微機(jī)電系統(tǒng)集成與性能、成本和可靠性的綜合考慮
[導(dǎo)讀]本文分析了集成和不集成兩種觀點及其現(xiàn)實依據(jù)，同時展望MEMS集成的發(fā)展趨勢。
MEMS是否集成具有爭論性，集成是實現(xiàn)高性能、低價格、高可靠性與高質(zhì)量的唯一辦法，但其研發(fā)和生產(chǎn)投入較大，需要較大的批量來支持，而且要解決可行的工藝問題。本文分析了集成和不集成兩種觀點及其現(xiàn)實依據(jù)，同時展望MEMS集成的發(fā)展趨勢。
集成是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的一種可行途徑嗎？當(dāng)可能需要額外的時間并冒額外的風(fēng)險時，MEMS項目應(yīng)選擇單芯片集成途徑嗎？也許將幾塊裸片置于同一封裝內(nèi)是一種更好的解決方案，但是應(yīng)該采用什么樣的標(biāo)準(zhǔn)呢？這個問題不容易回答，因為存在一些不確定因素，且常常只有在產(chǎn)品推向市場一段相當(dāng)長的時間后才能最后確定其是否成功。MEMS集成是產(chǎn)品壽命周期中早期投資成本與后期投資回報之間的折衷，但常常受技術(shù)及應(yīng)用需求的影響。在大多數(shù)情況下，如果傳感器不必因為特定應(yīng)用而必須與電子電路分開時，單芯片集成是最好的解決方案，但在化學(xué)感應(yīng)和高溫等惡劣環(huán)境下必須將傳感器與電子電路分開?；蛟S就像過去25年半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展那樣，當(dāng)工具、工藝及生產(chǎn)經(jīng)驗?zāi)芤暂^低風(fēng)險來規(guī)避這些不確定性問題時，集成將成為必然。
正如大多數(shù)工程解決方案一樣，成功的MEMS產(chǎn)品可解決設(shè)計折衷以及降低與開發(fā)及生產(chǎn)有關(guān)的成本等問題。與延長學(xué)習(xí)周期、復(fù)雜設(shè)備及工藝有關(guān)的時間風(fēng)險，使得集成在微機(jī)械加工領(lǐng)域并不常見。但有趣的是，在微電子業(yè)界似乎總有這樣的信條，即只要不斷去努力就能獲得突破。
集成帶來的優(yōu)勢
當(dāng)IC芯片僅擁有少數(shù)幾個晶體管或在早期CMOS??S工藝時，半導(dǎo)體技術(shù)具有一些不確定的變量，這些變量更像是一些隨機(jī)數(shù)而不是正常函數(shù)。早期用于定義平面器件的工具僅為一些簡單的工藝圖及模型，器件特征參數(shù)通常以數(shù)學(xué)逼近及計算尺(slide-rule)來建立。在那時，人們僅僅根據(jù)良品率及缺陷密度就證明1億個晶體管的IC不可能實現(xiàn)。回顧我們使用1億個晶體管的Itanium處理器芯片時，可以發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)我們沿摩爾定律前進(jìn)并形成一個擁有2000億美元產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)展，是在了解降低失敗風(fēng)險的設(shè)計與制造工具上所取得進(jìn)步的結(jié)果。
IC單芯片集成所實現(xiàn)的最佳工程解決方案似乎已經(jīng)解決了過去幾年中的大多數(shù)爭論，高性能、低價格、可靠性與質(zhì)量水平除了采用集成的辦法外不可能實現(xiàn)，集成已成為當(dāng)前所有IC廠商的業(yè)務(wù)差異化的關(guān)鍵。實際上只要我們注意觀察就可以發(fā)現(xiàn)，集成CMOS甚至采用了雙極工藝和CMOS工藝的混合信號器件在現(xiàn)實生活中已得到很多應(yīng)用。
為什么要集成MEMS?
這個問題與關(guān)于IC集成的問題類似。要考慮的首要因素是是否有足夠大的批量來分?jǐn)偧伤鶐黹_發(fā)與加工的成本，另外還必須解決可行的工藝問題。最關(guān)鍵的爭論是有沒有其他途徑來達(dá)到批量所需的低成本目標(biāo)。當(dāng)由于物理尺寸限制不能采用其他可能的方法時，通常會做出采用集成的最終決策。大批量產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平可能會影響到這種折衷決策，而從ADI公司推出的1.5億多片單芯片MEMS器件上所得出的經(jīng)驗證明，單芯片MEMS集成通常都能達(dá)到低于1ppm的質(zhì)量水平，以及10億小時的平均故障間隔時間(MTBF)。
從技術(shù)解決方案角度看，將所有元件都放在一個芯片上具有某些明顯的優(yōu)勢：高噪聲條件下的小信號可以受到最小的應(yīng)力、電磁干擾、寄生電容及漏電流等“未知變量”的影響。采用常見的IC設(shè)計技術(shù)(例如交叉空鉛技術(shù)(cross-quading))及開關(guān)電容充電管理可消除由溫度及其他未知因素帶來的影響。由于集成將具有低電平信號的電路放在一起，而熱環(huán)境因素等保持不變，因而能獲得更低的熱遲滯以及更好的接通特性。在必須尋址數(shù)百萬顯示單元且以視頻頻率激勵的應(yīng)用中，尺寸的局限及互聯(lián)密度證明了采用集成MEMS器件是正確的。當(dāng)手持式設(shè)備或醫(yī)療產(chǎn)品要求其厚度或?qū)挾炔坏贸^系統(tǒng)封裝極限時，同樣證明采用集成MEMS器件是合理的。
解決上述問題的另一種方法是產(chǎn)生更大的信號，但這通常又要求更大的硅面積、更高的功耗及更低的阻抗，且以多芯片解決方案的形式來實現(xiàn)。為從實際環(huán)境中獲得足夠的信息，人們給MEMS元件增加一套傳感器，且在遠(yuǎn)端位置對信號進(jìn)行補(bǔ)償。這樣一來，互聯(lián)的成本、尺寸及復(fù)雜性呈非線性(指數(shù))增長，從而導(dǎo)致高成本并難以對組件進(jìn)行封裝與測試。ADI公司的單芯片陀螺儀(Gyro，見圖1)的經(jīng)驗證明，與在片外處理相比，片內(nèi)集成帶來的優(yōu)勢是可處理信號幅度至少低兩個數(shù)量級的信號。而硅傳感器尺寸一般需要增加10至1000倍方能產(chǎn)生同樣的信噪比，這將增加應(yīng)力管理(stress management)及長期穩(wěn)定性等主要設(shè)計挑戰(zhàn)。
集成并不總是最佳選擇
集成并非是某些MEMS器件的最佳解決方案。集成MEMS產(chǎn)品可能要求比非集成設(shè)計更長的開發(fā)時間，尤其當(dāng)需要同時開發(fā)相關(guān)工藝時。由于MEMS設(shè)計與工藝之間的緊密聯(lián)系，在完成構(gòu)建幾種不同的設(shè)計并充分了解其生產(chǎn)的良品率以前，很難確定一種可行的工藝。由于系統(tǒng)級開發(fā)周期問題，客戶可能會由于鑒定周期或系統(tǒng)級質(zhì)量要求而宣布“不要進(jìn)行任何改變”。
由于近幾年內(nèi)沒有大的批量，故MEMS集成可能在經(jīng)濟(jì)上不劃算。每年從10萬個元件上節(jié)省1美元不可能抵消花在每個元件上的10美元的開發(fā)成本。
從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)角度考慮，非集成解決方案可能是最佳產(chǎn)品設(shè)計，尤其是當(dāng)非集成方案能獲得足夠的性能提升時。此外，較大的硅片有時需要符合外部環(huán)境條件。采用嵌入式應(yīng)力儀(embedded strain gauge)或者電容性窗膜(capacitive diaphragm)配置來創(chuàng)建一種機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡單工藝可以比IC加MEMS的工藝的成本更低。結(jié)合了物理調(diào)整及不同材料與工藝組合的射頻模塊及光學(xué)組件很適合某些非集成式MEMS器件。這些非集成版本也常常由于其具有更高的性能或特殊的系統(tǒng)增強(qiáng)特性而擁有更高的利潤空間及更高的售價。
未來發(fā)展趨勢
MEMS技術(shù)并非一成不變，看看當(dāng)前廣泛使用的3美元加速度計或可能形成新顯示器時代的百萬像素MEMS DLP芯片，可以發(fā)現(xiàn)集成式MEMS具有重要的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
通信及連接是促使MEMS器件增加復(fù)雜性及功能的強(qiáng)大推動力。下一代汽車安全系統(tǒng)傳感器正在使用雙線接口進(jìn)行開發(fā)，這種在同一個單線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)及電源傳輸?shù)呐渲脛?chuàng)建了串行的、具有電子診斷及校準(zhǔn)功能(全都以標(biāo)準(zhǔn)格式執(zhí)行)的雙向總線。汽車安全芯片市場每年超過1億片，傳感器接口的新時代正在到來。如果再結(jié)合Zigbee Alliance公司的無線網(wǎng)絡(luò)，采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通信的MEMS器件的潛力正在促進(jìn)更大的市場批量及更高的集成。
構(gòu)建于深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)工藝上的工藝選項使得有可能在主要標(biāo)準(zhǔn)IC工藝完成后來創(chuàng)建MEMS結(jié)構(gòu)。當(dāng)再結(jié)合擁有氧化物埋層(buried oxide)的SOI晶圓時，集成MEMS將是IC代工工藝的主流。氧化物埋層將可能使MEMS器件從裸片上的亞微米CMOS工藝包圍中釋放出來，如圖2所示。
MEMS器件擁有與集成電路同樣的發(fā)展趨勢，因為它們擁有相同的加工工具及工藝。當(dāng)必須增加功能并顯著降低價格，同時又不能犧牲質(zhì)量及可靠性的時候，集成是唯一的選擇。
集成是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的一種可行途徑嗎？當(dāng)可能需要額外的時間并冒額外的風(fēng)險時，MEMS項目應(yīng)選擇單芯片集成途徑嗎？也許將幾塊裸片置于同一封裝內(nèi)是一種更好的解決方案，但是應(yīng)該采用什么樣的標(biāo)準(zhǔn)呢？這個問題不容易回答，因為存在一些不確定因素，且常常只有在產(chǎn)品推向市場一段相當(dāng)長的時間后才能最后確定其是否成功。MEMS集成是產(chǎn)品壽命周期中早期投資成本與后期投資回報之間的折衷，但常常受技術(shù)及應(yīng)用需求的影響。在大多數(shù)情況下，如果傳感器不必因為特定應(yīng)用而必須與電子電路分開時，單芯片集成是最好的解決方案，但在化學(xué)感應(yīng)和高溫等惡劣環(huán)境下必須將傳感器與電子電路分開?；蛟S就像過去25年半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展那樣，當(dāng)工具、工藝及生產(chǎn)經(jīng)驗?zāi)芤暂^低風(fēng)險來規(guī)避這些不確定性問題時，集成將成為必然。
正如大多數(shù)工程解決方案一樣，成功的MEMS產(chǎn)品可解決設(shè)計折衷以及降低與開發(fā)及生產(chǎn)有關(guān)的成本等問題。與延長學(xué)習(xí)周期、復(fù)雜設(shè)備及工藝有關(guān)的時間風(fēng)險，使得集成在微機(jī)械加工領(lǐng)域并不常見。但有趣的是，在微電子業(yè)界似乎總有這樣的信條，即只要不斷去努力就能獲得突破。
集成帶來的優(yōu)勢
當(dāng)IC芯片僅擁有少數(shù)幾個晶體管或在早期CMOS??S工藝時，半導(dǎo)體技術(shù)具有一些不確定的變量，這些變量更像是一些隨機(jī)數(shù)而不是正常函數(shù)。早期用于定義平面器件的工具僅為一些簡單的工藝圖及模型，器件特征參數(shù)通常以數(shù)學(xué)逼近及計算尺(slide-rule)來建立。在那時，人們僅僅根據(jù)良品率及缺陷密度就證明1億個晶體管的IC不可能實現(xiàn)。回顧我們使用1億個晶體管的Itanium處理器芯片時，可以發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)我們沿摩爾定律前進(jìn)并形成一個擁有2000億美元產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)展，是在了解降低失敗風(fēng)險的設(shè)計與制造工具上所取得進(jìn)步的結(jié)果。
IC單芯片集成所實現(xiàn)的最佳工程解決方案似乎已經(jīng)解決了過去幾年中的大多數(shù)爭論，高性能、低價格、可靠性與質(zhì)量水平除了采用集成的辦法外不可能實現(xiàn)，集成已成為當(dāng)前所有IC廠商的業(yè)務(wù)差異化的關(guān)鍵。實際上只要我們注意觀察就可以發(fā)現(xiàn)，集成CMOS甚至采用了雙極工藝和CMOS工藝的混合信號器件在現(xiàn)實生活中已得到很多應(yīng)用。
為什么要集成MEMS?
這個問題與關(guān)于IC集成的問題類似。要考慮的首要因素是是否有足夠大的批量來分?jǐn)偧伤鶐黹_發(fā)與加工的成本，另外還必須解決可行的工藝問題。最關(guān)鍵的爭論是有沒有其他途徑來達(dá)到批量所需的低成本目標(biāo)。當(dāng)由于物理尺寸限制不能采用其他可能的方法時，通常會做出采用集成的最終決策。大批量產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平可能會影響到這種折衷決策，而從ADI公司推出的1.5億多片單芯片MEMS器件上所得出的經(jīng)驗證明，單芯片MEMS集成通常都能達(dá)到低于1ppm的質(zhì)量水平，以及10億小時的平均故障間隔時間(MTBF)。
從技術(shù)解決方案角度看，將所有元件都放在一個芯片上具有某些明顯的優(yōu)勢：高噪聲條件下的小信號可以受到最小的應(yīng)力、電磁干擾、寄生電容及漏電流等“未知變量”的影響。采用常見的IC設(shè)計技術(shù)(例如交叉空鉛技術(shù)(cross-quading))及開關(guān)電容充電管理可消除由溫度及其他未知因素帶來的影響。由于集成將具有低電平信號的電路放在一起，而熱環(huán)境因素等保持不變，因而能獲得更低的熱遲滯以及更好的接通特性。在必須尋址數(shù)百萬顯示單元且以視頻頻率激勵的應(yīng)用中，尺寸的局限及互聯(lián)密度證明了采用集成MEMS器件是正確的。當(dāng)手持式設(shè)備或醫(yī)療產(chǎn)品要求其厚度或?qū)挾炔坏贸^系統(tǒng)封裝極限時，同樣證明采用集成MEMS器件是合理的。
解決上述問題的另一種方法是產(chǎn)生更大的信號，但這通常又要求更大的硅面積、更高的功耗及更低的阻抗，且以多芯片解決方案的形式來實現(xiàn)。為從實際環(huán)境中獲得足夠的信息，人們給MEMS元件增加一套傳感器，且在遠(yuǎn)端位置對信號進(jìn)行補(bǔ)償。這樣一來，互聯(lián)的成本、尺寸及復(fù)雜性呈非線性(指數(shù))增長，從而導(dǎo)致高成本并難以對組件進(jìn)行封裝與測試。ADI公司的單芯片陀螺儀(Gyro，見圖1)的經(jīng)驗證明，與在片外處理相比，片內(nèi)集成帶來的優(yōu)勢是可處理信號幅度至少低兩個數(shù)量級的信號。而硅傳感器尺寸一般需要增加10至1000倍方能產(chǎn)生同樣的信噪比，這將增加應(yīng)力管理(stress management)及長期穩(wěn)定性等主要設(shè)計挑戰(zhàn)。
集成并不總是最佳選擇
集成并非是某些MEMS器件的最佳解決方案。集成MEMS產(chǎn)品可能要求比非集成設(shè)計更長的開發(fā)時間，尤其當(dāng)需要同時開發(fā)相關(guān)工藝時。由于MEMS設(shè)計與工藝之間的緊密聯(lián)系，在完成構(gòu)建幾種不同的設(shè)計并充分了解其生產(chǎn)的良品率以前，很難確定一種可行的工藝。由于系統(tǒng)級開發(fā)周期問題，客戶可能會由于鑒定周期或系統(tǒng)級質(zhì)量要求而宣布“不要進(jìn)行任何改變”。
由于近幾年內(nèi)沒有大的批量，故MEMS集成可能在經(jīng)濟(jì)上不劃算。每年從10萬個元件上節(jié)省1美元不可能抵消花在每個元件上的10美元的開發(fā)成本。
從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)角度考慮，非集成解決方案可能是最佳產(chǎn)品設(shè)計，尤其是當(dāng)非集成方案能獲得足夠的性能提升時。此外，較大的硅片有時需要符合外部環(huán)境條件。采用嵌入式應(yīng)力儀(embedded strain gauge)或者電容性窗膜(capacitive diaphragm)配置來創(chuàng)建一種機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡單工藝可以比IC加MEMS的工藝的成本更低。結(jié)合了物理調(diào)整及不同材料與工藝組合的射頻模塊及光學(xué)組件很適合某些非集成式MEMS器件。這些非集成版本也常常由于其具有更高的性能或特殊的系統(tǒng)增強(qiáng)特性而擁有更高的利潤空間及更高的售價。
未來發(fā)展趨勢
MEMS技術(shù)并非一成不變，看看當(dāng)前廣泛使用的3美元加速度計或可能形成新顯示器時代的百萬像素MEMS DLP芯片，可以發(fā)現(xiàn)集成式MEMS具有重要的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
通信及連接是促使MEMS器件增加復(fù)雜性及功能的強(qiáng)大推動力。下一代汽車安全系統(tǒng)傳感器正在使用雙線接口進(jìn)行開發(fā)，這種在同一個單線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)及電源傳輸?shù)呐渲脛?chuàng)建了串行的、具有電子診斷及校準(zhǔn)功能(全都以標(biāo)準(zhǔn)格式執(zhí)行)的雙向總線。汽車安全芯片市場每年超過1億片，傳感器接口的新時代正在到來。如果再結(jié)合Zigbee Alliance公司的無線網(wǎng)絡(luò)，采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通信的MEMS器件的潛力正在促進(jìn)更大的市場批量及更高的集成。
構(gòu)建于深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)工藝上的工藝選項使得有可能在主要標(biāo)準(zhǔn)IC工藝完成后來創(chuàng)建MEMS結(jié)構(gòu)。當(dāng)再結(jié)合擁有氧化物埋層(buried oxide)的SOI晶圓時，集成MEMS將是IC代工工藝的主流。氧化物埋層將可能使MEMS器件從裸片上的亞微米CMOS工藝包圍中釋放出來，如圖2所示。
MEMS器件擁有與集成電路同樣的發(fā)展趨勢，因為它們擁有相同的加工工具及工藝。當(dāng)必須增加功能并顯著降低價格，同時又不能犧牲質(zhì)量及可靠性的時候，集成是唯一的選擇。
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