下一代MEMS技术是什么？
2013-11-23 12:11:01   来源：微迷   评论：0   点击：

中国微纳技术俱乐部 王懿/译

研究人员期望采用新型压电和磁性材料、新型传感测量原理（如谐振频率）、新的键合和刻蚀方法，以开发下一代MEMS器件。

Lab4MEMS项目：实现压电陶瓷薄膜材料、坡莫合金和三维系统级封装量产工艺

意法半导体和其它合作伙伴共同投资3700万美元，进行Lab4MEMS项目研发，目标是通过欧洲研发机构的中试平台和小批量出货，实现压电陶瓷（PZT）薄膜、坡莫合金磁性材料和三维封装的量产工艺。目前，正在研发的产品包括压电打印头、单芯片3轴磁力计和多芯片惯性传感器模块（采用垂直互连封装技术取代引线键合）。

欧洲Lab4MEMS项目希望经过2年半的努力（2013年1月-2015年中旬），优化这些新工艺，使得成本更低，适合量产，并增加意法半导体在Agrate Brianza城市8寸晶圆设施以及在马耳他的后端封装设施。参与该项目的单位包括设备和材料供应商（Datacon, KLATencor, Okmetic, PICOSUN和SolMateS）、MEMS器件设计和生产商（STMicroelectronics, Cavendish Kinetics和Sonitor）、十几个欧洲大学和研究所。

具有高性价比的PZT薄膜技术渗透到工业/商业领域的打印头，逐步取代体式压电喷头，目前可以打印很多材料，从纺织品、瓷砖到塑料。意法半导体正与设备供应商紧密合作，开发8英寸量产的PZT薄膜沉积工艺，该工艺与其现有的8英寸MEMS线兼容，同时又具有体式压电喷头的质量和可靠性。“一个很大的挑战来自于‘量产’工艺技术能力的开发。”意法半导体流体MEMS部门主管Anton Hofmeister说道，“开发一项可靠的PZT薄膜技术需要反复实验，花费大量时间和金钱。并且，集成PZT薄膜器件的工艺流程开发、性能是否能满足商用打印机需求也是不小的挑战。” 意法半导体Lab4MEMS项目总协调员Roberto Zafalon补充：“关键挑战在于如何把这些新材料、新技术融入量产而不影响晶圆厂的总体生产能力。此外该项目还致力于改善表面分析、均匀性和粘附力的测量方法。”

“一旦我们开发出了该项打印头工艺，意法半导体将拥有世界级的PZT薄膜工艺，当然该工艺也可以应用于其他器件，如能量收集器、硬盘驱动器、微镜和医疗应用的微泵。”Anton Hofmeister说，“对于意法半导体来说，压电技术是一项非常重要的MEMS产品系列拓展工具。”

该项目还面向单芯片3轴磁力计研发，以满足手机和GPS导航仪中电子罗盘对组合惯性传感器的需求。目前，工作人员正专注于坡莫合金磁性材料的量产研究，很可能产生一些意外之喜。集成垂直（Z）轴的可能方案是形成类似DRAM单元的沟槽结构，该项目合作伙伴VTT正在努力研究V形解决方案。Anton Hofmeister说：“这需要不断地改进设计和仿真工具以便处理复杂的新材料集成问题。然而真正的挑战：在研发结束后保证批量生产，并满足意法半导体现有的MEMS惯性传感器业务需求。”

第三个研发重点是3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计和相关ASIC的封装解决方案，通过倒装芯片、硅通孔、模通孔实现垂直互连，取代引线键合。研究人员正寻找低成本硅片钻孔方法（孔径：75-200μm），激光钻孔是一项潜在替代方法。除去TSV的光刻步骤能提高典型MEMS器件硅通孔的生产吞吐量。“最大的挑战是以较低的成本实现较高的精准度。” Roberto Zafalon说，“考虑装配设备产生的‘芯片与芯片’或‘芯片与基板’公差的同时，也需要降低光学对准或自对准硬件设计架构的成本（如装配、键合工艺），以满足非常苛刻的封装成本要求。

以上三项技术样品已经在今年底开始首次试生产。

热门在研MEMS器件出炉：谐振器件和气体传感器

下一代MEMS器件很可能采用谐振方式实现传感器和执行器，并且未来将从实验室“走出”越来越多的气体传感器。A.M.Fitzgerald & Associates高级MEMS工程师Keith Jackson认为：“MEMS谐振器件和气体传感器是大势所趋，最近几年很多会议和论文都有大量相关内容发布。谐振频率的变化是一种新的方法，更容易与CMOS工艺集成，并实现高灵敏度传感。”通过谐振频率变化来检测温度比常用的非制冷微测辐射热计（红外传感原理）更灵敏、更容易在硅片上实现。例如，研究人员发现红外线能加热温度敏感度高的AlN压电悬臂桥，从而改变其谐振频率和电信号。谐振频率甚至可以作为磁传感器检测机理，如意法半导体和米兰理工大学一起探索采用传统的梳齿状设计来测量谐振频率，以实现磁力计功能。

谐振频率原理也可以用来制作一些开关和执行器，如振荡器是一种功率非常低的具有固定运动频率的执行器。加州大学伯克利分校的研究人员已经验证谐振式RF滤波器可以非常低的功率选择和发送RF频率。另一项潜在应用是以一定速率来回转动的扫描微镜，因为谐振可以非常低的功耗实现大范围运动。富士胶片公司和日本东北大学的研究人员已经验证了1mm x 1mm微镜在5V、55Khz电压驱动下扫描角度超过144°。

图1 MEMS谐振开关

气体传感器是另一个非常热的研究领域，今年夏天在巴塞罗那举办的Transducers大会上有30多篇论文发表，主要努力方向是减小器件尺寸、降低使用功耗，加速移动设备集成气体传感器。目前已获得的多项薄膜研发成果，包括高分子聚合物、有气孔的金属氧化物薄膜和纳米线，可在CMOS工艺最后一步沉积薄膜以制作传感器芯片。二氧化碳传感器也取得新进展：对湿气不敏感，且不需要加热就能正常工作。NXP和几家荷兰大学共同宣布发现一种聚合物仅对二氧化碳敏感，能在室温下低功耗工作。采用液体微喷射方法在电容式传感器表面覆盖这种聚合物，能够在2分钟内检测出二氧化碳变化，并可在无需加热的条件下15分钟恢复。该传感器的目的是监控包装食物在运输途中的储藏环境，如果发现二氧化碳气体异常变化，那么包装可能遭到损坏。

成本压力驱动产业变化

除了这些新材料和新技术驱动MEMS器件创新，MEMS产业还有一些其它变化，如消费市场的成本压力驱动制造技术不断升级：标准技术平台、可控的高量产工艺、低温键合、晶圆级封装等。

过去的一年中，开放的标准技术平台已成为可能，如InvenSense、意法半导体和XFab的惯性传感器平台；A.M. Fitzgerald和Silex的压力传感器平台，并降低了MEMS产品研发时间和成本，有可能改变竞争格局。“我们很高兴看到这一现象，” Keith Jackson说，“对于需要定制MEMS标准器件的公司来说，这些标准平台是很好的解决方案，满足从小批量到中等批量生产，例如特定规格的压力传感器。”

如果MEMS公司能通过现有的平台找到一种设计新器件的方法，那么可以节约大量时间和研发工作。虽然这可能不是唯一的或是理想的设计MEMS器件方法，但是这对于IC和系统制造商来说，也许足够好了，因为他们可以相对容易地将更多的MEMS功能加入自己的产品中，从而保持其产品的竞争力和利润率。

消费类MEMS出货量的增长和成本压力也对设备供应商提出更高的要求。“以前是你能否实现一步工艺，而现在是你能将这步工艺做到多好。” EVGroup商务拓展经理Eric Pabo说，“设备不仅仅要控制好工艺、吞吐量和一致性，还需要与晶圆厂的自动化系统和信息管理系统集成。”

键合、沉积和刻蚀新技术

“其它新兴应用需要一些特殊的工艺，如果公司想跨越‘死亡之谷’：从新兴技术到量产市场，那么要花费更多的时间来寻找未解决的工艺需求，使得新产品顺利上市。”Eric Pabo说道。“其中一个新工艺是室温键合，可在不同金属和半导体材料之间形成较强的共价键，并且不需要退火处理，主要应用是晶圆级封装、MEMS与CMOS直接键合。”室温键合工艺最早应用于不同热膨胀系数的化合物半导体晶圆之间的键合，目的是为太阳能系统生产高效的太阳能电池。但展望未来，针对晶圆级封装、MEMS与CMOS晶圆键合，设备供应商需要做一些优化。“目前，EVGroup正在为新兴MEMS技术开发新设备。” Eric Pabo说，“公司预计2014年上半年将运行样机，2015年年初就可以生产一些MEMS样品。对于EVGroup的新设备/工艺，关键之处在于其专有的预处理技术，实现室温键合所需的晶圆表面平滑度、均匀性和洁净度。”

“成本压力表明，成功的消费类MEMS器件将越来越多地需要晶圆级封装。” Eric Pabo认为，“你如果没有采用晶圆级盖帽或晶圆级封装，是不可能加入消费类MEMS竞争行列。甚至MEMS麦克风和压力传感器也会超着低成本封装前进。”

成本压力同样也推动MEMS朝着低温键合方向发展，从而提高生产量、节省芯片面积（更细的键合线）。EVGroup认为MEMS器件将需要更多的金属-金属键合（真空封装），因为金属键合能满足气密性和导电性要求，并且比玻璃熔融键合工艺的键合线更细。随着芯片尺寸的不断缩小，键合线所占芯片面积的比例变得日益重要。在极端情况下，玻璃熔融键合工艺的键合线占芯片面积的比例高达60%，这实在难以满足消费类MEMS器件需求。

图2 MEMS工艺采用周期

新的PZT和磁性材料也需要一些新的沉积和刻蚀工艺。传感器制造商正在向各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）传感器方向前进，以提高性能、减小尺寸和功率，尤其是在组合传感器方面值得考虑。因此，传感器制造商需要沉积多层金属材料，如AMR传感器需要NiFe（坡莫合金）、GMR传感器需要CoFe，这与常规MEMS工艺是不同的。为了获得良好的性能，磁性材料需要沿一个轴实现各向异性排布，所以磁性材料薄膜需要在强磁场中沉积。为加快磁传感器产业化，来自磁盘驱动器产业的PVD设备已经被优化，可实现均匀一致的磁薄膜高速沉积。“磁传感器公司完全可以借鉴磁盘驱动器公司Veeco的成熟硬件和技术。” Veeco刻蚀和沉积部门市场营销副总裁Jio Lee说道，“这些难以刻蚀的金属堆叠层，以及加速度计和喷墨打印头中的PZT材料（在Pt电极上）、SAW和FBAR滤波器中的AlN（在贵金属触点上）、可变电容中的BST（在Pt电极上），都需要一种反应离子刻蚀技术。这些化学惰性、非挥发性物质可被离子束精确的刻蚀，并且比RIE刻蚀磁性材料的速度更快。离子束刻蚀技术不是非常有选择性，所以刻蚀各种材料的速度大致相同（但是不会刻蚀光致抗蚀剂掩模），约为100-150nm/min。”