【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著“超越摩爾”范式的演進(jìn)，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)作為集成多種傳感和執(zhí)行功能的關(guān)鍵技術(shù)，已成為下一代智能傳感應(yīng)用核心。然而，如何將高性能納米材料可靠地集成到三維懸浮MEMS架構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)兼容制造，一直是制約高性能MEMS氣體傳感芯片發(fā)展的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。
近日，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院段國韜教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一難題，提出了一種全新的“先成膜，后釋放”(film-first, cantilever-later)全流程晶圓級(jí)制造方法，轉(zhuǎn)變了本領(lǐng)域劃片后集成材料的常規(guī)思路，成功實(shí)現(xiàn)了納米材料與三維MEMS傳感芯片的高效集成。研究成果以“Wafer-level self-assembly and interface passivation patterning technology for nanomaterial-compatible 3D MEMS sensing chips”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters。第一作者為集成電路學(xué)院2025屆博士張征。
研究團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了晶圓級(jí)自組裝設(shè)備，支持8英寸晶圓納米顆粒液面自組裝工藝。通過自組裝過程動(dòng)力學(xué)控制，由濕化學(xué)合成的納米顆粒可形成致密、均勻的單層薄膜，并無損轉(zhuǎn)移至8英寸晶圓表面。該策略將材料合成、退火與成膜、轉(zhuǎn)移過程解耦，可有效調(diào)控納米材料結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異傳感性能，同時(shí)避免破壞預(yù)先制備的MEMS器件結(jié)構(gòu)。面對(duì)納米薄膜在MEMS懸臂梁釋放過程中的失效問題，研究團(tuán)隊(duì)通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合揭示出界面失效機(jī)制，進(jìn)而引入HfO?界面鈍化層，有效阻斷腐蝕液對(duì)界面的攻擊。
在上述基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了基于Pd/SnO2納米顆粒的MEMS氫氣傳感芯片8英寸晶圓制造。芯片充分展現(xiàn)了MEMS器件小尺寸和低功耗優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保留有納米材料高靈敏、快響應(yīng)優(yōu)勢(shì)，并具有晶圓級(jí)別的高一致性。該方法可以通過納米材料結(jié)構(gòu)和自組裝過程調(diào)控、薄膜圖案定制，進(jìn)一步增強(qiáng)芯片的綜合傳感性能。
該項(xiàng)研究工作建立了一套完整的氣體傳感芯片晶圓級(jí)制造方法和具體工藝，解決了業(yè)內(nèi)長(zhǎng)期困擾的高性能納米材料和三維懸空MEMS結(jié)構(gòu)不兼容的關(guān)鍵難題，將推動(dòng)高性能納米材料MEMS氣體傳感芯片產(chǎn)業(yè)化。
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