的热导率（λAir=0.026 W/mK）。

PowderMEMS微结构可用于红外探测器、气体传感器或流量传感器等热式MEMS器件的热隔离。下图说明了两种常见类型的具有多孔3D微结构的量热流量传感器的改进。在这两种用例下，机械实体的存在除了能够抑制可能导致传感器读数异常或完全机械故障的振动本征模式外，还将提高独立结构对超压事件的复原能力。

利用PowderMEMS技术改良具有（a）独立膜层结构和（b）悬浮微结构的MEMS热式传感器。左侧图展示了传统传感器设计，右侧图展示了基于真空密封3D微结构的相应设计。

此外，在基于膜层结构的传感器用例中，新设计还可以抑制由受监测介质对流引起的背面空腔内的寄生效应。上图提出的器件代表了将PowderMEMS微结构集成到MEMS器件中的两种基本选择。在上图a中，多孔3D微结构是在MEMS工艺的最后阶段制造的。为了在多孔微结构内部实现稳定的真空，可以通过标准的MEMS化学和物理气相沉积工艺沉积几微米厚的薄膜。

PowderMEMS微结构的另一个潜在应用是在微型系统或集成电路内构建热隔离区域，以分离“冷组件”和“热组件”。例如，下图中的剖面图展示了在中介层上紧密排布的温差较大的两组芯片，利用真空密封的3D微结构进行热隔离。

（a）散热器顶部具有集成PowderMEMS结构的中介层，用于对紧邻的芯片进行热隔离；（b）利用具有衬底高度的PowderMEMS结构，在集成电路内构建热隔离和电隔离区。

结语

这项研究介绍了一种通过固体多孔3D微结构实现微尺度热隔离的新工艺，提出了一种利用薄膜膜层结构对现有热式MEMS器件进行改良的方法，开发了一种用于估算多孔微结构热导率的模型，并构建了由三种不同粉末材料制成的多孔3D微结构，并对其热隔离适用性进行了研究。研究发现Aeroperl 300/30凝聚的微结构表现最佳。通过降低结构内部的残余气体压力，可以观察到热导率的进一步降低。最终热导率在环境空气中接近0.1 W/mK，在真空下接近0.04 W/mK。

编辑：六块钱的鱼