微機電系統(tǒng)集成與性能、成本和可靠性的綜合考慮

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。


集成是微機電系統(tǒng)(MEMS)的一種可行途徑嗎？當可能需要額外的時間并冒額外的風險時，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)該采用什么樣的標準呢？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。或許就像過去25年半導體微電子技術(shù)的發(fā)展那樣，當工具、工藝及生產(chǎn)經(jīng)驗能以較低風險來規(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。與延長學習周期、復雜設(shè)備及工藝有關(guān)的時間風險，使得集成在微機械加工領(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并形成一個擁有2000億美元產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進展，是在了解降低失敗風險的設(shè)計與制造工具上所取得進步的結(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攤集成所帶來開發(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到批量所需的低成本目標。當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，且在遠端位置對信號進行補償。這樣一來，互聯(lián)的成本、尺寸及復雜性呈非線性(指數(shù))增長，從而導致高成本并難以對組件進行封裝與測試。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(stressmanagement)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(embeddedstraingauge)或者電容性窗膜(capacitivediaphragm)配置來創(chuàng)建一種機械結(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MEMSDLP芯片，可以發(fā)現(xiàn)集成式MEMS具有重要的經(jīng)濟優(yōu)勢。


通信及連接是促使MEMS器件增加復雜性及功能的強大推動力。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功能(全都以標準格式執(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ZigbeeAlliance公司的無線網(wǎng)絡(luò)，采用標準協(xié)議通信的MEMS器件的潛力正在促進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準IC工藝完成后來創(chuàng)建MEMS結(jié)構(gòu)。當再結(jié)合擁有氧化物埋層(buriedoxide)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。