MEMS的未來 材料將更加實(shí)用化

在國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)看來，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)在近幾年來的半導(dǎo)體領(lǐng)域中成長(zhǎng)最快速，那么如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)MEMS的未來？在了解MEMS組件的歷史，并查閱有關(guān)MEMS最具創(chuàng)新性的500篇學(xué)術(shù)論文后，MEMS設(shè)計(jì)與開發(fā)公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC創(chuàng)辦人Alissa Fitzgerald在今年的MEMS與傳感器高峰會(huì)議(MEMS & Sensors Executive Congress)發(fā)表演說時(shí)分享對(duì)于MEMS未來發(fā)展的樂觀看法與預(yù)測(cè)。

Fitzgerald 認(rèn)為，“下一個(gè)十億美元的產(chǎn)品就潛藏在大學(xué)的研究文獻(xiàn)中。”2017年的學(xué)術(shù)論文中揭示了有關(guān)被動(dòng)式和近零功耗(near-zero)的傳感器，以及基于紙類和塑料的方案取代昂貴硅基方案作為消費(fèi)應(yīng)用和一次性使用的特殊產(chǎn)品等最新進(jìn)展。

A.M. Fitzgerald對(duì)于MEMS的未來發(fā)展成竹在胸，他們致力于將新穎的學(xué)術(shù)和創(chuàng)業(yè)想法應(yīng)用到小型MEMS晶圓廠中，并使其從中受益，就像使用Soitec的商用硅和絕緣層上覆硅(SOI)晶圓的Rogue Valley Microdevices (RVM)公司一樣。

圖1：MEMS設(shè)計(jì)與開發(fā)公司A.M. Fitzgerald & Associates創(chuàng)辦人Alissa Fitzgerald在SEMI 2017年度MEMS與傳感器高峰會(huì)議上發(fā)表演講

Fitzgerald在演講時(shí)談到了MEMS技術(shù)的歷史淵源，最早可以追溯到1980年代酸蝕刻三維(3D)力傳感器的發(fā)展，這致使Kurt Petersen發(fā)明了基于塊狀硅微加工技術(shù)的壓力傳感器。該壓力傳感器最終實(shí)現(xiàn)了噴墨噴嘴，并促使數(shù)字光處理(DLP) MEMS的出現(xiàn)，很快地也有了第一家廠商使用來自ADI的加速度計(jì)觸發(fā)安全氣囊，這比傳統(tǒng)的管內(nèi)球機(jī)械絆網(wǎng)式技術(shù)更迅速。

“從那時(shí)起，博世(Bosch)的深度反應(yīng)離子刻蝕(DRI)制程開啟了一個(gè)全新時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)MEMS陀螺儀。薄膜體聲波諧振器(FBAR)，以及MEMS壓電和氮化鋁(AlN)薄膜的廣泛使用，也催生了我們今天擁有的各種MEMS組件?！?/p>

Fitzgerald說，另一個(gè)重要的發(fā)明是“精確對(duì)準(zhǔn)的共晶接合(eutectic bonding)，使InvenSense能夠?qū)⒆约业?a target="_blank">ASIC晶圓接合MEMS芯片，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)密封，因而無需額外的封蓋步驟?！?/p>

圖2：RVM創(chuàng)辦人Jessica Gomez(右)(為A.M. Fitzgerald的設(shè)計(jì)進(jìn)行生產(chǎn))與Soitec業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Nazila Pautou(為RVM提供SOI晶圓)交駁光劍

據(jù)Fitzgerald表示，早期，ADI和博世等主要企業(yè)滿足了50%以上的市場(chǎng)需求，其余400家小公司瓜分剩余市場(chǎng)。但隨著智能手機(jī)的普及，龐大的消費(fèi)市場(chǎng)已經(jīng)使這400家小公司成為市場(chǎng)的主要力量。

那么所有這些消費(fèi)市場(chǎng)的想法來自何處？Fitzgerald認(rèn)為，在很大程度上可溯源至學(xué)術(shù)界，他們“在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室培育創(chuàng)意”，作為尋找問題的解決方案。A.M. Fitzgerald等機(jī)構(gòu)將學(xué)者們的想法落實(shí)于設(shè)計(jì)中，并發(fā)展成適于銷售的產(chǎn)品，為當(dāng)今全球兆級(jí)美元的消費(fèi)市場(chǎng)提供動(dòng)能。

圖3：在RVM晶圓廠中，工程師正在檢測(cè)MEMS晶圓；該晶圓是A.M. Fitzgerald采用Soitec的SOI技術(shù)設(shè)計(jì)的

展望未來、然后深耕細(xì)作，找出大學(xué)實(shí)驗(yàn)室正在育成中的技術(shù)。Fitzgerald在演講中表示，“經(jīng)查閱2017年500篇名列前茅的論文后，我們對(duì)其進(jìn)行了商業(yè)可行性篩選，預(yù)計(jì)有些技術(shù)將會(huì)改變?nèi)虻挠螒蛞?guī)則?！?/p>

未來的MEMS——紙還是塑料？

根據(jù)Fitzgerald的說法，第一批將改寫游戲規(guī)則的技術(shù)將會(huì)來自是FBAR和聲表面波(SAW)傳感器的新用途。

目前，F(xiàn)BAR和SAW技術(shù)主要用于射頻(RF)濾波器。Fitzgerald說：“根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，它們也可用于生產(chǎn)無需電池的被動(dòng)式傳感器；這種無需電池的傳感器在達(dá)到某個(gè)特定參數(shù)時(shí)，仍然能夠喚醒處理器。”此外，這種傳感器還能提供高度精確的極端溫度檢測(cè)，也能在壓力極限下發(fā)揮作用，甚至可以檢測(cè)特定氣體。

她說：“這些被動(dòng)傳感器非常適合惡劣環(huán)境，在這種環(huán)境下，你無法或不能更換電池；而且它們還具有提供零待機(jī)功耗的高性能。”

進(jìn)一步研究2017年的MEMS文獻(xiàn)后，她還發(fā)現(xiàn)了近零功耗組件，有時(shí)也被稱為“事件驅(qū)動(dòng)型”傳感器。它們類似于被動(dòng)組件，但使用非常小的μA級(jí)電流，在待機(jī)模式下功耗小于1pW。當(dāng)它們感知到特定事件發(fā)生時(shí)，就會(huì)自行喚醒并觸發(fā)應(yīng)用處理器。

圖4：A.M. Fitzgerald和其它MEMS芯片設(shè)計(jì)者可以使用基于純硅或SOI的8、6、4、3或甚至2吋晶圓(由右至左)

Fitzgerald舉例說：“美國東北大學(xué)(Northeastern University)已經(jīng)證明，近零功耗的紅外線(IR)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于波長(zhǎng)敏感的功能，還可以喚醒物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備或安全監(jiān)控器中的處理器。即使是應(yīng)用于大型數(shù)組中，它們?nèi)匀豢梢允褂眯⌒湍芰坎杉夹g(shù)作為備用電源?！?/p>

當(dāng)今許多新型MEMS組件使用壓電材料，不僅僅用于能量采集，而且還能實(shí)現(xiàn)寬音域(wide-range)微型揚(yáng)聲器、磁力計(jì)，甚至變壓器等應(yīng)用，而這些應(yīng)用都不需要授權(quán)高效率但昂貴的DRI制程。

圖5：在RVM位于美國奧勒崗州的晶圓廠進(jìn)行MEMS晶圓批處理

Fitzgerald說：“對(duì)于低廉的設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)來說，消費(fèi)市場(chǎng)業(yè)已成熟，因?yàn)樗梢酝高^大規(guī)模量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)一次性使用。”

同時(shí)，MEMS研究人員正致力于探索替代昂貴硅晶的方法。Fitzgerald表示，在2004年，全世界有90%的MEMS組件采用塊狀硅或硅基板的表面制造；但在文獻(xiàn)描述的下一代組件中，有一半是塑料或甚至是紙基板。

她說：“基于紙類的技術(shù)正日益取代耗資數(shù)十億美元的昂貴硅晶圓廠，特別是針對(duì)僅使用一次的拋棄式應(yīng)用，通常只需要價(jià)格不到1美分的傳感器。”基于塑料或紙基板的組件不像硅基組件那樣快速或精確，但其性能足以滿足短暫使用或經(jīng)常更換的消費(fèi)產(chǎn)品，以及一次性的拋棄式應(yīng)用需求。

例如，紙傳感器可用于檢測(cè)特定類型的細(xì)菌。這些組件能夠減少對(duì)于各種抗生素的需求，特別是因?yàn)樵S多抗生素可能促使超級(jí)細(xì)菌進(jìn)化。同樣地，紙質(zhì)的食品包裝可以嵌入紙基組件中，告知消費(fèi)者食品實(shí)際上是否已經(jīng)變質(zhì)，以取代當(dāng)今不夠精確的“有效期限”戳章。

圖6：RVM生產(chǎn)的最終MEMS芯片(此處為20個(gè)樣品)，已準(zhǔn)備好供應(yīng)客戶

Fitzgerald說：“預(yù)計(jì)在2020年以后，人們將會(huì)看到一系列壓電事件驅(qū)動(dòng)的新型傳感器；而到了2030年，我們將會(huì)看到紙類和塑料傳感器的大幅成長(zhǎng)?！?/p>

她說，內(nèi)建讀數(shù)的CMOS+傳感器設(shè)計(jì)仍然需要采用硅。但是，“隨著對(duì)于硅晶技術(shù)的研究趨緩，轉(zhuǎn)而青睞更便宜的紙類組件，硅晶技術(shù)存在停滯不前的風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>