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改变未来世界的器件—不可不知的MEMS

2019-10-14 09:19:02 来源:EETOP
MEMS技术是一个虽有历史但充满年轻活力的技术,诞生于半个世纪以前,兴起于二十年前。小小的MEMS有着大大的玄机,与大家耳熟能详的半导体技术息息相关,但其制造、设计、材料等工艺又独树一帜,迥异于传统的半导体工艺。


1.什么是MEMS
 

MEMS的概念于20世纪50年代被提出,它是利用集成电路制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、控制处理电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统,是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成,属于微电子技术与机械工程结合的一种工业技术。在日本MEMS被称为微机械(Micro-machines),欧洲更多地将其定义为微系统(Micro-systems)。此外,操作范围在纳米级的MEMS系统被称为纳机电系统(Nano- Electro- Mechanical System, 简称NEMS)。 
 


2. 典型的MEMS系统
 

 典型的MEMS系统如下图所示,由传感器、信息处理单元、执行器以及通讯/接口单元等组成。MEMS输入端获取力、声、光等物理信号,通过传感器转换为电信号,经A/D转换为能够被电子系统识别、处理的电信号,由执行器实现对外部介质的操作。

图1-1典型的MEMS系统结构
 

3.MEMS技术的重点发展方向
 

MEMS技术自20世纪80年代末开始受到世界各国的广泛重视,从初始研究的重点方向看,其主要技术途径有三种:
 

  • 以美国为代表的、以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术;

  • 以德国为代表发展起来的LIGA技术;

  • 以日本为代表发展的精密加工技术。

4.MEMS制造的关键技术
 

典型的MEMS加工技术主要划分为:硅基MEMS加工技术和非硅基MEMS加工技术。
 

(1)硅基材料MEMS加工技术
 

目前主要的体硅工艺包括湿法SOG(玻璃上硅)工艺、干法SOG工艺、正面体硅工艺、SOI(绝缘体上硅)工艺等。体硅MEMS加工技术的主要特点是对硅衬底材料的深刻蚀,可得到较大纵向尺寸可动微结构。
 

  • 湿法SOG工艺

SOG工艺是通过阳极键合技术形成牢固的硅—氧键将硅圆片与玻璃圆片粘在一起硅作为MEMS器件的结构层玻璃作为MEMS器件的衬底层,如下图所示。

 

湿法SOG工艺图


其结构层由浓硼层形成,对于各向异性的腐蚀液EDP、KOH或者TMAH,当硼掺杂原子浓度不小于1019原子/cm-3时,KOH腐蚀速率下降5~100倍(相对同样的单晶硅),对于EDP腐蚀液,腐蚀速率下降250倍,利用各向异性腐蚀液对高掺杂层的低腐蚀速率特性达到腐蚀停止的目的。采用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺在浓硼层上形成各种设计的MEMS结构再与玻璃键合,采用自停止腐蚀去除上层多余的单晶硅完成加工。下图是实物SEM照片。
 

湿法SOG工艺制作的MEMS陀螺仪

 

  • 干法SOG工艺
     

基本工艺结构类似湿法SOG工艺,同湿法SOG工艺相比,干法SOG工艺主要变化在于去掉了浓硼掺杂与湿法腐蚀步骤,而是采用磨抛减薄的工艺形成MEMS芯片的结构层省去高温长时间硼掺杂会降低对结构层的损伤,也避免了有毒或者容易带来工艺沾污的湿法腐蚀步骤,这些也是干法SOG加工技术的优点,与湿法SOG一样干法SOG同样具有不利于与IC集成的缺点。干法SOG加工技术适合多种MEMS芯片的加工,如MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS光开关、MEMS衰减器等。干法SOG加工技术采用了先键合后刻蚀(DRIE)结构的过程如下1-7所示。
 

图1-7干法SOG工艺
 

(2)表面MEMS加工技术
 

表面MEMS加工技术又叫表面牺牲层腐蚀技术,是在集成电路平面工艺基础上发展起来的一种MEMS工艺技术。主要通过在硅片上生长氧化硅、氮化硅、多晶硅等多层薄膜,并将其制作加工成MEMS的“机械”部分,然后使其局部与硅体部分分离,呈现可运动的机构。分离主要依靠牺牲层技术。来完成MEMS器件的制作。利用表面工艺得到的可动微结构的纵向尺寸较小,但与IC工艺的兼容性更好,易与电路实现单片集成。

 

MEMS表面加工技术
 

5.MEMS与生活
 

MEMS技术正在全方位地改变我们的生产和生活,它是全球个人娱乐产业的幕后英雄,是汽车巨头雄霸市场的撒手锏工业,是全球工业4.0背后的隐形功臣,是智慧医疗不眠的守护神,更是各国之间航空航天角力的硬科技。
 

如果有人问,智能手机为什么能快速替代传统手机?答案肯定很多,但有一个原因非常关键,那就是智能手机的用户体验,要远胜于传统手机,这也是诺基亚无可奈何花落去的必然。而这种远胜的用户体检,相当一部分来自于MEMS技术在手机中的广泛而深度地应用。
 

MEMS传感器在个人娱乐领域的应用包括运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面、电源管理、GPS增强/盲区消除、速度/距离计数等等,这些MEMS技术都在很大程度上提高了用户体验。
 

相应地,随着消费电子领域大发展及产品创新不断涌现,特别是受益于智能手机和平板电板的快速发展,消费电子已经取代汽车领域成为MEMS最大的应用市场。其中手机和平板电脑中的MEMS传感器几乎占了消费类电子MEMS传感器类市场的90%。
 

6.MEMS产业格局
 

MEMS产业曾是美国、欧盟、日本三分天下之势,且各有千秋。美国以军(用)促民(用),具有无可比拟的MEMS技术综合实力;日本则在汽车电子用MEMS、机器人用MEMS等方向能力突出;欧盟在汽车电子用MEMS、消费电子用MEMS占有重要的市场份额。
 

美国是MEMS技术、产品和产业的发源地,其MEMS发展水平全球领先。美国在发展MEMS方面,充分发挥了军、政、产、学、研协同效应。美国2016年、2017年、2018年MEMS产业规模分别为12.6亿美元、14.5亿美元、16.1亿美元(估算)。
 

日本在MEMS领域具有与美国相当的实力。在全球前10名MEMS巨头中,日本占有4席,数量与美国一样,但企业规模略逊于美国;而2015年全球排名前30的MEMS企业,其中包括了10家日本厂商。特别值得一提的是,日本企业在汽车MEMS、机器人用MEMS领域具有全球领先地位。
 

在欧洲,MEMS通常也被称为微系统(Micro-systems)。欧盟拥有超过100 家的MEMS 芯片研发和生产机构,从事MEMS研究的技术人员近万人,并拥有世界一流的MEMS研发基地和环境设施。德国2016年、2017年、2018年MEMS产业规模分别为5.6亿美元、6.4亿美元、6.8亿美元(估算)。 
 

本文摘自《一砂一世界:一书读懂MEMS产业的现状与未来集成电路》

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