MEMS及新兴代工模式.docx

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1、MEMSM新代工模式Silex Microsystems，是一家总部位于瑞典斯德哥尔摩郊外专注 于为无晶圆厂或轻晶圆厂的MEMS公司提供MEMS代工服务的领先 厂商。Yole Developpement的2012年调研报告显示，Silex已经成 为全球最大的纯MEMS代工厂，并且从不涉及任何MEMS产品设计 及产品开发业务。Silex拥有资深的MEMST程技术人员和大规模生产 的经营理念，为客户集成新的工艺流程并导入大规模量产。通过与众 多领域MEMS产品客户的合作，成功地实现数百种产品的量产。目前， Silex已经开发出一套系统的、结构化的方法，帮助客户有效地实现工 艺集成及产品认证。随着越

2、来越多的行业领域使用MEMS产品，MEMS步入两位数增 长的高速成长期，因此吸引一些新兴地区，如中国，建设完善的 MEMS生态系统。MEMS传统的工艺方法已经非常成熟、获得验证， 并在产品、工艺及材料等方面不断创新，MEMS产业的高速增长还需 要不同领域、不同行业的新兴MEMS产品公司的共同参与。然而，建 设MEMS晶圆厂、开发 MEMS工艺及工艺集成的成本却阻碍了 MEMS市场的持续扩张。为了满足MEMS市场增长的需求，必须有效 地实施MEMS产品设计公司与纯MEMS代工厂合作的商业模式。本文将讨论MEMS设计和工艺集成中面临的传统挑战，介绍Silex 是如何使用SmartBlock工艺集成

3、方法来缩短产品开发时间和一些利用 SmartBlock实现的可集成定制案例，然后给出这种代工模式的发展路 线图，说明最终将灵活地实现无晶圆厂MEMS市场需求的工艺标准化 和“大规模量产定制化”相结合。MEMS面临的挑战(l) MEMS是一种微机械结构尽管 MEMS和IC在外顾封装上有相似性，但是实质上MEMS 作为一种器件在电学设计,制造工艺方面与IC是不同的，一般被看做 是微机械结构,毕竟，微缩化的传感器瞰行器在微小尺度下表现出 与大尺寸下不相同的机械电子性能虽然这种微型化的MEMS制造工艺采用了 IC技术才得以实现，但它们不是花。IC实际上是平面器件，由数百道工艺步骤并在数十个特定的平面

4、层上使用图案化模板制造而来，其结果是预定义的导体和半导体元件、 无源和有源器件，表现出特定的电学或电磁学功能来实现模拟、数字、 计算或存储等特定任务。这些基本元件（晶体管）在理想状态下是一 种纯粹的电学器件，在所有的IC应用及功能方面都是共通的。相较而言，MEMS是一种三维的机械结构。通过建立在硅工艺基础上，MEMS是工业及科学领域微米级别的引擎、齿轮、仪表和泵。 相比传统的大型器件”，微型化的MEMS器件能够应用在手机、汽 车、手表以及电子书等领域。IC通过单一工艺即可支持整个产品世代。基础元件，即晶体管， 在所有器件中均通用；单一制造工艺即可用于 IC的整个世代。而 MEMS除了采用相同的

5、硅材料外，并没有统一通用的元件，这意味着 必须根据每个单独的产品来采取不同的工艺策略。应对MEMS的挑战 以及对其作出的承诺是能够针对每一个MEMS产品提供独特的制造工 艺。(2) One Product, One ProcessMEMS市场研究公司Yole Developpement将MEMS的这一 特点总结为“One Product, One Process,*，一般来说，这说 明了 MEMS真正的天然属性(相关新兴的平台解决方案将在下文中描 述)。MEMS展空N不同于,它的平台开发时间超过5年，但是 却能够满足数百种产品的需求。MEMS所面临的的挑战是有效率地为 每一位客户每一个产品开发

6、对成的MEMS工艺，并能够实现产品量产。 从表面上看，针对单个产品进行的MEMS工艺开发时间及成本非常巨 大，而MEMS晶圆代工产业的重点就是尽可能减轻这种负担。(3) 设备依赖性MEMS发展所面临的挑战包括独特专有设备的开发.深反应离子 刻( DRIE )S-个很好的例子，DRIE通过精密刻蚀硅材料，严格 控制深度,宽高比及侧轮廓来实现3D结构,刻蚀可深可浅，而且可直蚀k 、-以涉及到刻蚀晶园的任意比例。此外，如下面的扫描电子显微镜图片 显示，DRIE可刻蚀出垂直负锥形或正锥形的岫开发这些刻蚀工艺的关键参数需要特定的MEMS工艺工程，并只 能依赖专门的设备来积累丰富的经验。这些设备与通常的D

7、RIE不同， 而且不同设备之间的关键参数也不相同，因此MEMS工艺开发对设备 的要求非常敏感(类似于IC工艺，一旦某种MEMS器件的工艺参数 开发成功并经过验证，设备的重复性及量产质量控制通常都是非常优 异的)。(4) 早期的设计工具IC从EDA/CAD发展历史中获益。如今复杂的自动化设计及工艺 /器件仿真能够通过计算机来实现复杂IC设计,电源信号完整性、 逻辑功能和热管理方面都可以在EDA环境中给出详尽分析这是由获 得广泛应用的开发工具特性所决定的，总体而言适用于IC，尤其是特 定的代工工艺流程。对MEMS设计来说，EDA开发环境并不是这样。这主要是因为“One Product, One P

8、rocess”定律，另夕卜一个原因是MEMS产业 相对来说较年轻，产业规模相对较小(相对于整个IC产业，MEMS规 模不及其10% )。但是需要说明的而是，EDA工具仍对MEMS器件 设计有作用。有效的MEMS EDA开发环境能够精确定位MEMS结构 的物理和电学性能。请记住，MEMS主要特点是种机械结构，MEMS 对微小差异的东西高度敏感，比如刻蚀形状、薄膜厚度、弹性和共振 模式等。即使如此，在MEMS物理模型及工艺仿真方面仍做出了许多努力 取得了很大进步。工艺工程需要精准的仿真模型，而对于此的投资可 以避免工厂中产品开发过程中浪费过多的失败成本及时间。(5) “博士级别问题(PhD Lev

9、el Problem )”、导畿勺ea剧甘噩孕各工阳乃盼箕蠹圈、绥丑逐星扁&事绸目等 1 (，唤翼Tie御)解蛔勃藏阜映华H4W!研港B皆TK咨四剧挈聿ssaooud euo fpnpojd冲fig!H摩蛔曜章涮g恤恒汕目-AjpunojU口耕AQU5 2g5叫Sfiu却挣LQ户冲口厢jsoSoipoooiMEesnamporkE?爵回|!割杆料“附洲缩1 SN3N岫翼口瑾袍呻明一F解嗣HIHW SN3N 斜mogeuiS(T) 眦测停翼H御Wliapeuis FdlE JU5lE8eiLI|ISL公巳佝。，iua)sAs祯串略IM即SN3N WWWTft，融隼 查星娓苜工口套牌脱骥槽 渣童岩

10、亦绥ffl虫甘即中亦鸟蠹到刮*里首量绥狂SN3N回区“ (uieiqojd |0A9i OMd )01奉吏岫0瞄H岬UH做董岷爨目垣SN3N，菜口k-%ws脚邮瓣m煎主壬勘目垣SN3N陶酬鼻物尊肇留陶单缰互弟申醉汕 SN3N积（特别是在薄膜特性直接影响MEMS性能的地方，比如压电材料） 和晶圆封盖。光刻是另外一道需要经常调整的工艺（3。结构相对于普 通的平面结构提出了独特的挑战），但是许多工艺步骤比如氧化、旋 转涂布、清洗、零掩膜对准等可以认为是通用的。Silex将这些分类命 名为SmartBlockTM，这些是工艺集成规划的起点。process uiing SmarlBI 口 ck elem

11、enharid pastn-(2 ) Blocks不是平台需要注意区分的是，SmartBlockTM并不是工艺平色 MEMS的特性决定了每个产品有着独特的工艺过程，此始终需要新的工艺开发和优化方法。同时，作为一个纯晶圆代工厂，Silex避开产品设计 或开发领域，因此我们可以与业界领先的创新者一起合作。Silex模式的唯一例外卜之处是能直接整合客户的产品。这些模式，比如说下面将介绍的Sil-Via? TSV技术，能为客户提供增值和差异化， 在项目定义及开发初始阶段即增加进去。（3）NPI及MEMS开发工艺合适的MEMS工艺工程需要严格的一套方法论，包括与客户内部产品设计与开发流相配合进行工艺开发

12、、性能表征、工艺认证及产品 产。然而工艺与产品不能是单独开发，需要协调整个项目中制造工 艺与产品性能相互依赖的特性。Silex定义了一套标准的工艺流程，并 且必须贯穿整个项目的工艺开发过程.我们称之为New ProcessIntroduction工艺（州1）,总的架构如下所示,需要注意的是，多:MEMS公司（包括晶圆代工厂及IDM厂商）拥有类似的方法，通，即 TDP，都具有相常被称为 Technology Development Process似的设计,开发和认证等进展性概念。关键工艺过程需要与客户在项目开始就一起讨论，并就双方资质标准达成共识从而做出合适的项目计划及资源预算。Frodijc

13、tfonCapobiit/ PlanI二ml心 Pl jrn 弥可| l-napjProduction BuildsContinuoij?i mproverrtentReliubil ly moniioringVi eld.i mpruven&riprograrnsFrofof/peDfMEAPn-kaginri crsdPilot ProcfuctronOucility Flan?dc Sevt&wC ot C ReievwFrolotyp-e 酣肥 sManufcctjnngInte.qratioin 卢后门PCM trfecHoenessl?PConccpfi fiu1dtWdtiufd

14、-clLMfihriilv fteviewPFMEAPEbl Build*PCM PlanUSA PlanTSI： Silex硅通孔绝缘层工艺平台PtodLbC Nor 匚onfrpl PionIS-monthForec-ast区域TSI，即 Through-Silicon Insulation，是通过 MEMS 技术在硅 照片上生成电介质隔离区域。利用DRIE实现的高宽比和垂直的侧壁， 能够在硅片中形成沟槽并延伸贯穿于硅片中。经过TSI处理后的晶圆把单晶硅用高质量的绝缘沟道隔离开来。这 种结构是TSI的基本，并构成了 Silex技术的基础部分。TSI曾被用来和DI或SOI相比较，比较结果非常

15、相近。TSI又被 称为垂直SOI”，因为与SOI非常相似，通过在单晶硅之间生成一 个绝缘的隔离区。而与SOI不同的是，TSI在硅晶圆中是在垂直方向生 成隔离层。另外，它又类似于DI工艺，在SOI器件层上生成介电层， 用来制作类似于二极管阵列的器件。而与DI不同的是，TSI完全贯穿 于整个硅片：经过TSI工艺的硅片标准厚度为430um，厚度足够用于 整个MEMS或CMOS步骤，而无需其它载体或加工。这种机械强度 使得TSI在晶圆级工艺处理上非常有用。当然，MEMS是一种机械结构，MEMS结构能够用于整个体硅当 中。这与IC不同的是，IC主要关注的是电路元件在硅片表面10um或 20um的工艺线宽

16、。MEMS晶圆仍然有大部分与IC工艺相似（比如注 入、扩散、热处理或薄膜沉积等），只是在深度刻蚀、复杂3D结构生 成、晶圆键合、剥离、氧化或硅释放、及贵金属加工方面存在一定挑 战。任何TSI过程，都会有一系列工艺挑战，这些也是Silex技术支持 的核心内容。（1） Sil-Via? TSVTSI工艺是在在2003-2004年期间Silex为一个大客户设计通孔 硅（TSV）过程中开发而来的。这位大客户需要TSV解决方案：先通 孔（TSV优先于其它工艺步骤）,高密度（器件尺寸小）高可靠性 （最终应用于智能手机）。当时传统的TSV技术是通过多晶硅填充（不能满足客户低电阻及 可靠性的要求）或是金属填充

17、（与硅TCE失配，造成可靠性不佳）。 Silex的解决方案是采用高度掺杂衬底，通常是磷掺杂至1-3mQ-cm 或更低，并利用TSI在单晶硅之间形成通孔。由此产生的结果是形成一个单晶硅片，整个TSV硅片中的通孔尺 寸为100pm直径x430口m厚度，典型电阻值0.5-1Q。单晶硅的构造 （形成的本身晶片材料）非常完美的与晶圆相匹配，消除了 TCE及可 靠性问题。TSI刻蚀所形成的间隙由特定的绝缘材料填充，并通过周围 基板的处理达到TeraOhm量级。Sil-Via TSVs技术已经成功该应用在MEMS工艺中，包括晶圆封 盖、2.5D及3D封装中的先进硅插层，将在下文介绍。它们可以支持 50pm的

18、通孔并在整个硅片上连续成孔。Sil-Via提供了一个平台来实 现高度集成，比如ESD保护的二极管及功能性中介层解决方案。(2 ) Met-Via? TSV硅通孔技术（Sil-Via ）最初发布的时候强调的是能够满足量产、 成本、可靠性方面的需求，从那时起，TSI已经被用于支持金属硅通孔 工艺。通过垂直的隔离层来保护TSV侧壁，Silex向市场推出了全金 属TSV来满足广大客户对低电阻高频率的要求.另一家瑞典公司取 得?AC Microtec公司XiVia?技术授权，推出面向航天级应用高可靠性的封装解决方案。Met-Via技术原理是通过两个连在一起的DRIETSV，进行两次侧壁RDL电镀铜并密封

19、来实现高可靠性金属TSV。XiVia通过一个“锁定销（locking pin）来解决冷交替（ThermalCycling）问题，电镀空心销TSV额外的延展性又能够解决热膨胀系数不匹配的问题。代工模式的演变(1 )无晶圆厂vs IDM模式IDM厂商通过in-house产品及制造资源控制了设计和制造业氤 全球市场份额最大的那些MEMS公司(比如STM. Bosch. Freescale等)也是从业时间最长的一反映出这些领先厂商在 MEMS设计和工艺方面的长期积累才获得了市场上一席之地。MEMS代工厂需要面对比IDM厂商更艰巨的挑战。IDM能够自由地为MEMS设计简化工艺流程，而MEMS代工厂为一系

20、列MEMS 项目提供服务，正因为如此，需要同时进行开发工作。比如说Silex通 常在同一时期服务5060家客户，过程包括从早期开发到最终实现量 产。这种模式的演变是因为对于大厂之外的MEMS公司来说，建设工 厂和维护运营的成本太高，MEMS应用的爆发式增长需要能够支持创 新的产业生态系统。1Foundry InfrastructurelorKW and productionXtnr-T IJ影响MEMS市场化的关键因素是复杂的：工艺的复杂性及设计的 多样性。而MEMS产业仍然被各环节的创新向前推动，包括材料、工 艺、器件结构等方面，对这些复杂因素的管理是提供MEMS制造服务 的关键差异化之一。

21、同时，这些复杂因素带来巨大的挑战，MEMS工艺从相对简单演 变到多样复杂，最简单的工艺从认证到量产可以在34个季度完成， 而复杂的工艺从开发、表征到最后量产基本需要34年的时间。因此 MEMS行业内有着固有的张力，给晶圆厂提出的挑战是必须以最有效 的方式实现工艺开发。(2)晶圆代工走向“类IDM”MEMS 需要不断新, SmartBlock针对不同产品的进行独特工 艺开发及NPI计划能够最有效的实现产。不断致力于扩大标准工艺 库，比如SmartBlock关键步骤是提升整个开发能力的有效途径,像 Silex这样的晶圆代工厂拥有丰富的工艺整合经验，能够应对工艺开发 带来的科匕战满足广大客户的需求。

22、前面提到，MEMS市场的爆发式增长意味着我们必须突破博士 级别问题(PhD level problem)，使得MEMS更加容易。事实上， 并不是每个人都需要最先进的MEMS工艺，不断增长的客户正在为其 终端产品寻找客制化的MEMS产品。Silex能够与设计公司一起合作， 向市场提供、开发并支持灵活的产品平台。新兴的商业模型是在MEMS设计阶段即定义好产品工艺，以致于 工艺特定容差及性能表征能够集成到设计规则和仿真过程中。本质上， 这是在参考IDM从工艺到产品共同发展的模式并参考应用到MEMS代 工模式上。关键的区别在于，后者晶圆代工厂与MEMS设计公司各自 保持独立：从最初即保持合作，并在客户

23、服务和制造支持上相连接， 但是又保持晶圆厂与设计公司的独立性。在IC产业中，利用晶圆代工 厂的资源支持IC设计公司的发展取得了有效地促进了整个IC产业的增 长。同样地，在MEMS产业中类似的模式对于MEMS产业的发展非 常关键。Silex已经采用这种新型商业模式并预计在今年能够推出支持并推 广这些新的设计平台。我们相信这是 MEMS代工模式的转折点和 MEMS前沿技术的创新点，同时将释放一个新兴的潜在增长点。这种 商业模式的关键因素包括：与无晶圆厂公司相结合的MEMS设计服务模式产品设计专业知识早期代工参与 EDA开发 IC设计与开发封装测试解决方案系统集成能力为合作伙伴提供协同工程解决方案的

24、新型生态系统特定产品平台的兴起使得MEMS产品快速上市随着0泌 product, One process” 定律被打破，与MEMS相 关EDAT具将不断成熟总结MEMS仍将是一项创新的业务，产品研发依赖于独特的产品设计 和结构，并且需要在代工环境中验证用户定制设计的工艺。MEMS工 艺开发具有独特的挑战，不像传统IC和晶圆代工产业那样持续地改进 开发系统和工艺以尽可能实现时间和成本效益。例如Silex的SmartBlok方法面向工艺集成，通过集成更多的实用功能给客户带来附加价在爆发性成长的应用领域中，MEMS正挑战突破“One product, One process定律，并以某种方式克服在MEMS设计和研发中的“博士级别问题”。一个新兴的模式正推动MEMS产业发展，如利用 预定义的工艺流程和独立设计公司建立的产品特性平台来服务新的终 端客户。像这种代工模式的创新演变正促使MEMS代工模式不断成长， 满足日益增长的新型MEMS产品需求。