微機電系統集成與性能、成本和可靠性的綜合考慮
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集成是微機電系統(MEMS)的一種可行途徑嗎？當可能需要額外的時(shí)間并冒額外的風(fēng)險時(shí)，MEMS項目應選擇單芯片集成途徑嗎？也許將幾塊裸片置于同一封裝內是一種更好的解決方案，但是應該采用什么樣的標準呢？這個(gè)問(wèn)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(chǎng)一段相當長(cháng)的時(shí)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)及應用需求的影響。在大多數情況下，如果傳感器不必因為特定應用而必須與電子電路分開(kāi)時(shí)，單芯片集成是最好的解決方案，但在化學(xué)感應和高溫等惡劣環(huán)境下必須將傳感器與電子電路分開(kāi)?；蛟S就像過(guò)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(fēng)險來(lái)規避這些不確定性問(wèn)題時(shí)，集成將成為必然。
正如大多數工程解決方案一樣，成功的MEMS產(chǎn)品可解決設計折衷以及降低與開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)有關(guān)的成本等問(wèn)題。與延長(cháng)學(xué)習周期、復雜設備及工藝有關(guān)的時(shí)間風(fēng)險，使得集成在微機械加工領(lǐng)域并不常見(jiàn)。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(lái)的優(yōu)勢
當IC芯片僅擁有少數幾個(gè)晶體管或在早期CMOS??S工藝時(shí)，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而不是正常函數。早期用于定義平面器件的工具僅為一些簡(jiǎn)單的工藝圖及模型，器件特征參數通常以數學(xué)逼近及計算尺(slide-rule)來(lái)建立。在那時(shí)，人們僅僅根據良品率及缺陷密度就證明1億個(gè)晶體管的IC不可能實(shí)現?；仡櫸覀兪褂?億個(gè)晶體管的Itanium處理器芯片時(shí)，可以發(fā)現引領(lǐng)我們沿摩爾定律前進(jìn)并形成一個(gè)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)險的設計與制造工具上所取得進(jìn)步的結果。
IC單芯片集成所實(shí)現的最佳工程解決方案似乎已經(jīng)解決了過(guò)去幾年中的大多數爭論，高性能、低價(jià)格、可靠性與質(zhì)量水平除了采用集成的辦法外不可能實(shí)現，集成已成為當前所有IC廠(chǎng)商的業(yè)務(wù)差異化的關(guān)鍵。實(shí)際上只要我們注意觀(guān)察就可以發(fā)現，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實(shí)生活中已得到很多應用。
為什么要集成MEMS?
這個(gè)問(wèn)題與關(guān)于IC集成的問(wèn)題類(lèi)似。要考慮的首要因素是是否有足夠大的批量來(lái)分攤集成所帶來(lái)開(kāi)發(fā)與加工的成本，另外還必須解決可行的工藝問(wèn)題。最關(guān)鍵的爭論是有沒(méi)有其他途徑來(lái)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(shí)，通常會(huì )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(huì )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(shí)的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)。
從技術(shù)解決方案角度看，將所有元件都放在一個(gè)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(jiàn)的IC設計技術(shù)(例如交叉空鉛技術(shù)(cross-quading))及開(kāi)關(guān)電容充電管理可消除由溫度及其他未知因素帶來(lái)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。在必須尋址數百萬(wàn)顯示單元且以視頻頻率激勵的應用中，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。當手持式設備或醫療產(chǎn)品要求其厚度或寬度不得超過(guò)系統封裝極限時(shí)，同樣證明采用集成MEMS器件是合理的。
解決上述問(wèn)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(lái)實(shí)現。為從實(shí)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(jìn)行補償。這樣一來(lái)，互聯(lián)的成本、尺寸及復雜性呈非線(xiàn)性(指數)增長(cháng)，從而導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(jiàn)圖1)的經(jīng)驗證明，與在片外處理相比，片內集成帶來(lái)的優(yōu)勢是可處理信號幅度至少低兩個(gè)數量級的信號。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，這將增加應力管理(stressmanagement)及長(cháng)期穩定性等主要設計挑戰。
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計更長(cháng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，尤其當需要同時(shí)開(kāi)發(fā)相關(guān)工藝時(shí)。由于MEMS設計與工藝之間的緊密聯(lián)系，在完成構建幾種不同的設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。由于系統級開(kāi)發(fā)周期問(wèn)題，客戶(hù)可能會(huì )由于鑒定周期或系統級質(zhì)量要求而宣布“不要進(jìn)行任何改變”。
由于近幾年內沒(méi)有大的批量，故MEMS集成可能在經(jīng)濟上不劃算。每年從10萬(wàn)個(gè)元件上節省1美元不可能抵消花在每個(gè)元件上的10美元的開(kāi)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)品設計，尤其是當非集成方案能獲得足夠的性能提升時(shí)。此外，較大的硅片有時(shí)需要符合外部環(huán)境條件。采用嵌入式應力儀(embeddedstraingauge)或者電容性窗膜(capacitivediaphragm)配置來(lái)創(chuàng )建一種機械結構的簡(jiǎn)單工藝可以比IC加MEMS的工藝的成本更低。結合了物理調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增強特性而擁有更高的利潤空間及更高的售價(jià)。
未來(lái)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(shí)代的百萬(wàn)像素MEMSDLP芯片，可以發(fā)現集成式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(dòng)力。下一代汽車(chē)安全系統傳感器正在使用雙線(xiàn)接口進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這種在同一個(gè)單線(xiàn)上實(shí)現數據及電源傳輸的配置創(chuàng )建了串行的、具有電子診斷及校準功能(全都以標準格式執行)的雙向總線(xiàn)。汽車(chē)安全芯片市場(chǎng)每年超過(guò)1億片，傳感器接口的新時(shí)代正在到來(lái)。如果再結合ZigbeeAlliance公司的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，采用標準協(xié)議通信的MEMS器件的潛力正在促進(jìn)更大的市場(chǎng)批量及更高的集成。
構建于深反應離子蝕刻(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(lái)創(chuàng )建MEMS結構。當再結合擁有氧化物埋層(buriedoxide)的SOI晶圓時(shí)，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(lái)，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(zhù)降低價(jià)格，同時(shí)又不能犧牲質(zhì)量及可靠性的時(shí)候，集成是唯一的選擇。
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