MEMS IC和傳統(tǒng)IC的無縫互連集成技術(shù)

如果你正在尋求挑戰(zhàn)，那么就試試將微電機(jī)系統(tǒng)（MEMS）IC 和傳統(tǒng)IC 以及其它MEMS IC互連吧。MEMS 技術(shù)涉及到許多不同功能之間的高層集成。

MEMS 芯片的集成通常是指電子和機(jī)械功能的集成。那么這種工藝的最終目標(biāo)是什么呢？答案是：將MEMS 結(jié)構(gòu)無縫集成到與之相連的同一CMOS 芯片上。

目前的MEMS 芯片可能包含了電子和機(jī)械功能。在某些情況下，它們還可能包含光信號(hào)。這種被稱為微光電機(jī)系統(tǒng)（MOEMS）的器件采用微鏡引導(dǎo)高清電視中的信號(hào)，今后甚至?xí)龑?dǎo)互聯(lián)網(wǎng)上的信號(hào)。另外一種技術(shù)是硅片微通道（微流體），可以用來處理實(shí)驗(yàn)室芯片上的氣體、液體和納米顆粒，從而可能實(shí)現(xiàn)醫(yī)療領(lǐng)域的重大突破。

現(xiàn)在有一些傳統(tǒng)IC 使用貫通硅片通孔（TSV）來將芯片連接進(jìn)更薄的三維結(jié)構(gòu)。制造商正在開發(fā)相應(yīng)的工藝，以便在50mm 薄、300mm 直徑的晶圓上生成30 到50mm 直徑的TSV?？傆幸惶霻SV 會(huì)應(yīng)用到MEMS 互連領(lǐng)域。

基本原理

因?yàn)镸EMS 芯片必須放在空腔或其它不影響其機(jī)械運(yùn)動(dòng)的空間里，因此不能采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行封裝。芯片必須采用封帽或環(huán)氧包覆成型技術(shù)，不過不能用傳統(tǒng)的包覆成型技術(shù)，因?yàn)镸EMS 結(jié)構(gòu)不能被“鎖定”在位置上。另外，MEMS 芯片必須防止受到IC 技術(shù)常見的雜質(zhì)污染。裸模切割引起的殘?jiān)蜆?biāo)準(zhǔn)IC 工藝的高溫效應(yīng)對(duì)MEMS 芯片來說都可能是致命的。

另外，MEMS 芯片不能憑借自身提供任何功能。它必須連接到附加電路以及處理電路上執(zhí)行信號(hào)處理和其它功能才能發(fā)揮作用。這是因?yàn)镸EMS 工藝有別于CMOS 之類標(biāo)準(zhǔn)IC 工藝。在幾乎全是MEMS 芯片的支持電路中需要額外芯片，并導(dǎo)致許多可能的互連實(shí)現(xiàn)（參見“MEMS Meets ASIC”）。

根據(jù)MEMS器件的結(jié)構(gòu)特性，傳統(tǒng)的多晶硅處理工藝不能用來集成MEMS 器件和傳統(tǒng)芯片。多晶硅芯片處理要求800 度以上的高溫，如此高的溫度會(huì)損害甚至破壞MEMS 結(jié)構(gòu)。但可以處理400 到500 度左右溫度的低溫、back-of-the-line（BOL）硅鍺（SiGe）工藝則使MEMS 集成到標(biāo)準(zhǔn)硅基電子器件上部成為可能（參見“Low-Temperature SiGe Processing Advances MEMS Integration”）。

使用改進(jìn)型封帽材料正變得越來越流行，并且有許多技術(shù)可用來連接MEMS 器件和其它芯片。晶圓級(jí)和器件級(jí)封裝常被用來進(jìn)行MEMS 芯片的大批量生產(chǎn)，此時(shí)的芯片封裝要早于晶圓切割步驟。

有一種方法是在頂帽外面采用通孔和焊盤。在這種情況下，工程師可以使用晶圓級(jí)處理工藝，該工藝允許對(duì)頂帽材料和MEMS 芯片進(jìn)行同時(shí)切割。這種方法制造的芯片只有少量的線綁定焊盤。

另外一種方法是創(chuàng)建微型過孔，將MEMS 焊盤置于底部，并在只有很小空腔的MEMS 芯片上放一個(gè)常規(guī)帽，然后綁定芯片。許多涉足三維芯片堆疊的公司都在開發(fā)通孔工藝來創(chuàng)建硅微孔。再對(duì)微孔進(jìn)行電鍍，這樣做允許實(shí)現(xiàn)無源芯片堆疊。

上述工藝可以在晶圓級(jí)用氣密封接實(shí)現(xiàn)，可避免任何后續(xù)封裝步驟。事實(shí)上，在晶圓級(jí)封裝整個(gè)MEMS 芯片是可能的（圖1）。有時(shí)這被叫做零級(jí)封裝。一旦頂帽被置于合適位置，就可以使用傳統(tǒng)芯片工藝處理芯片封裝，甚至可以用液體分配或轉(zhuǎn)移包覆成型技術(shù)進(jìn)行封裝。

VTI 科技公司的玻璃硅封帽晶圓技術(shù)提供了大量寄生電容非常低、隔離阻抗高以及接觸電阻相當(dāng)?shù)偷酿佂祝╢eed-through）。硅面積通過玻璃晶圓從頂部接觸面延伸到底部電極。底部實(shí)現(xiàn)與MEMS 結(jié)構(gòu)的歐姆連接，并用作平面電極實(shí)現(xiàn)垂直檢測(cè)或激勵(lì)。頂部的金屬化表面也可以用來連接饋通孔或用于再路由。

在選擇封頂MEMS 芯片空腔的材料時(shí)密閉性是非常重要的一個(gè)參數(shù)。對(duì)高級(jí)密封性而言，空腔可以使用轉(zhuǎn)移成型封頂材料以及低溫共火陶瓷（LTCC）封裝。但高級(jí)密閉性對(duì)許多MEMS 芯片應(yīng)用（比如消費(fèi)類電子）來說要增加不少成本。

許多MEMS 芯片制造商選擇成本較低、采用轉(zhuǎn)移成型環(huán)氧樹脂和非密閉性塑料封裝的近似密閉方法。這種方法提供的近似密閉性能位于密閉陶瓷方法和非密閉塑料方法之間。這些公司采用類似液晶聚合物（LCP）的熱塑性材料，這些材料在受熱時(shí)會(huì)變形，當(dāng)熱量移走時(shí)會(huì)風(fēng)干變脆。

熱塑材料非常穩(wěn)定，因此可以使用能忍受300 度以上高溫的低成本注入模型。它們還具有很好的吸濕性，并能被融化和復(fù)用，從而實(shí)現(xiàn)回收利用。

熱塑材料的使用并不是新鮮事物了。ET-Trends 公司的總裁Ken Gilleo 表示，熱塑材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著長(zhǎng)遠(yuǎn)而優(yōu)秀的記錄，比如耐藥性聚合物做的支架和醫(yī)療植入設(shè)施。然而在MEMS 方面他們幾乎被忽略了。對(duì)MEMS 來說熱塑材料的優(yōu)勢(shì)和自然適合性非常明顯，他相信肯定有人在為MEMS 開發(fā)合適的熱塑材料。

目前業(yè)界正在向晶圓級(jí)封裝轉(zhuǎn)移，在整個(gè)封裝完成時(shí)MEMS 器件仍將處于晶圓格式。許多MEMS 專家認(rèn)為這種新興技術(shù)是非常理想的方案，它不僅使MEMS 芯片與其它芯片集成的工藝流水線化，而且降低了整體成本。

目前已有成功的例子。例如Tessera 的圖像檢測(cè)芯片，它采用的是公司的Shellcase 技術(shù)（參見“Razor-Thin Package Sharpens Image-Sensing Applications”）。象壓力傳感器、加速計(jì)和其它MEMS 芯片受益于晶圓級(jí)封裝只是時(shí)間問題。

Tessera/Shellcase 例子代表了將芯片堆疊成更薄的整體封裝結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)。不過真正的三維集成是另外一個(gè)挑戰(zhàn)，它要求互連方法能減少互連線的平均長(zhǎng)度，以便克服芯片越來越薄時(shí)性能受限的問題。

Tezzaron 半導(dǎo)體公司的垂直銅互連技術(shù)SuperVia 被廣泛用于MEMS 綁定/校正設(shè)備以及獨(dú)特基底的創(chuàng)建。據(jù)該公司透露，該方案的銅到銅綁定不僅滿足而且超過了互連的最小強(qiáng)度要求，甚至超過了典型的銅到二氧化硅（SiO2）接口的強(qiáng)度。

一些成功的商用案例

許多MEMS 芯片制造商已經(jīng)成功利用傳統(tǒng)的IC 處理工藝生產(chǎn)出帶信號(hào)調(diào)整電路的MEMS芯片。然而，這些工藝中有許多是自己開發(fā)的，或從其它成熟公司獲得的許可。

模擬器件公司（ADI）在十多年前就利用表面顯微機(jī)械加工技術(shù)率先開發(fā)出單片MEMS 加速計(jì)。在那以前，所有其它MEMS 器件都是采用大塊顯微機(jī)械加工技術(shù)生產(chǎn)的。ADI 則采用了biCMOS 工藝，其中MEMS 結(jié)構(gòu)與信號(hào)處理電路緊靠著排放。

首先，選擇性蝕刻被應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)IC 光刻工藝。然后在多晶硅層沉積一層犧牲性氧化層。生成的三維MEMS 結(jié)構(gòu)就懸浮在基底上。biCMOS 工藝被廣泛用于信號(hào)處理電路（圖2）。

Akustica 公司的單片CMOS MEMS 麥克風(fēng)芯片包含一個(gè)金屬化層，該層被引出后連接到獨(dú)立制造的CMOS 信號(hào)處理電路。制造工藝的最后一步是去除犧牲性氧化層（圖3）。

SiTime 和Bosch Sensortec 在MEMS 芯片和信號(hào)處理電路商用化方面也取得了成功。SiTime采用了Bosch 許可的MEMS First CMOS 工藝。據(jù)此將帶有溫度補(bǔ)償電路的MEMS 時(shí)序電路集成進(jìn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝中（圖4）。

Discera 公司也成功制造出了MEMS 時(shí)序電路。但與Bosch 和SiTime 不同的是，Discera 在CMOS 信號(hào)處理電路制造完成后將MEMS 結(jié)構(gòu)放在下面。最近該公司還推出了一個(gè)可編程的雙芯片MEMS 時(shí)序電路。MEMS 諧振器被放在封帽后的結(jié)構(gòu)中，再利用晶圓級(jí)工藝將信號(hào)調(diào)整ASIC 通過線綁定互連到諧振器結(jié)構(gòu)。

更成功的MEMS 芯片商用化案例之一是TI 公司的數(shù)字光學(xué)處理（DLP）技術(shù)。TI 的MOEMS數(shù)字微鏡器件（DMD）采用的就是這種技術(shù)。DMD 芯片已經(jīng)成為屏幕對(duì)角線長(zhǎng)度在60 英寸以上的家庭影院、背投、高清電視的基礎(chǔ)。然而，MOEMS 在互連和封裝方面遇到的挑戰(zhàn)比MEMS 芯片更為艱巨（參見“互連MOEMS 芯片”）。

微流體（microfluidic）挑戰(zhàn)

互連MEMS 芯片的挑戰(zhàn)已經(jīng)夠大的了，但與互連微流體MEMS 相比就算不了什么，后者要求非常專業(yè)的封裝和電路板。微流體的要求比MEMS 芯片及其電子互連高得多，需要采用類似鉛制造的方法來處理液體、氣體和固體?？傊鼈兺ǔＰ枰黧w連接器和耦合以及光通道（圖5）。

互連這些微流體芯片的最佳方法是使用壓接互連至用聚二甲基硅氧烷（PDMS）成型的微流體通道。首先，在PDMS 上鉆一個(gè)小洞，并用一個(gè)微型針接入成型或埋入的微通道。然后用另外一個(gè)針插進(jìn)小孔，建立無需綁定或成型的到微通道的直接連接。這些針隨后可以很容易地被多次插拔，因?yàn)槊芊馔耆且揽棵總€(gè)針周圍的PDMS 壓縮實(shí)現(xiàn)的。