MEMS的主流集成技術(shù)

MEMS技術(shù)已經(jīng)迅速從一種標(biāo)新立異的概念轉(zhuǎn)化為各種實(shí)用的演示樣品，而且繼續(xù)向早期產(chǎn)品演進(jìn)。這種轉(zhuǎn)變的速度完全是建立在巧妙利用現(xiàn)有集成電路工藝的制造能力基礎(chǔ)之上的：廠房、設(shè)備、加工、工藝、材料及人員，幾乎整個一千億美元規(guī)模的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施都可以用來支持MEMS技術(shù)。
如果說，MEMS的最初成功，其基礎(chǔ)在于與IC產(chǎn)業(yè)之間的相似性，那么現(xiàn)在限制MEMS市場發(fā)展的問題則來源于MEMS和IC的本質(zhì)差別上，這些差別使得MEMS游離于發(fā)展主流之外。
MEMS和IC的關(guān)鍵性差別在于：

集成電路在以圓片(圓片是指硅材料制成的圓盤，作為一個整體完成各項(xiàng)半導(dǎo)體工藝的加工，隨后被分割為多個單獨(dú)的“芯片”，然后再封裝、銷售)形式離開IC代工廠(foundry)中受到精確控制的環(huán)境前，它所采用的工藝使之對環(huán)境影響并不敏感。而在圓片上制成的MEMS器件在完成封裝之前，一般始終對其環(huán)境影響十分敏感，這使得代工廠之后對MEMS的每一步操作(圓片分割、在封裝上的放置、電氣連接的形成、封裝密封)都必然不同于對IC的操作，其成本較高。

增值機(jī)遇
這些差別提供了大量增值的機(jī)會。
集成電路最關(guān)鍵的要素是集成化。第一款PC處理器集成了不到3萬只晶體管，而今天，處理器上的晶體管數(shù)量超過了1億只。這種能集成越來越多功能的能力來自廣為人知的“Moore 定律”——功能每18個月翻一番，而成本基本持平。相對來講，MEMS器件仍屬于未集成化的產(chǎn)品。雖然一片IC常?？梢园汛鎯Α⒂?jì)算和通信集成到一起，但MEMS一般只能完成一項(xiàng)功能，而且必須與其他器件(往往是IC)一起使用才能形成可推向市場的產(chǎn)品。這一限制是MEMS工藝流程所固有的，其工藝與IC制造工藝有很大的不同。把MEMS和IC融合成為同一塊集成芯片的工藝，就會使IC性能受限，MEMS性能也要作出犧牲，成本亦較高，在降低成本方面希望渺茫。IC工藝的復(fù)雜程度是以掩膜的多少來衡量的，標(biāo)準(zhǔn)的一套工藝可能需要30層掩膜。據(jù)對SOC部分進(jìn)行估計(jì)，對改進(jìn)IC工藝流程以支持MEMS解決方案的嵌入，將需要增加多至14層的掩膜。工藝復(fù)雜程度和MEMS所占用的芯片面積出現(xiàn)大的增長，將會使成品率及成本受到嚴(yán)重影響(成品率與芯片面積和工藝復(fù)雜程度之間存在負(fù)指數(shù)關(guān)系)。

MEMS與IC實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效集成的方法
因?yàn)镸EMS器件制作在圓片表面而且能發(fā)生移動，所以它們常常需要表面上沒有東西阻礙其運(yùn)動。于是，在圓片加工的最后階段，當(dāng)器件要被劃開并封裝時，就不能象處理IC那樣處理MEMS器件，每一塊分開的裸片都需要采用特殊的處理和封裝方法，這給成本帶來了極為不利的影響。因此，雖然IC方面已經(jīng)為這些操作建立了完善的標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)設(shè)施，但MEMS封裝仍主要屬于定制開發(fā)，與IC封裝相比在產(chǎn)品成本中占很大比重(成本的40％~90％)。

基于Foundry的MEMS圓片級灌封
從根本上來說，MEMS器件利用材料的機(jī)械特性，而IC則利用電特性。因此，機(jī)械上的干擾對MEMS來說影響甚于對IC的影響。因此，實(shí)踐證明是可靠的IC封裝方式卻會對MEMS性能造成嚴(yán)重?fù)p害，尤其在應(yīng)力(材料受力)方面危害更嚴(yán)重。 例如，人們用樹脂把IC“粘”到封裝中，而如果用同樣的材料和方法把MEMS“粘”到封裝中的話，則器件性能和穩(wěn)定性就會發(fā)生極大的改變。此外，應(yīng)力的影響會隨著工作溫度的變化發(fā)生顯著的改變，如果得不到控制，這就會造成讓人無法接受的器件性能變化，同時，受到控制的應(yīng)力也可以幫助人們增強(qiáng)器件性能或穩(wěn)定性。

MEMS灌封及封裝中的應(yīng)力控制
正如上面提到過的那樣，灌封好的MEMS器件需要表面上的凈空。同時，保證器件的可靠性也要求必須對表面的化學(xué)成本進(jìn)行嚴(yán)格控制。處理方法起著至關(guān)重要的影響，其種類很多，從簡單的干燥劑一直到“潤滑增強(qiáng)劑”或其它專有的處理方法。在對器件進(jìn)行灌封或器件工作的過程中，從密封材料逸出的氣體或者透過密封層漏入的外界氣體都會給表面帶來意料之外的改變?！?