MEMS规范概述

MEMS规范概述

    许多拥有晶圆厂的半导体制造商寻求通过为无晶圆厂MEMS开发商制造MEMS器件来利用他们旧生产线的产能，但是若想成功远非掌握制造机械学那么简单。MEMS制造合作伙伴必须定量地理解某种应用所需的规范，并在MEMS器件规范与最终用户系统设计之间寻求平衡点。制造商必须能创建出精确的MEMS器件模型，以确保可重复的制造能力。

 MEMS的多级效应要求MEMS器件的客户与有经验的MEMS制造商根据共同的实践经验来精心制定一个规范。这样的规范能够区别可量产器件与不可量产器件的不同。

    设计和制造MEMS的技术与生产IC所用的技术大部分相同。然而，MEMS是机械器件，要求设计人员全面理解器件的电气特性与机械特性之间的必然因果关系。

    设计MEMS器件需要利用一系列物理学及交叉学科的知识进行建模和物理仿真，例如结构力学、静电学、静磁学、热力学、机电学、电热学、压阻热力学和热电力学等。

    我们可以看一个案例。客户为制造商准备了一个规范，用以制造一种微加工的可变光衰减器(VOA)。基于MEMS的VOA具有速度快、尺寸小、成本低等优势。它们可以使光放大器的增益平坦，还能在密集波分复用(DWDM)光通信系统中实现多信道的功率均衡。

    MEMS VOA包含一个绝缘体硅(SOI)单晶光闸片，该光闸片被安装在一个微加工的拉桥激励器上，并被放置于一条光纤的端面。当给激励器施加一个驱动电压时，它将光闸片移进光路，挡住一部分激光束，从而使信号衰减。

    在这个应用中，非常详细的功能规范包括偏振相关损耗(PDL)和反射回损(ORL)。其中，PDL是指所有偏振状态下最大和最小输出光功率之比；ORL是指入射光功率与反射光功率之比，单位为dB。

    通过引入小反射，MEMS VOA器件能影响ORL和PDL。这些小反射被称为后向散射，是由光闸片本身的不均匀性(例如杂散粒子或物理缺陷)所导致的。反射光能使主激光信号的调制和光谱特征出现失真，并影响数据传输质量和信息吞吐量。

    对于这类应用，在评估关键的ORL和PDL约束条件时，必须要了解MEMS器件的哪些因素将影响ORL 和PDL，以及在MEMS制造过程中如何测量这些因素。我们已经发现，MEMS器件对ORL和PDL的影响直接与由材料特性和光闸片表面粗糙度引起的后向散射量有关。原始的器件规范已经被修改，以使MEMS器件中的缺陷和杂散粒子的数量及密度降到最低。此外，为了改善ORL和PDL，我们还为光闸片表面设计了一种特殊涂层。

    MEMS器件的可靠性和性能是关键问题。要彻底解决这个问题只有直接测量小样本，而且小样本的尺寸必须与要制造的微器件处于同一个数量级。这些样本依赖于制造和工艺条件，包括基底类型、沉积温度、掺杂、退火和化学蚀刻。

    另一个例子是MEMS硅晶麦克风，这种低成本、高性能、高产量的器件可以替代传统的驻极体电容式麦克风。在硅晶麦克风中，微型的电容膜片在声音的刺激下振动，并产生一个模拟电子信号。

    在这个案例中，最重要的应用性能指标(麦克风灵敏度)与几个基本的机械MEMS器件规格(即振动膜片数量、厚度和平滑度)之间存在相关性。为了实现高灵敏度，硅晶麦克风器件必须具有非常薄的、平滑且能自由振动的膜片。最终，通过了解MEMS器件中这些特定规格的应用效应，我们设计出一种可测量、可测试的制造方法，以获得可重复的灵敏度。

    微声学MEMS硅晶麦克风是从多晶硅演变而来，它充分利用了高度可重复的半导体制造工艺。其结果是获得稳定的声学特性以及便于未来改进设计的灵活性。但是为了确保制造的一致性，以满足应用需求，该麦克风与VOA一样需要一个全面的规范流程。

    共享的闭环规范流程不仅便于成功生产器件，而且有助于缩短MEMS的四个开发步骤，即概念验证、开发、试产和生产。MEMS制造商必须不遗余力地将MEMS器件中可测量和可测试的参数与终端应用的要求关联起来，这些参数包括：膜片厚度、应力梯度、材料特性、加工尺寸、纵横比及表面光滑度等。

    最后一个例子是用于通信基础设施的微光子MEMS器件。这种微加工的镜像阵列器件驱动一个密集组装的多端口光纤交叉连接开关。在这个器件中，针对镜面曲率半径的机械MEMS规范将直接影响光插入损耗。

    理想的镜面(即相当平坦，无任何缺陷或杂撒粒子)不会给系统增加任何插入损耗，但镜面上任何微小的曲线或弯曲都会造成光的散射并产生插入损耗。对于客户的产品线来说，保持极低的插入损耗是一个关键卖点，因此确保MEMS器件规范与此一致至关重要。在规范制定过程中了解这点可以加强曲率半径测量，把它看作制造工序中的一个关键环节。