半導(dǎo)體MEMS的重要性和和進展

編譯自azom

MEMS應(yīng)用很廣，涉及的制造技術(shù)也越來越重要。

半導(dǎo)體與微機電系統(tǒng)（MEMS）集成是指將MEMS器件與集成電路（IC）集成在單個芯片上，從而縮小封裝、減少重量和尺寸，提高性能，并降低儀器和封裝成本。

半導(dǎo)體 MEMS 的重要性

MEMS 主要是傳感器系統(tǒng)，可以控制或感測化學(xué)、光學(xué)或物理量，例如流體、加速度或輻射。MEMS 設(shè)備/傳感器擁有與外界的電氣接口，通常通過 IC 實現(xiàn)，IC 提供必要的智能，使設(shè)備能夠執(zhí)行有用的功能。

例如，IC 可以提供系統(tǒng)測試功能、邏輯和通信功能以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等信號調(diào)節(jié)功能。IC和MEMS可以使用兩種方法集成，包括混合多芯片集成和片上系統(tǒng)（SoC）集成。

在傳統(tǒng)的多芯片解決方案方法中，IC 和 MEMS 元件最初是使用專用 IC 和 MEMS 制造工藝在單獨的基板上合成的，然后在最終系統(tǒng)中混合，而在最近的 SoC 解決方案方法中，IC 和 MEMS 元件是制造的使用交錯或連續(xù)處理方案在同一基板上進行。

近幾十年來，二維(2D) 集成方法已廣泛用于 MEMS 和 IC 技術(shù)的混合集成。在這些方法中，MEMS 和 IC 晶圓是獨立設(shè)計、制造和測試的，然后分成分立的芯片。隨后將分立芯片集成到封裝或板級的多芯片系統(tǒng)中。

目前，大約一半的 MEMS 產(chǎn)品，包括多種微流體器件、射頻 (RF) MEMS、壓力傳感器、麥克風(fēng)、陀螺儀和加速計，均采用多芯片解決方案實現(xiàn)，而其余 MEMS 產(chǎn)品，包括噴墨打印頭，紅外測輻射熱計陣列、數(shù)字鏡器件以及許多壓力傳感器、加速度計和陀螺儀均作為 SoC 解決方案實現(xiàn)。

多種半導(dǎo)體 MEMS 產(chǎn)品由大型換能器陣列組成，其中每個換能器均單獨運行，這些產(chǎn)品主要作為 SoC 解決方案實現(xiàn)，以將每個 MEMS 換能器及其相關(guān) IC 集成在單個芯片上。

通過混合集成的半導(dǎo)體MEMS

傳統(tǒng)上，IC和MEMS芯片是分開封裝的，然后作為一個系統(tǒng)集成在印刷電路板(PCB)上，這導(dǎo)致了多芯片模塊的發(fā)展。在半導(dǎo)體 MEMS 多芯片模塊中，IC 和 MEMS 芯片并排放置在同一封裝中，并在封裝級使用引線和/或倒裝芯片接合進行互連。

通過倒裝芯片接合的多種 MEMS 和 IC 集成概念可用于多種應(yīng)用，例如微光機電系統(tǒng)、MEMS 傳感器和 RF-MEMS。最近的芯片到封裝和芯片到芯片互連的概念，例如扇出晶圓級封裝概念，是基于使用嵌入式芯片之間的薄膜互連而開發(fā)的。

其他芯片到芯片互連方法包括絎縫封裝，其中具有各種功能的芯片緊密地平鋪在封裝基板上，并使用從每個芯片突出的垂直面和機械柔性互連進行互連。

與板載系統(tǒng)方法相比，多芯片模塊占用的 PCB 面積更小，并且芯片之間的信號路徑長度顯著縮短。因此，這個概念廣泛應(yīng)用于研究和商業(yè)產(chǎn)品中。

具體而言，MEMS 芯片與商用專用集成電路 (ASIC) 的集成可實現(xiàn)混合半導(dǎo)體 MEMS 系統(tǒng)的快速、簡單且經(jīng)濟高效的實施。

系統(tǒng)級封裝、垂直或堆疊多芯片模塊由垂直連接的芯片組成，并使用導(dǎo)線或倒裝芯片直接或通過額外的重新分布層互連。

與多芯片模塊相比，更小的封裝尺寸/體積、更短的信號路徑長度和更高的集成密度是這些三維 (3D) 堆疊方法的主要優(yōu)點，這些方法用于壓力傳感器等商業(yè)產(chǎn)品。

晶圓級封裝和芯片級封裝概念可以產(chǎn)生高度緊湊的封裝，其占用面積與封裝中涉及的最大芯片尺寸相似。MEMS 芯片技術(shù)是這種方法的突出例子之一。

系統(tǒng)級封裝方法可在封裝級別實現(xiàn)小型化和高度集成的系統(tǒng)技術(shù)。在這些方法中，MEMS 和 IC 器件與其他幾種基本技術(shù)（從電力電子和光學(xué)到無線組件）集成在一個通用封裝中。

因此，低制造復(fù)雜性、模塊化和高靈活性是多芯片解決方案的主要優(yōu)點，而厚度、大系統(tǒng)占用空間和有限的集成密度是主要缺點。

通過晶圓級集成的半導(dǎo)體MEMS

SoC解決方案可分為單片MEMS和IC集成技術(shù)，其中IC和MEMS結(jié)構(gòu)完全制造在同一基板上，以及異構(gòu)MEMS和IC集成技術(shù)，其中IC和MEMS結(jié)構(gòu)部分或全部預(yù)制在同一基板上。分離基板，然后合并到單個基板上。

使用單片MEMS 和 IC 集成的 SoC 解決方案

在使用 MEMS 優(yōu)先處理的單片 MEMS 和 IC 集成中，完整 MEMS 器件所需的所有處理步驟都在互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 處理之前執(zhí)行，以實現(xiàn)后續(xù) CMOS 集成并制造半導(dǎo)體 MEMS。

這些方法提供了有利的 MEMS 制造條件，例如極高的熱預(yù)算，從而可以制造高性能 MEMS 結(jié)構(gòu)，例如高性能 MEMS 諧振器。然而，預(yù)處理的 MEMS 晶圓的材料暴露和嚴(yán)格的表面平坦度要求是主要缺點。

通過使用交錯式 MEMS 和 IC 處理的單片 MEMS 和 IC 集成，半導(dǎo)體 MEMS 是通過在 CMOS 制造之后、期間或之前執(zhí)行的 MEMS 處理步驟的組合來實現(xiàn)的。

盡管這些方法允許將高性能 MEMS 器件和材料與 CMOS 電路集成在同一基板上，但它們需要完全訪問專用的定制 CMOS 生產(chǎn)線，這極大地限制了該技術(shù)的普遍適用性。

在通過體微機械加工使用 MEMS 最后處理的單片 MEMS 和 IC 集成中，MEMS 結(jié)構(gòu)是在整個 CMOS 制造工藝完成后制造的。

這種方法可以使用現(xiàn)有的 IC 基礎(chǔ)設(shè)施來實現(xiàn)，這是一個主要優(yōu)勢。然而，CMOS 工藝所允許的 MEMS 器件的材料選擇有限和設(shè)計自由度有限是主要缺點。

半導(dǎo)體 MEMS 可以通過單片 MEMS 和 IC 集成來實現(xiàn)，使用 MEMS 最后處理，通過表面微加工和層沉積。在這種方法中，MEMS 結(jié)構(gòu)是通過微加工并在完整的 CMOS 晶圓上沉積材料來制造的。

雖然標(biāo)準(zhǔn) CMOS 代工廠可用于這種方法中的 CMOS 晶圓制造，但 MEMS 材料的沉積溫度必須保持在允許的 CMOS 晶圓溫度預(yù)算在400-450 °C之間。

使用異構(gòu)MEMS 和 IC 集成的 SoC 解決方案

異構(gòu) MEMS 和 IC 集成是指將兩個或多個包含部分或完全制造的 MEMS 和 IC 結(jié)構(gòu)的基板連接起來，以制造異構(gòu) SoC 解決方案。

層轉(zhuǎn)移、先通孔工藝期間的異質(zhì) MEMS 和 IC 集成通孔形成允許將高性能 MEMS 材料與基于標(biāo)準(zhǔn) CMOS 的 IC 晶圓集成。然而，它們通常需要對齊的基板到基板鍵合，這增加了工藝復(fù)雜性并導(dǎo)致可實現(xiàn)的鍵合后對齊精度受到限制。

最近的研究

在2020 年 IEEE 第 33 屆微機電系統(tǒng)國際會議上發(fā)表的一項研究中，研究人員使用專有的 InvenSense CMOS MEMS 技術(shù)開發(fā)了一種集成熱阻微量熱流量 (TMCF) 傳感器，其檢測限達到 μm/s。

TMCF 傳感器對 -1.29m/s 至 1.29m/s 氮氣流表現(xiàn)出 533μV/(m/s)/mW 的良好歸一化靈敏度。此外，該傳感器還表現(xiàn)出小于 3.2mm/s 的良好分辨率和小于 1.6mm/s 的最小可檢測流速 (MDFV)。

因此，所提出的TMCF傳感器可以作為微/納流體中超低流體流量測量的流量裝置。

編輯：黃飛