MEMS的主流集成技術(shù)

MEMS技術(shù)已經(jīng)迅速?gòu)囊环N標(biāo)新立異的概念轉(zhuǎn)化為各種實(shí)用的演示樣品，而且繼續(xù)向早期產(chǎn)品演進(jìn)。這種轉(zhuǎn)變的速度完全是建立在巧妙利用現(xiàn)有集成電路工藝的制造能力基礎(chǔ)之上的：廠房、設(shè)備、加工、工藝、材料及人員，幾乎整個(gè)一千億美元規(guī)模的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施都可以用來(lái)支持MEMS技術(shù)。
如果說(shuō)，MEMS的最初成功，其基礎(chǔ)在于與IC產(chǎn)業(yè)之間的相似性，那么現(xiàn)在限制MEMS市場(chǎng)發(fā)展的問(wèn)題則來(lái)源于MEMS和IC的本質(zhì)差別上，這些差別使得MEMS游離于發(fā)展主流之外。
MEMS和IC的關(guān)鍵性差別在于：

集成電路在以圓片(圓片是指硅材料制成的圓盤(pán)，作為一個(gè)整體完成各項(xiàng)半導(dǎo)體工藝的加工，隨后被分割為多個(gè)單獨(dú)的“芯片”，然后再封裝、銷(xiāo)售)形式離開(kāi)IC代工廠(foundry)中受到精確控制的環(huán)境前，它所采用的工藝使之對(duì)環(huán)境影響并不敏感。而在圓片上制成的MEMS器件在完成封裝之前，一般始終對(duì)其環(huán)境影響十分敏感，這使得代工廠之后對(duì)MEMS的每一步操作(圓片分割、在封裝上的放置、電氣連接的形成、封裝密封)都必然不同于對(duì)IC的操作，其成本較高。

增值機(jī)遇
這些差別提供了大量增值的機(jī)會(huì)。
集成電路最關(guān)鍵的要素是集成化。第一款PC處理器集成了不到3萬(wàn)只晶體管，而今天，處理器上的晶體管數(shù)量超過(guò)了1億只。這種能集成越來(lái)越多功能的能力來(lái)自廣為人知的“Moore 定律”——功能每18個(gè)月翻一番，而成本基本持平。相對(duì)來(lái)講，MEMS器件仍屬于未集成化的產(chǎn)品。雖然一片IC常?？梢园汛鎯?chǔ)、計(jì)算和通信集成到一起，但MEMS一般只能完成一項(xiàng)功能，而且必須與其他器件(往往是IC)一起使用才能形成可推向市場(chǎng)的產(chǎn)品。這一限制是MEMS工藝流程所固有的，其工藝與IC制造工藝有很大的不同。把MEMS和IC融合成為同一塊集成芯片的工藝，就會(huì)使IC性能受限，MEMS性能也要作出犧牲，成本亦較高，在降低成本方面希望渺茫。IC工藝的復(fù)雜程度是以掩膜的多少來(lái)衡量的，標(biāo)準(zhǔn)的一套工藝可能需要30層掩膜。據(jù)對(duì)SOC部分進(jìn)行估計(jì)，對(duì)改進(jìn)IC工藝流程以支持MEMS解決方案的嵌入，將需要增加多至14層的掩膜。工藝復(fù)雜程度和MEMS所占用的芯片面積出現(xiàn)大的增長(zhǎng)，將會(huì)使成品率及成本受到嚴(yán)重影響(成品率與芯片面積和工藝復(fù)雜程度之間存在負(fù)指數(shù)關(guān)系)。

MEMS與IC實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效集成的方法
因?yàn)镸EMS器件制作在圓片表面而且能發(fā)生移動(dòng)，所以它們常常需要表面上沒(méi)有東西阻礙其運(yùn)動(dòng)。于是，在圓片加工的最后階段，當(dāng)器件要被劃開(kāi)并封裝時(shí)，就不能象處理IC那樣處理MEMS器件，每一塊分開(kāi)的裸片都需要采用特殊的處理和封裝方法，這給成本帶來(lái)了極為不利的影響。因此，雖然IC方面已經(jīng)為這些操作建立了完善的標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)設(shè)施，但MEMS封裝仍主要屬于定制開(kāi)發(fā)，與IC封裝相比在產(chǎn)品成本中占很大比重(成本的40％~90％)。

基于Foundry的MEMS圓片級(jí)灌封
從根本上來(lái)說(shuō)，MEMS器件利用材料的機(jī)械特性，而IC則利用電特性。因此，機(jī)械上的干擾對(duì)MEMS來(lái)說(shuō)影響甚于對(duì)IC的影響。因此，實(shí)踐證明是可靠的IC封裝方式卻會(huì)對(duì)MEMS性能造成嚴(yán)重?fù)p害，尤其在應(yīng)力(材料受力)方面危害更嚴(yán)重。 例如，人們用樹(shù)脂把IC“粘”到封裝中，而如果用同樣的材料和方法把MEMS“粘”到封裝中的話，則器件性能和穩(wěn)定性就會(huì)發(fā)生極大的改變。此外，應(yīng)力的影響會(huì)隨著工作溫度的變化發(fā)生顯著的改變，如果得不到控制，這就會(huì)造成讓人無(wú)法接受的器件性能變化，同時(shí)，受到控制的應(yīng)力也可以幫助人們?cè)鰪?qiáng)器件性能或穩(wěn)定性。

MEMS灌封及封裝中的應(yīng)力控制
正如上面提到過(guò)的那樣，灌封好的MEMS器件需要表面上的凈空。同時(shí)，保證器件的可靠性也要求必須對(duì)表面的化學(xué)成本進(jìn)行嚴(yán)格控制。處理方法起著至關(guān)重要的影響，其種類(lèi)很多，從簡(jiǎn)單的干燥劑一直到“潤(rùn)滑增強(qiáng)劑”或其它專(zhuān)有的處理方法。在對(duì)器件進(jìn)行灌封或器件工作的過(guò)程中，從密封材料逸出的氣體或者透過(guò)密封層漏入的外界氣體都會(huì)給表面帶來(lái)意料之外的改變。■