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解析CMOS-MEMS技术发展与应用现况(上) |
半导体与微机电的科技结晶
【作者: 鄭英周,戴慶良,張培仁】2003年07月05日 星期六
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一般而言,微机电元件制造技术大致可区分为三类,即:
- (1)体型微加工(bulk micro-machining):利用矽晶的晶格方向对各种化学药品的蚀刻选择性予以雕塑成形,如对基材进行等向或非等向干式/湿式蚀刻等,而基材材质主要是单晶矽及Pyrex玻璃、PMMA或其他高分子材料等,部分会用到石英或PZT、ZnO、AlN等具压电性材质。
- (2)面型微加工(surface micro-machining):传统半导体制程中薄膜之成长与蚀刻来便是利用表面微细加工方式来建构所需之元件结构,此外如著名的MUMPs和美国圣地牙哥国家实验室(SNL)之微机电制程技术即属此类。其薄膜材质主要是多晶矽(poly-silicon)、氧化矽(silicon dioxide)或磷矽玻璃(PSG)、氮化矽(silicon nitride)及各种金属如铝、金、铜等。近几年也有用到钻石、碳化矽(silicon carbide)、PZT等薄膜。
- (3)LIGA、微放电加工(micro-EDM)、准分子雷射等方式:LIGA是利用X光进行厚膜光阻曝光,并利用电铸、热压或旋镀等技术翻成子模,再利用子模制作成最终金属或陶瓷元件。如德国IMM公司便为使用LIGA制程来发展微元件的著名厂商之一。其优点是可以得到1 mm以上高深宽比(aspect ratio)的结构,缺点是必须利用同步辐射光源进行曝光,仪器设备建置非常不容易且昂贵,因而其应用尚不普遍,且在1 mm厚度以下有逐渐被UV-LIGA取代之趋势。微放电加工(μ-EDM)为利用放电及化学蚀刻进行基材加工;而准分子雷射(excimer laser)则是利用雷射之局部高能量密度光束将不要的基材移除。两者之优点均为不需光罩,且若配合精密定位控制系统的话,便能制作精密之三维结构。
- 综合以上较属“分立(distribute)”之方式,可制作出外形精巧且制程富弹性之微装置(所谓“distribute”;即在无尘室自行施行曝光、显影、蚀刻、电镀等之微加工步骤),不仅赋予研究人员无限的创意挥洒空间,同时也很适合于针对不同用途之微元件雏形开发;事实上无论是国内外各大学或是较大规模的微机电系统研发单位,亦多半采用此种方式来设计、制作微机电元件,然而此种做法极需具备较丰富制程经验的制程工程师和适用于多样性材料之优良机台设备等要素,且于微元件设计或是制作的初期,最好能够兼顾未来控制(驱动)电路外接时的开发成本以及制程条件控制之一致性等之考量,目前这种方式多半通称为混合(hybrid)之制作方式;(图一)为一般hybrid之成品照片,其中(b)、(c)分别为SensoNor以及CSEM所研制之微机电微加速度计。
《图一 以hybrid方式整合之微机电系统装置.》 |
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前述制程方式在微机电元件的发展上均扮演着举足轻重的角色,绝佳的制造弹性和产品性能更是让研究人员对其未来发展深具信心,然目前科技发展趋势着重整合度和微小化,因而考虑到前述几种制程均较难以将微机电元件与积体电路同时整合在同一晶片上;其须采用打线(wire bonding)或覆晶(flip chip)、MCM(multi-chip module)等方式将两者封装在一起,虽说目前许多已商品化之微机电元件采用此方法,但有许多低杂讯、高性能元件由于需要:(1)降低杂讯:如Analog Devices之加速度计及MEMSCAP之微波被动元件;(2)降低外连线接点数:如德州仪器(Texas Instrument)之DMD、室温红外线摄像仪及600 dpi以上之喷墨头等,则均必须将微机电元件与积体电路尽可能地整合在同一晶片。也就是说,所谓CMOS-MEMS(CMOS-Compatible MEMS)实为将标准CMOS积体电路与微机电系统两者充分整合的发展技术。此种方式一般通称为monolithic integration之方式,如(图二)为瑞士苏黎世大学物理电子实验室(PEL)单晶片红外线感测器雏形之照片。
《图二 以monolithic方式整合之微机电系统装置(PEL IR sensor)》 |
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CMOS-MEMS之制程相容性探讨 ... ...
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