MEMS的制造方法展望

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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。本文讨论不同的半导体 MEMS 制造方法及其进展。

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/多芯片解决方案和片上系统（SoC）集成/SoC解决方案。

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 威廉希尔官方网站 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，并使用导线和/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 芯片威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。在这些方法中，MEMS 和 IC 器件与其他几种基本威廉希尔官方网站 （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集成威廉希尔官方网站 ，其中IC和MEMS结构完全制造在同一基板上，以及异构MEMS和IC集成威廉希尔官方网站 ，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，这极大地限制了该威廉希尔官方网站 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/400-450 °C 之内，这使得该威廉希尔官方网站 不适合使用高温度实现的 MEMS 器件。-高性能MEMS材料。

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。

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审核编辑 黄宇