MEMS的“CMOS化”成長(cháng)

在6寸晶圓上，目前DRIE的刻蝕速率大約為30-50μm/min。根據Yole Development的預測，未來(lái)的發(fā)展趨勢是多腔刻蝕，并在未來(lái)2-3年內達到大約100μm/min的刻蝕速率，同時(shí)減少昂貴的C4F8用量。Tegal的市場(chǎng)副總裁Paul Werbaneth認為，新興的MEMS領(lǐng)域，如3D MEMS（即MEMS與MEMS或MEMS與CMOS邏輯芯片疊加在一起），在很大程度上依賴(lài)于DRIE來(lái)實(shí)現其最終的制造。市場(chǎng)的需求推動(dòng)著(zhù)DRIE技術(shù)向前發(fā)展，與CMOS的發(fā)展軌跡類(lèi)似，向更大尺寸的晶圓發(fā)展會(huì )是趨勢之一。Tegal未來(lái)的發(fā)展計劃中就包括與客戶(hù)一起進(jìn)行300mm DRIE機臺的開(kāi)發(fā)。

MEMS的特點(diǎn)是三維加工，除需要進(jìn)行同平面的光刻外，還需要對硅片正反面進(jìn)行圖形對準。雙面光刻也由此而來(lái)。早期的雙面光刻技術(shù)利用紅外線(xiàn)可以穿透硅片卻能被空氣和金屬吸收的特點(diǎn)進(jìn)行雙面對準。但紅外線(xiàn)波長(cháng)較長(cháng)，對細線(xiàn)條的對準存在困難。此外，復雜的金屬布線(xiàn)和不平整的表面對紅外線(xiàn)的吸收將產(chǎn)生干擾。如今的雙面光刻技術(shù)是基于光學(xué)對準的，對準精度有很大提高。

MEMS制造中，對于光刻的主要要求有：大聚焦深度和厚光刻膠的曝光；相對結構尺寸而言，極其嚴格的CD控制；用于襯底雙面處理的雙面校準工藝；在高深寬比結構情況下的大聚焦-校準偏移；對大面積器件進(jìn)行曝光時(shí)具有良好的接縫和對接控制；材料處理（小晶圓，甚至是材料片）的靈活性。目前大多數MEMS產(chǎn)品使用的是傳統的接觸式光刻機，產(chǎn)品線(xiàn)寬為2-5μm。根據Yole Development的報告，現有的步進(jìn)式光刻設備可以使MEMS的線(xiàn)寬達到0.6μm，套準精度約為20nm。因為MEMS器件的形貌相比CMOS而言要求更高，所以未來(lái)MEMS光刻設備主要需要解決的問(wèn)題就是更小的尺寸，特別是DOF問(wèn)題。隨著(zhù)線(xiàn)寬和套準精度要求的提高，光刻機從接觸式曝光向DUV轉變將是MEMS光刻工藝發(fā)展的方向。

MEMS與CMOS的集成

MEMS器件研究的發(fā)展和應用領(lǐng)域的拓寬推動(dòng)著(zhù)集成制造工藝的進(jìn)步。器件研究與集成工藝的關(guān)系一般分為兩類(lèi)：一類(lèi)是根據不同器件開(kāi)發(fā)相應的工藝方案，另一類(lèi)是在器件設計時(shí)盡量選擇已經(jīng)成型的標準工藝方案。從MEMS的量產(chǎn)和走入市場(chǎng)的角度來(lái)說(shuō)，顯然第二種選擇更為明智。雖然向成熟工藝靠攏會(huì )使器件的設計受到一定的限制，但因為無(wú)需開(kāi)發(fā)新工藝，設計好的器件可以在CMOS等成熟的生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)。

對于標準集成方案，能否與CMOS集成電路兼容是在不同工藝方案間取舍的重要參考指標。一般來(lái)說(shuō)，與CMOS集成電路兼容的工藝方案可以實(shí)現MEMS器件與信號控制電路的單片集成，可以在提高器件性能的同時(shí)降低總的加工成本。根據MEMS工藝與CMOS工藝的順序不同，集成方案可分為Pre-CMOS、Intra-CMOS和Post-CMOS，即MEMS工藝在CMOS之前、中間或之后完成。從成本的角度考慮，CMOS之后完成MEMS是首選方案。因為在代工廠(chǎng)完成標準的CMOS電路，所制備的電路性能有所保證，而且成本也較低。

目前比較主流的Post-CMOS集成方法是表面犧牲層工藝，它可以制備較薄的MEMS結構，通常厚度為0.2-150微米。圖3是表面犧牲刻蝕法制備薄型MEMS的示意圖。該方法是指通過(guò)在襯底表面淀積不同的薄膜并結合選擇性刻蝕得到懸浮微結構的過(guò)程。以氧化硅為犧牲層的多晶硅表面犧牲層工藝是此類(lèi)工藝的代表。

SiO2或多晶硅表面犧牲層淀積以后，通過(guò)光刻和刻蝕步驟定義出所需結構，最后去除殘余的犧牲層。SUSS MicroTec中國區總經(jīng)理龔里博士介紹說(shuō)，MEMS制造中的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是應力和溫度。表面犧牲層工藝的結構層和犧牲層多采用CVD和PVD方法制備，所制備的薄膜通常會(huì )有較大的殘余應力。因此，優(yōu)化工藝參數以減小殘余應力是保證其性能的關(guān)鍵。此外，由于金屬鋁不能承受多晶硅的淀積溫度，所以標準的多晶硅表面工藝無(wú)法實(shí)現Post-CMOS集成。所以，與電路集成時(shí)一般要先完成低溫多晶硅結構的制備。也可以利用金屬鎢代替鋁做金屬連線(xiàn)，或者用多晶的鍺硅做結構材料。

“CMOS與MEMS器件相結合是未來(lái)發(fā)展的大趨勢，”Paul Werbaneth說(shuō)，“它可以融合MEMS與CMOS器件的功能，實(shí)現芯片的多功能性，未來(lái)的市場(chǎng)發(fā)展也相當樂(lè )觀(guān)。”

MEMS如何與傳統代工廠(chǎng)相融合？

圖4從各個(gè)方面分析了MEMS的現狀與未來(lái)發(fā)展趨勢。顯而易見(jiàn)，就是設計的可制造性、生產(chǎn)的標準化、CMOS-MEMS的片上系統（SoC）集成、8寸生產(chǎn)線(xiàn)、占領(lǐng)市場(chǎng)時(shí)間的縮短以及成本的降低。