MEMS的“CMOS化”成長

在6寸晶圓上，目前DRIE的刻蝕速率大約為30-50μm/min。根據(jù)Yole Development的預測，未來的發(fā)展趨勢是多腔刻蝕，并在未來2-3年內(nèi)達到大約100μm/min的刻蝕速率，同時減少昂貴的C4F8用量。Tegal的市場副總裁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），在很大程度上依賴于DRIE來實現(xiàn)其最終的制造。市場的需求推動著DRIE技術(shù)向前發(fā)展，與CMOS的發(fā)展軌跡類似，向更大尺寸的晶圓發(fā)展會是趨勢之一。Tegal未來的發(fā)展計劃中就包括與客戶一起進行300mm DRIE機臺的開發(fā)。

MEMS的特點是三維加工，除需要進行同平面的光刻外，還需要對硅片正反面進行圖形對準。雙面光刻也由此而來。早期的雙面光刻技術(shù)利用紅外線可以穿透硅片卻能被空氣和金屬吸收的特點進行雙面對準。但紅外線波長較長，對細線條的對準存在困難。此外，復雜的金屬布線和不平整的表面對紅外線的吸收將產(chǎn)生干擾。如今的雙面光刻技術(shù)是基于光學對準的，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)情況下的大聚焦-校準偏移；對大面積器件進行曝光時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(shù)MEMS產(chǎn)品使用的是傳統(tǒng)的接觸式光刻機，產(chǎn)品線寬為2-5μm。根據(jù)Yole Development的報告，現(xiàn)有的步進式光刻設(shè)備可以使MEMS的線寬達到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MEMS光刻設(shè)備主要需要解決的問題就是更小的尺寸，特別是DOF問題。隨著線寬和套準精度要求的提高，光刻機從接觸式曝光向DUV轉(zhuǎn)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)域的拓寬推動著集成制造工藝的進步。器件研究與集成工藝的關(guān)系一般分為兩類：一類是根據(jù)不同器件開發(fā)相應的工藝方案，另一類是在器件設(shè)計時盡量選擇已經(jīng)成型的標準工藝方案。從MEMS的量產(chǎn)和走入市場的角度來說，顯然第二種選擇更為明智。雖然向成熟工藝靠攏會使器件的設(shè)計受到一定的限制，但因為無需開發(fā)新工藝，設(shè)計好的器件可以在CMOS等成熟的生產(chǎn)線上生產(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。一般來說，與CMOS集成電路兼容的工藝方案可以實現(xiàn)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降低總的加工成本。根據(jù)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(jié)構(gòu)，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。該方法是指通過在襯底表面淀積不同的薄膜并結(jié)合選擇性刻蝕得到懸浮微結(jié)構(gòu)的過程。以氧化硅為犧牲層的多晶硅表面犧牲層工藝是此類工藝的代表。

SiO2或多晶硅表面犧牲層淀積以后，通過光刻和刻蝕步驟定義出所需結(jié)構(gòu)，最后去除殘余的犧牲層。SUSS MicroTec中國區(qū)總經(jīng)理龔里博士介紹說，MEMS制造中的兩個關(guān)鍵問題就是應力和溫度。表面犧牲層工藝的結(jié)構(gòu)層和犧牲層多采用CVD和PVD方法制備，所制備的薄膜通常會有較大的殘余應力。因此，優(yōu)化工藝參數(shù)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法實現(xiàn)Post-CMOS集成。所以，與電路集成時一般要先完成低溫多晶硅結(jié)構(gòu)的制備。也可以利用金屬鎢代替鋁做金屬連線，或者用多晶的鍺硅做結(jié)構(gòu)材料。

“CMOS與MEMS器件相結(jié)合是未來發(fā)展的大趨勢，”Paul Werbaneth說，“它可以融合MEMS與CMOS器件的功能，實現(xiàn)芯片的多功能性，未來的市場發(fā)展也相當樂觀。”

MEMS如何與傳統(tǒng)代工廠相融合？

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