華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院段國韜團(tuán)隊MEMS氣體傳感芯片晶圓級制造獲突破
隨著“超越摩爾”范式的演進(jìn)，微機電系統(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，實現(xiàn)晶圓級兼容制造，一直是制約高性能MEMS氣體傳感芯片發(fā)展的長期挑戰(zhàn)。
近日，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院段國韜教授團(tuán)隊針對這一難題，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)隊自主開發(fā)了晶圓級自組裝設(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)以實現(xiàn)優(yōu)異傳感性能，同時避免破壞預(yù)先制備的MEMS器件結(jié)構(gòu)。面對納米薄膜在MEMS懸臂梁釋放過程中的失效問題，研究團(tuán)隊通過理論計算與實驗結(jié)合揭示出界面失效機制，進(jìn)而引入HfO?界面鈍化層，有效阻斷腐蝕液對界面的攻擊。
在上述基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊成功實現(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，同時保留有納米材料高靈敏、快響應(yīng)優(yōu)勢，并具有晶圓級別的高一致性。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)一步增強芯片的綜合傳感性能。
該項研究工作建立了一套完整的氣體傳感芯片晶圓級制造方法和具體工藝，解決了業(yè)內(nèi)長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，將推動高性能納米材料MEMS氣體傳感芯片產(chǎn)業(yè)化。
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