CMOS与MEMS工艺集成方式多样化 硅穿孔和键合技术不可或缺

　　华强电子网在今年1月初的焦点新闻()中，曾经提到了CMOS工艺与MEMS工艺无缝集成的首要条件，即要求代工厂必须同时具备CMOS工艺及MEMS工艺产品线。而如果采用两家代工厂生产的话，一方面则可能导致集成度降低，另一方面又牵涉到品质监控及风险承担等问题。除了这一阻碍，记者还了解到一些零零碎碎的障碍拖延了CMOS工艺与MEMS工艺集成的步伐。

　　谢志峰向记者表示，虽然目前CMOS工艺与MEMS工艺集成的产品具有一些市场，但是整体来说，该市场的出货量并不大，这致使代工厂不愿意生产。想必这也成为阻碍CMOS工艺与MEMS工艺集成的发展。此外，他还强调，MEMS是微米级技术，而CMOS则是零点几微米级技术，两者在尺寸上存在较大的差距，这导致两者在集成过程中进行匹配时不会十分顺利。

　　汪达玮也向记者讲述了上述问题，同时，他还补充道：“首先需要两颗芯片一样大，两颗芯片之间要相互包容;其次，两颗芯片的良率要非常接近，比如说一个的良率是90%，而另一个的良率是70%，那么这将导致前者吃亏。”同样这也是前文范翔所说的商业模式问题，毫无疑问，这也阻碍了CMOS工艺与MEMS工艺的集成。除了这些商业模式上的阻碍以外，那么，在技术上还存在哪些瓶颈呢?

　　对此问题，在Leopold Beer看来并不存在，他表示：“从技术方面来讲的话，CMOS工艺与MEMS工艺集成并不存在特别大的困难(比如说在封装方面，CMOS工艺与MEMS工艺集成化的方式其封装相对分立而言反而更加容易)。主要问题在于经济规模方面，当前看来，集成化的方式其经济效益方面的优势并没有被体现出来。”对于CMOS工艺与MEMS工艺集成的封装，谢志峰也称：“在封装方面，集成后并不存在难度，难度主要在于测试方面，由于测试技术的不成熟，导致测试难度大且成本高，为解决该问题，我们在开发阶段就对产品进行大量的测试，通过减少测试来降低成本。”

　　此外，Leopold Beer还强调：“在设计方面，CMOS工艺与MEMS工艺集成与分立情况下相比，并不会有太大的不同，只是说使用的材料的差异性以及工艺存在差异，不管是集成的方式还是分立的方式都需要蚀刻(DRIE)，在蚀刻的过程中，两种情况下都需要去设计MEMS的结构。其中涉及到的一个核心技术叫做博世工艺，不管是分立还是集成，都需要采用这种博世工艺。这种工艺不仅仅是博世在使用，此外其合作伙伴也在使用。”

　　据记者了解到，CMOS工艺与MEMS工艺集成过程中，CMOS器件部分与MEMS电路部分加工顺序分为三种：一种是前CMOS(Pre-CMOS)，另一种是混合CMOS(Intermediate-CMOS)，最后一种是CMOS后处理(Post-CMOS)。

　　采用Pre-CMOS方法的话，先在硅片上完成MEMS器件的制作，然后在标准的IC工艺上制作信号处理器电路并实现MEMS器件与电路的链接，该方法的优点在于可避免MEMS器件的高温工艺对电路造成不良的影响，弥补了下文中Post-CMOS的不足。其不足之处在于，后续CMOS工艺表面的平坦化以及MEMS器件与电路连接的过程比较难。

　　对于Pre-CMOS方法，Leopold Beer认为：“如果是先做MEMS器件的话，然后再对CMOS部分进行加工，由于做CMOS过程需要受热，在此过程中，高温会影响到不再需要受热的MEMS器件，这是先做MEMS器件后做CMOS部分的一大弊端所在，有可能会影响到MEMS器件原有的性能，甚至会造成MEMS结构的改变。”

　　Intermediate-CMOS方法将会打断正常的IC制程，在该过程中插入MEMS工艺，等到MEMS结构制作完成后再重新恢复IC流程，最后再完成后续电路的制作与MEMS器件和电路的链接。该方法由于需要对当前现有的CMOS工艺进行大幅的修改，因此具有一定的局限性，对于代工厂而言，通常不愿采用这种方式。

　　Leopold Beer在介绍Intermediate-CMOS方法时说：“采用这种方式的话，其最大的优势是在做CMOS部分的过程中，可以加入MEMS部分，不过，这种方式太过复杂。当然，虽然这个过程复杂，但效率会更高，在成本方面也会有优势。简单来说，这种方式就是成本低但技术难度系数高。”

　　而Post-CMOS方法则是在正常的IC工艺流程结束后，通过一些附加MEMS微机械加工机械进行MEMS器件的制作，进一步实现单片集成MEMS系统，虽然这种方法对CMOS工艺的要求较低，但是，MEMS在高温加工过程中也会对CMOS电路产生较大的影响，甚至有可能导致后面一些高温MEMS加工工艺温度与CMOS工艺不兼容。不过，目前绝大部分MEMS后处理工艺都不会影响到CMOS工艺中的晶体管和无源器件的性能，更为重要的是，这种集成方式大大的降低了无生产线设计公司的成本，因此，Post-CMOS方法是目前最为流行的一种CMOS工艺与MEMS工艺集成的方式。

　　至于最终采用哪种方式进行集成，李刚认为主要由商业模式而定。汪达炜则认为在于专利问题，专利问题其实也属于商业模式，他说：“不管采用哪种方式，主要还是在于专利问题，比如说，CMOS工艺与MEMS工艺分开加工最终集成，这些专利在Invensence手中。还有就是我们的这种做法，就是CMOS做好之后再做MEMS，如台积电就是这样方式，台积电暂时还没有分开做的那种专利。因为MEMS从设计到制造，键合过程是一个高温的过程，如果MEMS器件已经做好，然后再与CMOS集成，在此过程中如何平衡应力，这是一个挑战。另外一种做法就是把整片硅先压在CMOS上，然后再去做刻蚀，此时对应力的要求相对较低。”

　　上文简单介绍了三种继承方式的区别与优劣势，那么，CMOS工艺与MEMS工艺在集成过程中又将涉及到哪些主流技术呢?李刚表示，从目前来看，CMOS工艺与MEMS工艺集成采用哪些核心技术，由于每家公司集成的方式都不一样，所以目前还没有主流技术，主要还是处于一个探索阶段。

　　据记者了解到，Poly-SiGe技术曾用于制造CMOS工艺与MEMS工艺集成的陀螺仪，该技术能做低温下(≤450℃)下迅速的得到高质量的薄膜。不过，该技术并非主流技术，谢志峰表示，该技术的优点是便宜、生产成本低。此外，Poly-SiGe技术能够在标准的CMOS顶部加工不同的MEMS器件，还可以用于制作MEMS器件上方的薄膜覆盖，进一步形成节省面积的MEMS器件的规模0级封装，而不足之处在于性能差。如Bosch就曾用该技术实现CMOS工艺与MEMS工艺制作陀螺仪，该技术还一度被认为有可能成为主流技术。

　　记者从谢志峰和汪达炜处得知，当前CMOS工艺与MEMS工艺集成主要涉及的关键技术有两种：硅穿孔技术(TSV)和键合技术。

　　硅穿孔技术作为一项新技术，其通过在芯片与芯片之间、晶圆与晶圆之间制作垂直导通，从而实现芯片之间的互连。该技术能够实现芯片在三维方向的叠加的密度最大、芯片互连线最短、外形尺寸最小，且高频特性出色，更为重要的是，其提高了芯片的运行速度，同时功耗大约降低了40%，因此成为目前备受关注的一种技术。在图像传感器、微机系统、传感器等市场的应用将会比较多。

　　当然，硅穿孔技术也有一些难点需要突破，作为一种新技术，其不确定性无疑暗藏了一些风险，此外，在价格与成本之间也存在障碍。谢志峰表示：“由于硅穿孔是一种新的技术，所以其最大的难点在于成品率，有些代工厂的成品率较低，如台积电等的成品率相对而言就要高一些。”较低的成品率无疑将导致制造成本的提高。汪达炜也介绍了硅穿孔技术的难点，他说：“硅穿孔技术应用于将两颗芯片集成在一起，由于需要在芯片上面挖一个很小的洞进行填充，从芯片面积来说，这个洞越小越好，但是这个越小的话，填充就越难。”

　　据了解，早在2010年，Xilinx就采用堆叠硅片互连技术和硅穿孔技术将4颗不同的FPGA芯片在无源硅中介上实现了互连。同年，台积电也公布了该公司采用硅穿孔技术三维积层半导体芯片的LSI量产化方案，通过硅穿孔技术、再布线层以及微焊点灯技术，成功制造出了三维积层半导体芯片。

　　除了硅穿孔技术以外，键合技术在CMOS工艺与MEMS工艺集成过程中同样十分重要。作为一种将芯片结合在一起的技术，键合技术种类繁多且十分灵活，简而言之，不同材料之间的结合使用的方法也不一样，如金硅共熔键合、硅/玻璃静电键合、硅硅直接键合、玻璃焊烧键合等。

　　据汪达炜介绍，CMOS工艺与MEMS工艺集成属于一种低温键合，在低温下(≤450℃)就可以进行。他说：“CMOS工艺与MEMS工艺集成的键合是一种低温键合，在常温下就可做键合。另外一种是金属键合，此时会产生高温，我想当初发明这种方式的时候，该公司没有CMOS技术，所以只能做MEMS器件，先把MEMS器件做好后，再到CMOS工厂将CMOS芯片拿过来再将两者键合在一起，主要是受到这方面的局限性。如台积电，其具有强大的CMOS技术，所以它就可以做到集成。”此外，汪达炜还强调，在键合过程中，由于两款芯片的温度系数不一样，其中涉及到应力需要问题解决。

　　整体而言，CMOS工艺与MEMS工艺的集成，不管是在技术领域还是在商业模式方面，都还存在一些亟待突破的问题，且两者往往关系紧密。在技术领域，关键性技术还不成熟，如硅穿孔技术的成品率还比较低致使本较高。当前的这种商业模式也需要被打破，低价格的产品更受市场欢迎，技术不成熟导致了集成化产品在价格上不占据优势，即集成化市场的发展受到不成熟技术的牵制。此外，选择何种集成化方式，也多是从商业化角度考虑。不过，相信随着这种商业模式的障碍被打破，以及技术得到进一步成熟，市场上将能够看到更多的CMOS工艺与MEMS工艺集成的产品。（责编：张哲）

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