博世全面布局压电MEMS，提供AlN和PZT薄膜代工服务
2019-07-14 08:10:58 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
麦姆斯咨询：多年来，博世一直在扩展MEMS工艺和材料组合。关于压电材料，博世在MEMS代工服务中引入了PZT和AlN材料，均通过溅射工艺将这两种材料沉积在8英寸晶圆上。
微访谈：博世高级副总裁Udo-Martin Gomez
在动荡的全球经济环境中，MEMS产业显示出强劲的增长潜力。根据《MEMS产业现状-2019版》报告介绍，MEMS市场将在2019年至2024年期间实现显著增长：市场营收的复合年增长率约为8.3%，预计2024年将达到185亿美元。其中，消费类市场仍然占据最大的份额（超过60%），汽车市场份额排名第二位（约为20%）。
2018~2024年MEMS市场规模
据麦姆斯咨询介绍，压电技术正在拓展新的应用领域。实际上，压电和MEMS技术的融合发展正在为全球MEMS产业带来一场革命。压电MEMS技术越来越多地应用于陀螺仪、BAW滤波器、喷墨打印头、MEMS扬声器和麦克风、自动对焦执行器，以及超声波换能器和指纹识别传感器等MEMS产品。此外，一些MEMS代工厂针对压电薄膜技术进行研究，并开发了压电薄膜制造工艺。例如Globalfoundries的AlN压电MEMS技术为Vesper量产MEMS麦克风；意法半导体（STMicroelectronics）的PZT压电MEMS技术为Usound量产MEMS扬声器。根据《压电器件：从块体型到薄膜型-2019版》报告介绍，基于压电薄膜的MEMS器件市场在2024年将超过60亿美元，为MEMS产业带来新机遇。
压电MEMS产品的面市时间及未来预测
在上述背景下，Yole高级技术与市场分析师Jerome Mouly（以下简称：JM）和Dimitrios Damianos（以下简称：DD）联合采访了博世高级副总裁Udo-Martin Gomez（以下简称：UMG）博士。博世（Bosch）是汽车和消费电子领域的MEMS领导者，也拥有压电MEMS制造能力。
博世MEMS惯性传感器和环境传感器
JM：UMG博士，您好。您可以向我们的读者介绍下自己吗？您在博世的职责是什么？
UMG：我是博世高级副总裁，负责汽车电子业务部门MEMS传感器研发和传感器业务。我们业务的重点是为MEMS产品的大批量生产提供新技术，以及为众多汽车应用开发和推广创新的MEMS传感器。
JM：博世是一家全球领先的MEMS制造商，每天可生产超过3000片晶圆。你们还为定制项目提供MEMS代工服务，那么这项开放式代工服务的动机是什么？
UMG：博世目前正在扩大200mm（8英寸）MEMS生产能力。因此，我们希望增加和拓宽博世的MEMS业务，例如为非博世传统MEMS市场提供MEMS代工服务。12年多来，博世为美国硅谷的SiTime公司提供MEMS代工服务，SiTime是MEMS时钟的市场领导者。我们的目标是让客户成功进入新市场，或者通过提供下一代技术来推动业务增长。作为可靠且稳定的MEMS代工厂，博世致力于实现双赢的长期合作伙伴关系。
JM：您能介绍一下博世的MEMS代工能力吗？
UMG：由于我们可能是全球拥有最广泛技术组合的MEMS领先厂商，因此博世可以加快客户的研发和产业化。我们为客户提供灵活的研发资源和能力，凭借在MEMS领域的数十年经验及丰富的专业知识，最终实现在质量、可靠性、大批量生产和长期交付保证等方面的强大优势。
技术组合：
- KrF光刻技术，可满足130纳米MEMS工艺需求
- 所有标准ASIC工艺流程
- 表面硅工艺和体硅工艺
- DRIE（博世工艺）
- 氢氟酸（HF）干法氧化硅刻蚀工艺和XeF2干法硅刻蚀工艺
- 氢氧化钾（KOH）蚀刻
- 硅通孔（TSV）
- 抗粘连和ALD涂层
- PZT和AlN薄膜工艺
- 键合：阳极键合、玻璃焊料键合、共晶键合（AlGe）、Epi-Seal工艺
- 气体或真空封装、Reseal
- SiRiN
- 多孔硅
- 背面对齐和处理
- 研磨和抛光
制造能力：
- 前道工艺
* 3个晶圆厂（6英寸和8英寸皆有）
* 每天生产超过3000片晶圆
* 所有工厂都符合汽车和消费电子的要求：IATF 16946、ISO 14001等其它标准
- 后道工艺
* 6英寸和8英寸晶圆级测试
* 传感器组装
* 传感器成品测试
博世光学MEMS器件案例，显示了多晶圆键合的复杂性及多种MEMS工艺
DD：博世的代工服务包括压电MEMS器件的生产。你们使用哪些压电材料和沉积工艺？
UMG：多年来，我们一直在扩展MEMS工艺和材料组合。关于压电材料，博世在MEMS代工服务中引入了PZT和AlN材料，均通过溅射工艺将这两种材料沉积在8英寸晶圆上。我们拥有最先进的工艺设备，例如使用爱发科（ULVAC）的溅射设备沉积PZT薄膜材料，我们正在联合开发计划（JDP）中共同努力，以期改进工艺流程；使用SPTS的Sigma PVD设备沉积AlN薄膜材料，可以改善压电薄膜的均匀性。
DD：溅射法是一种沉积技术，与其它沉积技术（如溶胶-凝胶法）相比，有哪些优势？博世取得了哪些成绩（如厚度、均匀性）？
UMG：当博世开始压电MEMS的前期开发阶段时，我们对应用需求进行了全面分析，并将各种压电MEMS薄膜沉积技术（溅射法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法（PLD））进行了比较。最终，我们决定选择溅射法。溅射设备在半导体代工厂中是众所周知的，并且溅射靶材和其它介质的供应链已经建立。这使得溅射工艺和材料性能在任何情况下都是可控的，即使在大批量生产情况下也是可再现的。
典型值：
PZT：e31：-12~-14C/m²，厚度范围：500~2000nm（取决于应用），均匀度：<10%
AlN：e31：约-1C/m²，相对介电常数：约10，厚度范围：200~1500nm（取决于应用），<50MPa应力均匀性
DD：博世主要面向哪些压电MEMS器件提供代工服务？
UMG：整体来说，我们可以为客户提供基于压电MEMS技术的传感器和执行器。我们对所有压电MEMS相关的器件都开放，如喷墨打印头、微镜、微型扬声器、超声波换能器等。但是，压电MEMS项目能否实施很大程度上取决于我们客户的可靠商业模式。
DD：您如何看待压电MEMS市场增长？以及压电传感功能的优势在哪？
UMG：由于现有市场的渗透率提升和新市场的不断开发，MEMS产品种类正在急剧增加。随着人工智能（AI）的发展，传感和执行功能的必要性也将增加，从而导致更多的MEMS市场需求。在物联网、通信、汽车、医疗、工业等众多领域，压电MEMS（包括AlN和PZT）都会发挥着自己的重要作用。
压电传感应用中的首选材料是AlN。除“CMOS兼容性和易于集成”之外，AlN主要优点是低介电常数和介电损耗。压电材料特性与MEMS技术相结合，可以在小型设备上实现高分辨率超声成像。您可能会了解到博世拥有基于电容或压阻原理的MEMS传感技术，但是基于压电原理的MEMS技术正在兴起，即将开辟了广大的新应用领域，所以博世在压电MEMS方面充分布局，以满足新的客户需求。
JM：喷墨打印头、惯性MEMS传感器和射频滤波器是目前仍在不断增长的市场。您是否看到有何新兴的压电MEMS器件市场将爆发？
UMG：压电MEMS器件的下一波增长驱动力可能来自MEMS时钟、超声波换能器、“工业4.0”中的振动能量收集器等。我认为压电MEMS的未来市场是巨大的。
JM：最后，您还有什么话想对我们读者说吗？
UMG：MEMS领域充满机遇、活力四射，博世作为全球领先的MEMS厂商，为客户的创新理念提供专业知识和制造能力，以开拓富有成效的合作伙伴关系，一起挖掘新市场！
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