微机电系统集成与性能、成本和可靠性的综合考虑

MEMS是否集成具有争论性，集成是实现高性能、低价格、高可靠性与高质量的唯一办法，但其研发和生产投入较大，需要较大的批量来支持，而且要解决可行的工艺问题。本文分析了集成和不集成两种观点及其现实依据，同时展望MEMS集成的发展趋势。 


集成是微机电系统(MEMS)的一种可行途径吗？当可能需要额外的时间并冒额外的风险时，MEMS项目应选择单芯片集成途径吗？也许将几块裸片置于同一封装内是一种更好的解决方案，但是应该采用什么样的标准呢？这个问题不容易回答，因为存在一些不确定因素，且常常只有在产品推向市场一段相当长的时间后才能最后确定其是否成功。MEMS集成是产品寿命周期中早期投资成本与后期投资回报之间的折衷，但常常受技术及应用需求的影响。在大多数情况下，如果传感器不必因为特定应用而必须与电子电路分开时，单芯片集成是最好的解决方案，但在化学感应和高温等恶劣环境下必须将传感器与电子电路分开。或许就像过去25年半导体微电子技术的发展那样，当工具、工艺及生产经验能以较低风险来规避这些不确定性问题时，集成将成为必然。 


正如大多数工程解决方案一样，成功的MEMS产品可解决设计折衷以及降低与开发及生产有关的成本等问题。与延长学习周期、复杂设备及工艺有关的时间风险，使得集成在微机械加工领域并不常见。但有趣的是，在微电子业界似乎总有这样的信条，即只要不断去努力就能获得突破。 


集成带来的优势 


当IC芯片仅拥有少数几个晶体管或在早期CMOS??S工艺时，半导体技术具有一些不确定的变量，这些变量更像是一些随机数而不是正常函数。早期用于定义平面器件的工具仅为一些简单的工艺图及模型，器件特征参数通常以数学逼近及计算尺(slide-rule)来建立。在那时，人们仅仅根据良品率及缺陷密度就证明1亿个晶体管的IC不可能实现。回顾我们使用1亿个晶体管的Itanium处理器芯片时，可以发现引领我们沿摩尔定律前进并形成一个拥有2000亿美元产业的技术进展，是在了解降低失败风险的设计与制造工具上所取得进步的结果。 


IC单芯片集成所实现的最佳工程解决方案似乎已经解决了过去几年中的大多数争论，高性能、低价格、可靠性与质量水平除了采用集成的办法外不可能实现，集成已成为当前所有IC厂商的业务差异化的关键。实际上只要我们注意观察就可以发现，集成CMOS甚至采用了双极工艺和CMOS工艺的混合信号器件在现实生活中已得到很多应用。 


为什么要集成MEMS? 

这个问题与关于IC集成的问题类似。要考虑的首要因素是是否有足够大的批量来分摊集成所带来开发与加工的成本，另外还必须解决可行的工艺问题。最关键的争论是有没有其他途径来达到批量所需的低成本目标。当由于物理尺寸限制不能采用其他可能的方法时，通常会做出采用集成的最终决策。大批量产品的质量和可靠性水平可能会影响到这种折衷决策，而从ADI公司推出的1.5亿多片单芯片MEMS器件上所得出的经验证明，单芯片MEMS集成通常都能达到低于1ppm的质量水平，以及10亿小时的平均故障间隔时间(MTBF)。 


从技术解决方案角度看，将所有元件都放在一个芯片上具有某些明显的优势：高噪声条件下的小信号可以受到最小的应力、电磁干扰、寄生电容及漏电流等“未知变量”的影响。采用常见的IC设计技术(例如交叉空铅技术(cross-quading))及开关电容充电管理可消除由温度及其他未知因素带来的影响。由于集成将具有低电平信号的电路放在一起，而热环境因素等保持不变，因而能获得更低的热迟滞以及更好的接通特性。在必须寻址数百万显示单元且以视频频率激励的应用中，尺寸的局限及互联密度证明了采用集成MEMS器件是正确的。当手持式设备或医疗产品要求其厚度或宽度不得超过系统封装极限时，同样证明采用集成MEMS器件是合理的。 


解决上述问题的另一种方法是产生更大的信号，但这通常又要求更大的硅面积、更高的功耗及更低的阻抗，且以多芯片解决方案的形式来实现。为从实际环境中获得足够的信息，人们给MEMS元件增加一套传感器，且在远端位置对信号进行补偿。这样一来，互联的成本、尺寸及复杂性呈非线性(指数)增长，从而导致高成本并难以对组件进行封装与测试。ADI公司的单芯片陀螺仪(Gyro，见图1)的经验证明，与在片外处理相比，片内集成带来的优势是可处理信号幅度至少低两个数量级的信号。而硅传感器尺寸一般需要增加10至1000倍方能产生同样的信噪比，这将增加应力管理(stress management)及长期稳定性等主要设计挑战。 



集成并不总是最佳选择 


集成并非是某些MEMS器件的最佳解决方案。集成MEMS产品可能要求比非集成设计更长的开发时间，尤其当需要同时开发相关工艺时。由于MEMS设计与工艺之间的紧密联系，在完成构建几种不同的设计并充分了解其生产的良品率以前，很难确定一种可行的工艺。由于系统级开发周期问题，客户可能会由于鉴定周期或系统级质量要求而宣布“不要进行任何改变”。 


由于近几年内没有大的批量，故MEMS集成可能在经济上不划算。每年从10万个元件上节省1美元不可能抵消花在每个元件上的10美元的开发成本。 


从技术与经济角度考虑，非集成解决方案可能是最佳产品设计，尤其是当非集成方案能获得足够的性能提升时。此外，较大的硅片有时需要符合外部环境条件。采用嵌入式应力仪(embedded strain gauge)或者电容性窗膜(capacitive diaphragm)配置来创建一种机械结构的简单工艺可以比IC加MEMS的工艺的成本更低。结合了物理调整及不同材料与工艺组合的射频模块及光学组件很适合某些非集成式MEMS器件。这些非集成版本也常常由于其具有更高的性能或特殊的系统增强特性而拥有更高的利润空间及更高的售价。 


未来发展趋势 


MEMS技术并非一成不变，看看当前广泛使用的3美元加速度计或可能形成新显示器时代的百万像素MEMS DLP芯片，可以发现集成式MEMS具有重要的经济优势。 


通信及连接是促使MEMS器件增加复杂性及功能的强大推动力。下一代汽车安全系统传感器正在使用双线接口进行开发，这种在同一个单线上实现数据及电源传输的配置创建了串行的、具有电子诊断及校准功能(全都以标准格式执行)的双向总线。汽车安全芯片市场每年超过1亿片，传感器接口的新时代正在到来。如果再结合Zigbee Alliance公司的无线网络，采用标准协议通信的MEMS器件的潜力正在促进更大的市场批量及更高的集成。 


构建于深反应离子蚀刻(DRIE)工艺上的工艺选项使得有可能在主要标准IC工艺完成后来创建MEMS结构。当再结合拥有氧化物埋层(buried oxide)的SOI晶圆时，集成MEMS将是IC代工工艺的主流。氧化物埋层将可能使MEMS器件从裸片上的亚微米CMOS工艺包围中释放出来，如图2所示。 



MEMS器件拥有与集成电路同样的发展趋势，因为它们拥有相同的加工工具及工艺。当必须增加功能并显著降低价格，同时又不能牺牲质量及可靠性的时候，集成是唯一的选择。