半导体MEMS的重要性和和进展

编译自azom

MEMS应用很广，涉及的制造技术也越来越重要。

半导体与微机电系统（MEMS）集成是指将MEMS器件与集成电路（IC）集成在单个芯片上，从而缩小封装、减少重量和尺寸，提高性能，并降低仪器和封装成本。

半导体 MEMS 的重要性

MEMS 主要是传感器系统，可以控制或感测化学、光学或物理量，例如流体、加速度或辐射。MEMS 设备/传感器拥有与外界的电气接口，通常通过 IC 实现，IC 提供必要的智能，使设备能够执行有用的功能。

例如，IC 可以提供系统测试功能、逻辑和通信功能以及模数转换等信号调节功能。IC和MEMS可以使用两种方法集成，包括混合多芯片集成和片上系统（SoC）集成。

在传统的多芯片解决方案方法中，IC 和 MEMS 元件最初是使用专用 IC 和 MEMS 制造工艺在单独的基板上合成的，然后在最终系统中混合，而在最近的 SoC 解决方案方法中，IC 和 MEMS 元件是制造的使用交错或连续处理方案在同一基板上进行。

近几十年来，二维 (2D) 集成方法已广泛用于 MEMS 和 IC 技术的混合集成。在这些方法中，MEMS 和 IC 晶圆是独立设计、制造和测试的，然后分成分立的芯片。随后将分立芯片集成到封装或板级的多芯片系统中。

目前，大约一半的 MEMS 产品，包括多种微流体器件、射频 (RF) MEMS、压力传感器、麦克风、陀螺仪和加速计，均采用多芯片解决方案实现，而其余 MEMS 产品，包括喷墨打印头，红外测辐射热计阵列、数字镜器件以及许多压力传感器、加速度计和陀螺仪均作为 SoC 解决方案实现。

多种半导体 MEMS 产品由大型换能器阵列组成，其中每个换能器均单独运行，这些产品主要作为 SoC 解决方案实现，以将每个 MEMS 换能器及其相关 IC 集成在单个芯片上。

通过混合集成的半导体 MEMS

传统上，IC和MEMS芯片是分开封装的，然后作为一个系统集成在印刷电路板(PCB)上，这导致了多芯片模块的发展。在半导体 MEMS 多芯片模块中，IC 和 MEMS 芯片并排放置在同一封装中，并在封装级使用引线和/或倒装芯片接合进行互连。

通过倒装芯片接合的多种 MEMS 和 IC 集成概念可用于多种应用，例如微光机电系统、MEMS 传感器和 RF-MEMS。最近的芯片到封装和芯片到芯片互连的概念，例如扇出晶圆级封装概念，是基于使用嵌入式芯片之间的薄膜互连而开发的。

其他芯片到芯片互连方法包括绗缝封装，其中具有各种功能的芯片紧密地平铺在封装基板上，并使用从每个芯片突出的垂直面和机械柔性互连进行互连。

与板载系统方法相比，多芯片模块占用的 PCB 面积更小，并且芯片之间的信号路径长度显着缩短。因此，这个概念广泛应用于研究和商业产品中。

具体而言，MEMS 芯片与商用专用集成电路 (ASIC) 的集成可实现混合半导体 MEMS 系统的快速、简单且经济高效的实施。

系统级封装、垂直或堆叠多芯片模块由垂直连接的芯片组成，并使用导线或倒装芯片直接或通过额外的重新分布层互连。

与多芯片模块相比，更小的封装尺寸/体积、更短的信号路径长度和更高的集成密度是这些三维 (3D) 堆叠方法的主要优点，这些方法用于压力传感器等商业产品。

晶圆级封装和芯片级封装概念可以产生高度紧凑的封装，其占用面积与封装中涉及的最大芯片尺寸相似。MEMS 芯片技术是这种方法的突出例子之一。

系统级封装方法可在封装级别实现小型化和高度集成的系统技术。在这些方法中，MEMS 和 IC 器件与其他几种基本技术（从电力电子和光学到无线组件）集成在一个通用封装中。

因此，低制造复杂性、模块化和高灵活性是多芯片解决方案的主要优点，而厚度、大系统占用空间和有限的集成密度是主要缺点。

通过晶圆级集成的半导体MEMS

SoC解决方案可分为单片MEMS和IC集成技术，其中IC和MEMS结构完全制造在同一基板上，以及异构MEMS和IC集成技术，其中IC和MEMS结构部分或全部预制在同一基板上。分离基板，然后合并到单个基板上。

使用单片 MEMS 和 IC 集成的 SoC 解决方案

在使用 MEMS 优先处理的单片 MEMS 和 IC 集成中，完整 MEMS 器件所需的所有处理步骤都在互补金属氧化物半导体 (CMOS) 处理之前执行，以实现后续 CMOS 集成并制造半导体 MEMS。

这些方法提供了有利的 MEMS 制造条件，例如极高的热预算，从而可以制造高性能 MEMS 结构，例如高性能 MEMS 谐振器。然而，预处理的 MEMS 晶圆的材料暴露和严格的表面平坦度要求是主要缺点。

通过使用交错式 MEMS 和 IC 处理的单片 MEMS 和 IC 集成，半导体 MEMS 是通过在 CMOS 制造之后、期间或之前执行的 MEMS 处理步骤的组合来实现的。

尽管这些方法允许将高性能 MEMS 器件和材料与 CMOS 电路集成在同一基板上，但它们需要完全访问专用的定制 CMOS 生产线，这极大地限制了该技术的普遍适用性。

在通过体微机械加工使用 MEMS 最后处理的单片 MEMS 和 IC 集成中，MEMS 结构是在整个 CMOS 制造工艺完成后制造的。

这种方法可以使用现有的 IC 基础设施来实现，这是一个主要优势。然而，CMOS 工艺所允许的 MEMS 器件的材料选择有限和设计自由度有限是主要缺点。

半导体 MEMS 可以通过单片 MEMS 和 IC 集成来实现，使用 MEMS 最后处理，通过表面微加工和层沉积。在这种方法中，MEMS 结构是通过微加工并在完整的 CMOS 晶圆上沉积材料来制造的。

虽然标准 CMOS 代工厂可用于这种方法中的 CMOS 晶圆制造，但 MEMS 材料的沉积温度必须保持在允许的 CMOS 晶圆温度预算在400-450 °C之间。 

使用异构 MEMS 和 IC 集成的 SoC 解决方案

异构 MEMS 和 IC 集成是指将两个或多个包含部分或完全制造的 MEMS 和 IC 结构的基板连接起来，以制造异构 SoC 解决方案。

层转移、先通孔工艺期间的异质 MEMS 和 IC 集成通孔形成允许将高性能 MEMS 材料与基于标准 CMOS 的 IC 晶圆集成。然而，它们通常需要对齐的基板到基板键合，这增加了工艺复杂性并导致可实现的键合后对齐精度受到限制。

最近的研究

在2020 年 IEEE 第 33 届微机电系统国际会议上发表的一项研究中，研究人员使用专有的 InvenSense CMOS MEMS 技术开发了一种集成热阻微量热流量 (TMCF) 传感器，其检测限达到 µm/s。

TMCF 传感器对 -1.29m/s 至 1.29m/s 氮气流表现出 533μV/(m/s)/mW 的良好归一化灵敏度。此外，该传感器还表现出小于 3.2mm/s 的良好分辨率和小于 1.6mm/s 的最小可检测流速 (MDFV)。

因此，所提出的TMCF传感器可以作为微/纳流体中超低流体流量测量的流量装置。

编辑：黄飞