挑战和机遇在制造、测试和部署日益复杂的微机电系统。
半导体工程坐下来谈论未来的发展和挑战微机电系统(MEMS) Gerold Schropfer, MEMS产品和欧洲业务主管林研究的计算产品组和米歇尔·伯克,战略营销高级总监林集团的客户支持业务。以下是摘录的谈话。
SE:在过去,MEMS设备要么是高容量的商品,或容量、高度专业化的设备。这是改变吗?
Schropfer:在早期的微机电系统行业,汽车行业新的MEMS技术的主要推动力。例如,福特收购工厂建立自己的早期MEMS加速度计。入口的智能手机在我们的生活中,MEMS市场转变成为由消费者驱动的应用程序。虽然汽车的成本压力高,它成为了智能手机等消费主导型市场高得多。除了这些大量消费者和汽车应用中,总是有大量的专门的应用程序使用一个低到中等MEMS器件的体积。我们今天看到的是一些安全性至关重要的汽车应用程序被推到消费者成本模型,同时消费产品可靠性要求越来越大。例如,RF MEMS开关用于天线调谐的客户级智能手机不能经历早期失效,特别是如果它被数百万或数十亿的用户。
SE:这是什么意思的经济学MEMS设备吗?
Schropfer:新的MEMS产品,可以利用现有的流程平台更容易给市场带来新一代产品,需要一个全新的制造技术。(这不包括芯片重新设计或适应现有的制造流程)。一般来说,MEMS更难以商业化MEMS传感器,特别是如果你需要包括机械接触产品。这些联系人需要特别注意在设计、工艺开发、和材料选择阶段保证可靠运行。整体工程方法需要加快发展MEMS驱动器和传感器,使优化的设计和制造技术在同一时间。
SE:你看到什么新市场对MEMS,改变现有的市场是什么?
布瑞克:MEMS设备地址的市场主要是一样的他们总是——消费电子产品和汽车。消费电子市场仍是关键驱动因素从增长的角度来看,新的和不断增长的使用新兴。未来的技术,如micro-speakers和气体传感,今天有一个小市场,但当移动设备采用较大的增长潜力。气体传感和环境传感器目前被用于汽车引擎管理和监控环境,但一个更大的市场将会采用气体传感器在智能家居环境中,和潜在的手机。MEMS-based振荡器是一个设备的工厂迁移到批量生产。其他新市场包括:
SE:在过去,MEMS设备要么是高容量的商品,或容量、高度专业化的设备。这是改变吗?
布瑞克:当我们想到低体积,高度专业化的我们想到航空和空间应用程序。大容量MEMS设备一般惯性MEMS器件和射频滤波器技术驱动的。制造这些设备的技术继续发展,这个发展制造业的技术挑战和更多的要求。
SE:很难开发一个比另一个MEMS装置吗?
布瑞克:终端市场可以做一些设备难以获得批准,如生物医学和汽车。这取决于你需要做认证设备。可靠性要求是什么?多么复杂的流程需求满足设备规范?它是多么简单测试设备以迭代设计?作为一个例子,惯性MEMS设备需要经过整个制造过程和在真空下了解设备性能。
SE:现在使用MEMS设备在安全至上的市场,如汽车,需要有更多的关注安全、可靠性,甚至潜在的安全。的影响是什么?
Schropfer:微机电系统产品在安全至上的传统应用程序。20多年来,MEMS已经被证明是一个非常可靠的技术。我开始我在SensoNor工业1998年的职业生涯,第一个公司开发和生产汽车应用,微机电系统包括加速器安全气囊碰撞检测和压力传感器对轮胎压力监测。这些用途都是真正对安全性要求苛刻的应用程序。硅是一种奇妙的MEMS装置的材料,提供高度的机械可靠性。
SE:变异等问题、包装、死转变和测试?
Schropfer:问题是MEMS是否可以安全可靠,而是如何证明和描述这个安全性和可靠性不花多年的开发工作。我们看到越来越多的需求我们称之为“数字MEMS产品资格。“可变性材料特性和制造过程可以被认为是早期的MEMS产品开发周期,如果这些属性特征明显。我们可以减少预测和排位赛MEMS市场引入MEMS装置的性能,包括差异问题,在开发周期的早期使用虚拟实验。安全性和可靠性分析绝对是一个实验的一部分,包括失效模式等方面调查和应用程序的虚拟冲击测试。
布瑞克:第一个MEMS装置,通常我们都引用气囊传感器在汽车,所以它是安全的说,他们一直在安全至上的应用程序使用。在汽车驱动与设备相关的零缺陷在车辆注册。这将继续作为自治的程度增加,这在某些情况下意味着一定程度的可达(1 1亿年)性能方面的失败。这一挑战意味着潜在缺陷的减少归因于MEMS制造过程可能导致在职失败。
SE:从200毫米到300毫米完成吗?它是更好的过程控制和更高的体积,或有其他好处吗?它如何影响收益率?这需要全新的晶圆厂设备吗?
布瑞克:它允许集成先进的ASIC,只能在300毫米的地方。也有改善设备性能的300毫米的工具,因为它们通常为一个更高级的(小)技术开发的节点。此外,你会得到大量的经济学或降低成本或large-die应用程序。例子将麦克风,称为",PMUTs。另一个潜在的好处是可升级性300 mm晶圆厂内的设备,所以并不是所有的晶圆厂需要新设备。但重要的是要认识到,现在许多300 mm晶圆代工厂制造MEMS设备,所以工具集已经到位。
SE: MEMS市场自成立以来一直处理异构包装问题。这会如何影响压力,潜在的热失配,和物质纯度?
Schropfer:包装,仍然是一个公认为MEMS-enabled产品商业化障碍。微机电系统组件的包装包装的ICs有极大的差别,这主要是因为MEMS装置的功能包的影响。MEMS器件通常包含移动部件包影响非常敏感,并可能经常需要以某种方式与环境交互。这使得MEMS设备极易受到基于包的机械和温度应力。
图1:异构与MEMS设备包装。来源:林的研究
SE:所以这是如何影响包装设计?
Schropfer:MEMS开发人员必须考虑包的影响作为MEMS设计的一部分,或风险解决包装问题多昂贵的设计和制造周期。一种解决方案是将包效果在紧凑或行为模型在MEMS器件的设计,而不是简单地进行有限元分析在设备上。不仅是仿真时间减少,但更复杂的模拟(如蒙特卡罗分析、虚拟测试或瞬态模拟)可以包含在这些包装效果。MEMS工程师可以使用这些紧凑或行为模型研究各种复杂的MEMS设计的相互依赖关系,如温度漂移的依赖,频率变化,和包装设备的响应外部刺激如噪声源、振动或冲击载荷。
SE:有工作进行改善MEMS设备的精度,特别是惯性和陀螺传感器。这是怎么做的?你如何处理漂移等问题,干扰其他设备(特别是与传感器融合),和衰老(长寿命)?
Schropfer:提高MEMS惯性器件的精度,需要考虑一个完整的研发链,从概念开始,在结束生产。只关注设计制造之前,或只在设计完成后的生产过程,是不够的。所需要的是一个早期的探索设计空间和过程开发选项一起优化设计和过程阶段,和提高精度、电气性能、可靠性和产量。
SE:你能提供一个例子吗?
Schropfer:大多数MEMS惯性传感器,如MEMS陀螺仪旧村,使用结构传感和驱动,使用包括高纵横比战壕用深蚀刻加工、制作等深反应离子。这些战壕的详细的侧壁概要文件对设备的性能和产量产生重大影响。不对称或MEMS陀螺仪的侧壁剖面的变化会导致正交误差,并导致不可接受的产量损失由于机械交叉耦合。变化几纳米侧壁概要文件是至关重要的,但通过计量难以衡量。正交误差之间的关系和结构(伪造)资料是很难理解不深设计知识,导致不确定性腐蚀配方调整。侧壁概要腐蚀过程不仅取决于配方,但强烈影响的几何设计——所谓的模式的依赖。最后,MEMS装置的电气性能是成功的最终测量。
SE:这最终可能增加了时间和成本。解决方案是什么?
Schropfer:整体和并行工程的方法是要求考虑过程和设计优化在同一时间。电气性能预测的MEMS惯性传感器的需要了解设备设计(几何)和材料和工艺参数。你需要co-optimize设计和制造过程,如果你想提高性能,收益率和MEMS惯性传感器的可靠性。这涉及到一个并行工程的方法。你需要合作伙伴具有较强的设计和制造技术如果你想要更快的上市时间,提高了精度和性能,可接受的收益率。成功的关键因素之一是使用MEMS器件建模连接电气测量结果物理参数,以允许单位流程优化。模型可以预测设备电气之间的翻译结果——例如,抵消或补偿电压和物理几何图形,如侧壁角或CD的损失。这些预测可以用来选择正确的实验进行的工厂,减少整体连续运转。
布瑞克:随着惯性MEMS器件的发展,努力提高性能,需要工具/过程性能接近我们所看到的从一个领先的半导体器件的性能。正交误差和共振频率惯性MEMS器件的性能直接关系到整个深反应离子刻蚀过程的精度。作为设备的周期很长,因为最终的结果需要设备被真空下,林和Coventor已经与我们的客户合作,减少周期时间,不断提高这些过程的精度。
SE: RF MEMS开关是一个新领域。为什么我们需要它们?这将解决什么样的问题?和什么样的新问题出现吗?
Schropfer:我们看到上升对RF MEMS开关的需求在下一代通信系统和智能手机。由于他们的机械特性,RF MEMS开关有几个优势竞争力的技术,包括电阻很低,当关闭,打开时非常高电阻。应用程序众多,包括可调滤波器,MIMO天线,触觉广播和RF ID。这并不是一项新技术。RF MEMS开关的发展开始超过20年前,但市场的成功是有限的,只有少数公司成功地商业化RF MEMS开关。商业化的一个主要障碍是与可靠性有关。射频开关需要生存数十亿驱动周期。许多第一代MEMS开关是基于欧姆接触。发现材料是一个巨大的挑战,难以维持大量的切换周期,同时关闭时软足以让良好的欧姆接触。RF MEMS开关需要一个全新的制造工艺,完全不同于惯性传感器和基于机械材料的复合层。可靠性问题包括电气和机械应力在这些复合材料,随着温度依赖性和敏感的冲击和振动。
SE:有什么变化?
Schropfer:RF MEMS开关可以表现出动态非线性行为,和理解这种行为和相关的设计/制造约束对商业化这些设备是至关重要的。拉片(关闭),发射(开放),频率滞后和瞬态行为非常敏感设备尺寸和过程变化,和性能和产量的关键。你需要了解你的动态行为MEMS-based开关才能设计系统,包括不仅MEMS芯片,其他集成电路和射频组件。这需要使用现实的而不是理想化的设备模型。我看到一个令人兴奋的未来RF MEMS开关。而发展仍然是具有挑战性的,存在许多障碍,20年前已被移除。在发展中,已经取得了很多进展稳定,描述新的RF MEMS制造工艺和材料。最新一代的交换机大多是电容型设备。电容型开关关闭时,电极之间的直接联系是可以避免通过机械闭锁装置,改善长期可靠性。仿真平台可以射频开关的动态行为模型,并可用于一起合作设计射频开关控制电路。 In addition, fabrication processes are now available to integrate an RF MEMS device on a standard CMOS process, which allows the MEMS device and its surrounding circuitry to be manufactured on the same die.
布瑞克:今天RF MEMS开关所面临的最大挑战是可靠性。RF MEMS开关提供潜在的好处在性能方面,但是他们面临前所未有的激烈竞争RF-SOI解决方案,在市场上占主导地位的今天。
SE: MEMS麦克风已经讨论了一段时间。这些中等收入国家提供什么样的反应呢,这是为什么这样的一小部分市场?是纯粹的体积,还是这是真的很难设计和制造吗?和什么样的电子产品这些会搭配吗?它需要机器学习能够优化声音吗?
Schropfer:在流行MEMS麦克风正在上升。2020年对于MEMS麦克风来说是一个很好的公司。MEMS麦克风的强劲需求推动了多个终端用户市场,解决需求的生活方式,医疗,汽车和工业应用。MEMS麦克风被广泛用于智能手机,并提供出色的语音质量没有背景噪音,使智能语音识别应用程序。人工智能现在可以用来准确地解释语音命令,并提供创新的增值服务,如虚拟助手和即时语言翻译能力。
SE:这些设备的关键指标是什么?
Schropfer:膜基MEMS麦克风设备。有很多的挑战在MEMS麦克风的发展。在每一个应用程序,该应用程序使用一个MEMS麦克风,关键性能参数灵敏度和信号噪声比(信噪比)。增加灵敏度增加膜的大小通常是不符合成本效益。我们看到更复杂的机械结构,如多个膜和后盖在一个麦克风。膜薄,通常由多堆栈层不同的材料。材料层压力是必须解决的一个问题在这两个麦克风的设计和制造。优化的信噪比要求并发优化机械结构和周围的电子产品,而这些优化并发需求都是相互关联的,必须加以解决。MEMS的设计及周边电路必须在同一时间完成,因为他们影响灵敏度和信噪比。MEMS器件和CMOS电子受到操作和流程变化,还必须考虑设计。 Virtual design of experiments can be used to look at the co-dependencies in the MEMS and CMOS design components, but the designer must bridge a gap between the high model accuracy required by the mechanical portion of the MEMS microphone and fast simulation speed required for the surrounding circuitry.
布瑞克:MEMS麦克风已经部署了相当长的时间。不包括RF MEMS设备,MEMS麦克风是最建立出货量。他们是建立在手机,增加使用的助理,Alexa和谷歌等,市场还在继续增长。MEMS麦克风今天有类似的性能studio-quality麦克风。他们继续发展提高信噪比。在未来,我们将看到一个从电容piezoelectric-based麦克风。
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