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混合性微加工制程技术推动消费领域应用

随着消费市场对相关应用需求的迅速增长以及在价格方面压力的加大,未来几年中,预计许多厂商将会把MEMS制造转移到8英寸生产线中。ST目前在进行量产的微加工制程有THELMA和VENSENSE两种,均属于体型和表面型微加工技术的混合性制造技术。
发布时间:2008-05-07 14:28        来源:        作者:Benedetto Vigna
【赛迪网讯】随着消费市场对相关应用需求的迅速增长以及在价格方面压力的加大,未来几年中,预计许多厂商将会把MEMS制造转移到8英寸生产线中。ST目前在进行量产的微加工制程有THELMA和VENSENSE两种,均属于体型和表面型微加工技术的混合性制造技术。 高速发展的电子及其制造技术使微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems,MEMS)迅速普及。其实基于MEMS技术的加速度传感器、压力传感器、陀螺仪等已经有30余年的应用历史,但由于技术和成本等多方面的原因,这些技术主要应用于工业、军事、汽车制造、仪器仪表及医疗等领域,而未进入消费类产品市场。目前的情况则已有大幅改观,MEMS技术已不像几十年前那样贵如珠宝,低成本、小尺寸、低功耗、高性能的MEMS传感器产品已掀起新的设计和消费浪潮。 基于MEMS技术的多轴加速度传感器目前主要应用于游戏机和手机、硬盘防跌落保护、便携式设备的健身计步测量以及数码相机/摄像机的防抖等。除此之外,用于测量热效应、光强度及压力等物理量的物理传感器(Physical Sensor)也是未来的重点之一。 ST一直致力于MEMS技术新产品与新技术的开发与应用。其率先投资建立了先进的八英寸晶圆生产线,同时推动互补的合作伙伴关系。ST的目标是MEMS产品在消费领域的普及和量产,成为该技术在消费性浪潮中的推手。 物理传感器微加工技术 由于硅晶体具有极佳的电特性、机械特性和热量特性,故已成为MEMS制造中最受欢迎的一种材料。MEMS传感器一般通过与芯片基本制程技术相同的所谓的微加工(Micro-Machining)制程技术来加工和制造。然而,石英、玻璃、塑料和陶瓷等其他材料也可用于微加工或微成形。例如石英和陶瓷就常被用于晶振(Crystal Resonator)和柯氏力型陀螺仪中。 硅晶体除了具有优越物理特性,其引人注目的另一个原因是产业结构方面的考虑。全球微电子产业已投入庞大的资金并积累了大量专业经验来建构一个稳固的产业基础结构。制造商可把用于硅芯片生产而开发的成熟制造技术用于生产MEMS元件,并利用硅晶圆同时生产数千个微加工组件。巨大的经济规模曾经是让电子产业成功的重要条件,现在MEMS正可以从这种方式中复制成功的技术和经验,来设计和大量制造硅材质的微电子组件,同时还可致力于电晶体尺寸的进一步缩小。另外,晶圆的制程需要用极其严格的程序和流程来管理,因此与其他制程方式相比较,设计可重复性和生产良品率更高。 硅的物理特性很奇特。其材质较脆,但不容易产生塑料性形变;它可以比钢铁更坚硬,但重量只有其1/3。由于材料的这些特性,其与集成电路整合设计后,由MEMS机构中的振膜或悬梁臂等移动结构所产生的电信号即可提供该传感器的测量物理量或控制能力。 MEMS目前被广泛使用主要原因是极小的尺寸、极高的可靠性和低功耗特性,相比其他较大体积的竞争产品能做到更快和更精确的操作。另一方面,对于普通用户来说,尤其是在以价格为主导的消费性的领域,成本上的考虑更是不能被忽视的。 目前MEMS元件的尺寸还属于微米级,利用较早期的6英寸晶圆厂即可生产制造。但随着消费市场对相关应用需求的迅速增长以及价格方面的压力,未来几年中,预计许多厂商将会移转到8英寸生产线中。ST早已实现了向8英寸生产线的转移,在技术和成本两方面极佳的竞争优势使公司在市场中占据了主动。 目前许多微加工制程都衍生自基本的IC(集成电路)制造技术,如光刻(Photolithography)、材料沉积(Material Deposition)、反应离子(Reactive Ion)和化学刻蚀(Chemical Etching)等。尽管目前越来越多的组件的制造正在向CMOS(互补金属氧化物半导体)制程整合,但由于具体情况的不同,仍需要针对不同的应用做不同的考虑。 例如MEMS元件微加工的尺度大约在数十到数百微米之间,与芯片电路仍有差距,因此湿式蚀刻、生成或电镀薄膜、晶圆堆叠、导通孔(Vias)及干式蚀刻等是目前常见的微加工制造程序。特别应当提到的是,MEMS组件还会用到金或玻璃介质(Glass Frit)等材料,而这些在CMOS制程中是完全禁止的。 为实现差异化的竞争优势,MEMS供应商近几十年来依据自身和设备的特点,以及所擅长的制程步骤,都纷纷开发出适合自己产品的专有微加工制程技术。各厂商的专有制程可大致分为两大类:体型微加工和表面型微加工。体型微加工通过基板的移除来形成希望做到的结构,是一种“减法制程”。适用于设计较厚的结构,设计者可以自由地决定需求的基板厚度,不过微加工结构的形状会受到硅基板的结晶面构造的限制。与之相对的表面型微加工则属于“加法制程”,主要流程是根据具体需求通过不同的工序将不同材料层的个别区域移除或留下,基板层则维持原样不动。因为材料层薄膜(Film)在基板上能生成或沉积的厚度有限,该技术开始只限于约2微米的薄型组件,但目前新的晶圆黏合(Wafer Bonding)技术有助于设计出较厚的元件。利用这些光刻技术,原本非常复杂且高度创新的机械性结构也能变得相对简单许多。 THELMA和VENSENS微加工制程 ST目前在进行量产的微加工制程有THELMA和VENSENSE两种,均属于体型和表面型微加工技术的混合性制造技术。 THELMA主要适用于加速度传感器、陀螺仪及麦克风等高效能和低成本的运动传感器。THELMA制程从标准的硅晶圆开始,其上会有第一层作为隔离的氧化物层(约2微米)。接着会沉积一层互连用的多晶硅层,以及第二牺牲氧化层(约2微米),再在这层中负责作为固定机构的支持端及移动机构的固定端(Anchor)的个别点上进行蚀刻,以产生孔洞。随后一个较厚的垒晶层(约15微米)会在其上生成,再以一片光罩来对这一层进行蚀刻,以产生兼具移动和固定单元的结构。最后,这一结构下方的牺牲氧化层会以等向性蚀刻(Isotropic Etching)方式被去除,以使移动单元成形。为降低或消除由湿度或空气密度变异而产生的效应,进而影响此元件的共振频率,此结构附近的开放空间充满了空气,通常是干燥的氮气。第二片晶圆会紧接着被黏合到第一片之上,以保护微小的机构在进行射出成形(Injection Molding)程序时的高压下也不会受到破坏。 VENSENSE可实现非常小型化的压力传感器。其也由一片标准硅晶圆开始,其结果与采用体型微加工的晶圆黏结制程的结果颇为相似,专属的干式和湿式硅蚀刻混合步骤可以生成单晶硅层,并在其上形成一层厚度小于3微米的牺牲层,结构层的厚度可以达到20微米。但与体型微加工相比,VENSENSE能制出更薄、更小和机械性能更稳定的芯片。此外,孔隙的密合并不需要任何晶圆与晶圆间的黏结,因此密合连结的可靠性更高。 由于单晶硅具有极佳的电子特性,通过布植(Implantation)或扩散(Diffusion)等制程可以将稳定可靠的电阻整合进结构层中。接着这些电阻会和一个铝质金属层相连,实现惠斯通电桥(Wheatstone Bridge)的四个分支。此金属层接着被标准的绝缘体,如Silicon-Oxynitrid等所覆盖,以提供对外部腐蚀性药剂的保护能力。因电桥具有极佳的单晶硅层压阻特性,因此对压力的改变相当敏感。 相关链接 MEMS概述 微机电系统指通过硅晶圆微加工技术制造的三维机械电子结构,20世纪60年代时开始在半导体厂中出现。人们的日常生活中经常能见到MEMS技术的物理传感器,用来感测加速度、角速度、压力和声压等。 汽车电子是目前发展迅速的市场,MEMS技术在其中随处可见。例如汽车动态控制和安全气囊等所有的主动和被动式安全系统中,都使用加速度或偏移率(Yaw Rate)传感器来保护乘客的生命安全;为降低油耗,压力传感器也应用在引擎歧管(Engine Manifolds)和汽油管(Fuel Lines)中。 MEMS技术在活跃的消费电子市场掀起了产品设计创新的高潮。对于消费性市场来说,微机电产品通常会是在技术与经济考虑下的最佳解决方案,而且提供了微型化和高级程度的未来发展蓝图。最成功的应用之一就是加速度传感器在任天堂的Wii和Sony的PS3游戏机中带来的全新操控体验。过去加速度传感器只被用于汽车中的主动及被动式安全系统当中,一些安全法规的要求是其在汽车电子中应用的驱动力之一。今天,“感测及简化”已成为MEMS在消费产品市场的价值定位所在,扫除使用者和电子设备这个复杂世界之间的所有隔阂也是设计大师Naoto Fukusawa-san的梦想。此外,三轴加速度传感器也可用来设计硬盘放跌落装置,保护数据的安全;便携式设备的UI操控也可以通过它来实现更人性化的功能。 MEMS元件与芯片中的CMOS(互补金属氧化物半导体)相同,利用半导体晶圆厂来生产制造。但不同之处是,MEMS元件不仅仅是电子产品,还结合了许多机械结构,如连硅质弹簧(Spring)、电极(Electrode)、薄板(Membrane)和悬臂梁(Cantilever)等可移动的机构。此外,硅微加工元件经常会与传统石英或压电式产品在价格、尺寸及效能上出现竞争。

(责任编辑:孙莉)

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