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物联网持续发酵!传感器领域如何上演“红海行动”?

[日期:2018-03-14] 来源:简书  作者: [字体: ]

  在LPWAN技术突破了物联网发展缓慢的瓶颈后,随着下游需求的扩张,传感器即将成为半导体产业增速最快的细分领域之一。近年来,尤其是MEMS传感器在可穿戴产品、智能家居、智能制造、智能手机、智能汽车和自动驾驶等领域得到了非常广泛的应用,产品包括各种运动传感器、气敏/湿敏/光敏传感器、红外成像传感器等。仅应用于智能手机中的MEMS器件已经有十几种,包括9轴惯性传感器、MEMS麦克风、RF MEMS、气压计、温湿度传感器、气体传感器、自动对焦执行器、光学MEMS等。

物联网

  MEMS的前世今生与其独特的制造工艺

  MEMS是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)的简称。它有两个特征:其一是器件尺寸在微米或纳米量级;其二是通常有一个悬臂梁(即悬空的运动部件)以实现感知或传动功能。

  MEMS制造技术衍生自CMOS集成电路制造技术。在过去的50多年时间里,CMOS集成电路制造技术发展迅猛,成为有史以来精细度和复杂度最高的制造技术,单从器件尺寸上说,从1970年代的1微米线宽,已经缩微到现在的20纳米线宽,使得单位硅衬底面积上的器件数量有了极大地提高。

  在器件图形化方面,CMOS技术的工艺能力远远超过MEMS器件制造的需求。可以说,CMOS集成电路制造技术为MEMS制造奠定了十分坚实的基础。但另一方面,MEMS制造工艺又有它不同于CMOS制造的特点。

  首先,是它独特的悬臂梁部件形成工艺。目前可供选用的悬臂梁形成工艺有两类,一类采用牺牲层工艺,另一类采用晶圆键合工艺。

  图1(左) 给出了采用牺牲层工艺形成悬臂梁的流程示意图。具体做法是在硅衬底表面沉积牺牲层,比如二氧化硅层、结构层、多晶硅层。之后采用特殊的工艺,通过光刻、刻蚀、化学机械抛光(CMP)等CMOS图形化工艺将牺牲层暴露出来,并用化学溶剂(湿法)或化学蒸汽(干法)把吸收层腐蚀掉,使结构层悬空,形成悬臂梁。

  图1(右) 展示的是采用晶圆键合工艺形成悬臂梁的流程示意图。具体做法是在硅衬底上先形成悬臂梁下的空腔,再将结构层晶圆表面向下,与衬底晶圆键合在一起。之后采用减薄技术,将结构晶圆从背面减薄,只保留满足悬臂梁要求的厚度。再通过光刻、刻蚀等CMOS图形化工艺,形成悬臂梁。

  两种技术方案的区别在于前者的工艺相对简单,除了在采用蒸汽刻蚀时需要引入特殊的蒸汽刻蚀设备,基本可使用现有的CMOS工业设备,与CMOS制造的兼容性好。而采用晶圆键合工艺需要使用晶圆键合设备,因此技术复杂度相对较高,并因此增加了一些制造成本。它的优点是悬臂梁的质量和工艺一致性高。在牺牲层工艺中,结构层是由高温沉积形成的多晶硅材料,层内不可避免地残存有应力。这样,薄膜生长工艺条件的涨落很容易造成片内和片间均匀性问题,甚至造成良率的降低。采用键合工艺形成的结构层是单晶材料,层内没有高温生长带来的应力,材料性能的一致性好,对良率提升有很大助益。

  图1 两种制备MEMS悬臂梁结构的工艺流程

  MEMS工艺不同于CMOS工艺的另一个方面在于前者对封装的特殊要求。对CMOS来说,当器件通过互连方式完成多层布线,即可通过侧面打线、倒装焊接,或者基于硅通孔(TSV)技术的多维(2.5D/3D)封装进行封装连线,再用塑料封装填充封装。而对MEMS来说,器件的悬臂梁结构必须能够自由运动,因此,不能像CMOS那样进行填充封装,而必须采用帽封方式,把悬臂梁等部件用封帽罩起来。帽内不填注材料。特别是运动型MEMS器件,需要在封帽内保持真空。因此MEMS封装带来了很大的工艺复杂度和成本上升。

  在采用单芯片帽封工艺时,真空封装的MEMS制造成本中,封装占70%以上。一个降低成本的手段是采用晶圆级封装,即在一个硅片上,设计制造一个空腔,形成封盖晶圆,再把封盖晶圆盖到器件晶圆上,实现晶圆级真空封装。为了与晶圆级封装相匹配,还要考虑电学引线的连出。 图2 给出了通过硅通孔连线和晶圆级封装完成的MEMS器件结构示意图。

  图2 通过硅通孔连线和晶圆级封装完成的MEMS器件结构示意图

  如何应对MEMS的市场机遇与挑战?

  MEMS技术有非常广阔的应用前景,特别是进入物联网时代,只有MEMS能够满足物联网应用对传感器和执行器的要求。目前,世界上用于MEMS制造的生产线主要还是从CMOS主流产品制造上淘汰下来的8英寸线。采用这些产线,即可用于满足海量制造的要求,又可以使每一颗MEMS的制造成本降到满足消费类产品的价格要求的程度。MEMS市场的应用种类繁多,产品生产技术非常多样化,这为中小企业带来了机遇。特别是之前有过技术积累的企业,将会在很多市场中发现机会,赢得企业的快速发展。

  为了让更多的传感器企业更好地了解产业现状与市场需求,让更多的物联网企业更好地落地物联网应用,物联传媒将于2018年4月25日“第十届国际物联网博览会”春季展期间同期举办“2018苏州物联网传感器高峰论坛”。届时,我们将邀请海内外传感器的知名企业、行业著名专家、物联网应用厂商等就物联网传感器的行业现状与应用需求进行一次深入的探讨,以便让更多人了解新时期传感器市场痛点、应用实践、技术趋势等,并且将深入探讨海内外MEMS传感器市场机遇与挑战。

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