MEMS規(guī)范概述

MEMS規(guī)范概述

??? 許多擁有晶圓廠的半導(dǎo)體制造商尋求通過(guò)為無(wú)晶圓廠MEMS開(kāi)發(fā)商制造MEMS器件來(lái)利用他們舊生產(chǎn)線的產(chǎn)能，但是若想成功遠(yuǎn)非掌握制造機(jī)械學(xué)那么簡(jiǎn)單。MEMS制造合作伙伴必須定量地理解某種應(yīng)用所需的規(guī)范，并在MEMS器件規(guī)范與最終用戶(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間尋求平衡點(diǎn)。制造商必須能創(chuàng)建出精確的MEMS器件模型，以確?？芍貜?fù)的制造能力。

?MEMS的多級(jí)效應(yīng)要求MEMS器件的客戶(hù)與有經(jīng)驗(yàn)的MEMS制造商根據(jù)共同的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)精心制定一個(gè)規(guī)范。這樣的規(guī)范能夠區(qū)別可量產(chǎn)器件與不可量產(chǎn)器件的不同。

??? 設(shè)計(jì)和制造MEMS的技術(shù)與生產(chǎn)IC所用的技術(shù)大部分相同。然而，MEMS是機(jī)械器件，要求設(shè)計(jì)人員全面理解器件的電氣特性與機(jī)械特性之間的必然因果關(guān)系。

??? 設(shè)計(jì)MEMS器件需要利用一系列物理學(xué)及交叉學(xué)科的知識(shí)進(jìn)行建模和物理仿真，例如結(jié)構(gòu)力學(xué)、靜電學(xué)、靜磁學(xué)、熱力學(xué)、機(jī)電學(xué)、電熱學(xué)、壓阻熱力學(xué)和熱電力學(xué)等。

??? 我們可以看一個(gè)案例?？蛻?hù)為制造商準(zhǔn)備了一個(gè)規(guī)范，用以制造一種微加工的可變光衰減器(VOA)?；贛EMS的VOA具有速度快、尺寸小、成本低等優(yōu)勢(shì)。它們可以使光放大器的增益平坦，還能在密集波分復(fù)用(DWDM)光通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多信道的功率均衡。

??? MEMS VOA包含一個(gè)絕緣體硅(SOI)單晶光閘片，該光閘片被安裝在一個(gè)微加工的拉橋激勵(lì)器上，并被放置于一條光纖的端面。當(dāng)給激勵(lì)器施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，它將光閘片移進(jìn)光路，擋住一部分激光束，從而使信號(hào)衰減。

??? 在這個(gè)應(yīng)用中，非常詳細(xì)的功能規(guī)范包括偏振相關(guān)損耗(PDL)和反射回?fù)p(ORL)。其中，PDL是指所有偏振狀態(tài)下最大和最小輸出光功率之比；ORL是指入射光功率與反射光功率之比，單位為dB。

??? 通過(guò)引入小反射，MEMS VOA器件能影響ORL和PDL。這些小反射被稱(chēng)為后向散射，是由光閘片本身的不均勻性(例如雜散粒子或物理缺陷)所導(dǎo)致的。反射光能使主激光信號(hào)的調(diào)制和光譜特征出現(xiàn)失真，并影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和信息吞吐量。

??? 對(duì)于這類(lèi)應(yīng)用，在評(píng)估關(guān)鍵的ORL和PDL約束條件時(shí)，必須要了解MEMS器件的哪些因素將影響ORL 和PDL，以及在MEMS制造過(guò)程中如何測(cè)量這些因素。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，MEMS器件對(duì)ORL和PDL的影響直接與由材料特性和光閘片表面粗糙度引起的后向散射量有關(guān)。原始的器件規(guī)范已經(jīng)被修改，以使MEMS器件中的缺陷和雜散粒子的數(shù)量及密度降到最低。此外，為了改善ORL和PDL，我們還為光閘片表面設(shè)計(jì)了一種特殊涂層。

??? MEMS器件的可靠性和性能是關(guān)鍵問(wèn)題。要徹底解決這個(gè)問(wèn)題只有直接測(cè)量小樣本，而且小樣本的尺寸必須與要制造的微器件處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。這些樣本依賴(lài)于制造和工藝條件，包括基底類(lèi)型、沉積溫度、摻雜、退火和化學(xué)蝕刻。

??? 另一個(gè)例子是MEMS硅晶麥克風(fēng)，這種低成本、高性能、高產(chǎn)量的器件可以替代傳統(tǒng)的駐極體電容式麥克風(fēng)。在硅晶麥克風(fēng)中，微型的電容膜片在聲音的刺激下振動(dòng)，并產(chǎn)生一個(gè)模擬電子信號(hào)。

??? 在這個(gè)案例中，最重要的應(yīng)用性能指標(biāo)(麥克風(fēng)靈敏度)與幾個(gè)基本的機(jī)械MEMS器件規(guī)格(即振動(dòng)膜片數(shù)量、厚度和平滑度)之間存在相關(guān)性。為了實(shí)現(xiàn)高靈敏度，硅晶麥克風(fēng)器件必須具有非常薄的、平滑且能自由振動(dòng)的膜片。最終，通過(guò)了解MEMS器件中這些特定規(guī)格的應(yīng)用效應(yīng)，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種可測(cè)量、可測(cè)試的制造方法，以獲得可重復(fù)的靈敏度。

??? 微聲學(xué)MEMS硅晶麥克風(fēng)是從多晶硅演變而來(lái)，它充分利用了高度可重復(fù)的半導(dǎo)體制造工藝。其結(jié)果是獲得穩(wěn)定的聲學(xué)特性以及便于未來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)的靈活性。但是為了確保制造的一致性，以滿(mǎn)足應(yīng)用需求，該麥克風(fēng)與VOA一樣需要一個(gè)全面的規(guī)范流程。

??? 共享的閉環(huán)規(guī)范流程不僅便于成功生產(chǎn)器件，而且有助于縮短MEMS的四個(gè)開(kāi)發(fā)步驟，即概念驗(yàn)證、開(kāi)發(fā)、試產(chǎn)和生產(chǎn)。MEMS制造商必須不遺余力地將MEMS器件中可測(cè)量和可測(cè)試的參數(shù)與終端應(yīng)用的要求關(guān)聯(lián)起來(lái)，這些參數(shù)包括：膜片厚度、應(yīng)力梯度、材料特性、加工尺寸、縱橫比及表面光滑度等。

??? 最后一個(gè)例子是用于通信基礎(chǔ)設(shè)施的微光子MEMS器件。這種微加工的鏡像陣列器件驅(qū)動(dòng)一個(gè)密集組裝的多端口光纖交叉連接開(kāi)關(guān)。在這個(gè)器件中，針對(duì)鏡面曲率半徑的機(jī)械MEMS規(guī)范將直接影響光插入損耗。

??? 理想的鏡面(即相當(dāng)平坦，無(wú)任何缺陷或雜撒粒子)不會(huì)給系統(tǒng)增加任何插入損耗，但鏡面上任何微小的曲線或彎曲都會(huì)造成光的散射并產(chǎn)生插入損耗。對(duì)于客戶(hù)的產(chǎn)品線來(lái)說(shuō)，保持極低的插入損耗是一個(gè)關(guān)鍵賣(mài)點(diǎn)，因此確保MEMS器件規(guī)范與此一致至關(guān)重要。在規(guī)范制定過(guò)程中了解這點(diǎn)可以加強(qiáng)曲率半徑測(cè)量，把它看作制造工序中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。