在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的世界里，我們正在不斷地將機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行器乃至整個(gè)系統(tǒng)微型化，集成到微米甚至納米尺度的芯片上。從智能手機(jī)中的加速度計(jì)和陀螺儀，到汽車的安全氣囊壓力傳感器，再到未來的可穿戴醫(yī)療設(shè)備，MEMS技術(shù)無處不在。而在這個(gè)精密的微觀世界里，材料的選擇是決定器件性能、可靠性和成本的關(guān)鍵。近年來，藍(lán)寶石晶片憑借其一系列卓越的物理和化學(xué)特性，正逐漸從眾多材料中脫穎而出，成為高端MEMS加工中不可或缺的理想襯底材料。
一、 何為藍(lán)寶石晶片？
這里所說的“藍(lán)寶石”并非天然珠寶，而是指通過特定方法（如凱氏長(zhǎng)晶法）人工合成的單一晶向的α-氧化鋁（α-Al?O?）晶體。其純度高，具有以下令人矚目的特性：
堅(jiān)硬與耐磨：其莫氏硬度高達(dá)9，僅次于鉆石。這使得藍(lán)寶石器件耐刮擦和磨損。
優(yōu)異的光學(xué)性能：在紫外線、可見光到紅外線的寬光譜范圍內(nèi)都具有高透光性，是光學(xué)MEMS器件的絕佳窗口材料。
卓越的化學(xué)惰性：對(duì)大多數(shù)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿具有很高的抗腐蝕能力，能在苛刻的化學(xué)環(huán)境中穩(wěn)定工作。
高熱穩(wěn)定性和絕緣性：熔點(diǎn)高達(dá)2050°C，熱膨脹系數(shù)與多種半導(dǎo)體材料匹配良好，是優(yōu)良的電絕緣體。
晶格匹配：其晶格常數(shù)與氮化鎵（GaN）等第三代半導(dǎo)體材料非常匹配，為基于GaN的功率MEMS或光電子集成提供了可能。
二、 藍(lán)寶石晶片在MEMS加工中的核心優(yōu)勢(shì)
將藍(lán)寶石晶片作為MEMS加工的襯底，能夠解決許多傳統(tǒng)硅基材料無法應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。
為苛刻環(huán)境而生：傳統(tǒng)硅基MEMS在高溫、強(qiáng)腐蝕或高磨損環(huán)境下容易失效。藍(lán)寶石的化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性使得基于其的MEMS傳感器（如高溫壓力傳感器、化學(xué)傳感器）能夠應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)、石油化工過程控制等極端領(lǐng)域。
實(shí)現(xiàn)高性能光學(xué)MEMS：藍(lán)寶石的高透光性使其成為微鏡、光開關(guān)、紅外窗口等光學(xué)MEMS器件的天然選擇。它可以同時(shí)作為機(jī)械結(jié)構(gòu)材料和光學(xué)通路，簡(jiǎn)化了器件設(shè)計(jì)和封裝難度。
增強(qiáng)器件可靠性與壽命：高硬度顯著減少了器件在長(zhǎng)期使用過程中因摩擦、顆粒污染等導(dǎo)致的性能衰減，尤其適用于需要頻繁機(jī)械運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)（如RF開關(guān)）。
作為異質(zhì)集成平臺(tái)：藍(lán)寶石是外延生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN薄膜的理想襯底。這使得將GaN的高頻、高功率特性與MEMS的可動(dòng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合成為可能，開創(chuàng)了“氮化鎵MEMS”或“射頻MEMS”的新領(lǐng)域。
三、 MEMS加工中的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)
盡管優(yōu)勢(shì)明顯，但藍(lán)寶石“堅(jiān)不可摧”的特性也為其微加工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的硅刻蝕工藝對(duì)藍(lán)寶石幾乎無效。
因此，針對(duì)藍(lán)寶石MEMS的加工發(fā)展出了一系列特種技術(shù)：
激光加工（激光燒蝕）：超短脈沖（飛秒、皮秒）激光是加工藍(lán)寶石的有效工具之一。激光能量被高度局域化，通過“冷加工”機(jī)制實(shí)現(xiàn)精密切割、鉆孔和表面結(jié)構(gòu)化，熱影響區(qū)小。
等離子體刻蝕：基于氯基或硼基化學(xué)氣體的高密度等離子體（ICP/RIE）刻蝕是圖形化藍(lán)寶石襯底的主流技術(shù)。需要高溫臺(tái)面（通常>100°C）和耐腐蝕的硬掩模（如金屬鎳、鉻或二氧化硅）來獲得可觀的刻蝕速率和良好的各向異性輪廓。
機(jī)械微加工：使用金剛石刀具進(jìn)行超精密磨削、切割和鉆孔，可用于制作初級(jí)的結(jié)構(gòu)或切割劃片。
智能剝離與鍵合技術(shù)（Smart Cut?）：可以先在供體晶圓上形成器件層，然后通過氫離子注入和鍵合技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石襯底上，實(shí)現(xiàn)了在“易加工”材料上制造器件，再與“高性能”襯底結(jié)合的路徑。
這些工藝通常成本較高且耗時(shí)，因此藍(lán)寶石MEMS目前主要聚焦于那些對(duì)性能、可靠性要求高，足以抵消其成本增加的高端應(yīng)用。
四、 應(yīng)用前景
高溫高壓傳感器：用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
化學(xué)與生物傳感器：用于植入式醫(yī)療設(shè)備或原位環(huán)境監(jiān)測(cè)，其生物相容性和抗腐蝕性至關(guān)重要。
高可靠性RF MEMS開關(guān)：用于5G/6G通信和航天相控陣?yán)走_(dá)。
光學(xué)MEMS：如投影儀中的微鏡陣列（DMD雖非藍(lán)寶石，但體現(xiàn)了類似需求）、激光雷達(dá)中的掃描微鏡。
基于GaN-on-Sapphire的器件：將高效功率器件與MEMS傳感/執(zhí)行功能單片集成。
五、 結(jié)論與展望
藍(lán)寶石晶片為MEMS技術(shù)打開了一扇通往更極端環(huán)境、更高性能、更長(zhǎng)壽命應(yīng)用領(lǐng)域的大門。它不再僅僅是一種襯底材料，更是實(shí)現(xiàn)下一代創(chuàng)新MEMS器件的賦能平臺(tái)。盡管其加工挑戰(zhàn)和成本問題依然存在，但隨著激光技術(shù)、等離子體刻蝕工藝的不斷進(jìn)步和規(guī)模化生產(chǎn)效應(yīng)的顯現(xiàn)，藍(lán)寶石在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用必將越來越廣泛。它正與碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體材料一起，共同推動(dòng)著微系統(tǒng)技術(shù)向著更高、更強(qiáng)、更智能的未來邁進(jìn)。
