近年來(lái)，CMOS-MEMS技術(shù)正從單一器件制備向高度集成的多功能傳感與執(zhí)行平臺(tái)加速演進(jìn)，在電容式傳感器與靜電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。但現(xiàn)有的CMOS-MEMS制造平臺(tái)通常只能制備特定類型的MEMS器件，難以在單一CMOS-MEMS芯片上同時(shí)集成傳感與執(zhí)行功能；此外器件開(kāi)發(fā)門檻仍較高，設(shè)計(jì)人員往往需要配備潔凈室與昂貴的微加工設(shè)備，自行完成結(jié)構(gòu)釋放、犧牲層去除、封裝等后處理工序。因此，如何依托成熟的CMOS-MEMS代工平臺(tái)，以盡可能少的附加工序?qū)崿F(xiàn)多類型MEMS器件開(kāi)發(fā)，成為推動(dòng)無(wú)晶圓廠（Fabless）MEMS設(shè)計(jì)模式發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，臺(tái)灣淡江大學(xué)（Tamkang University）、臺(tái)灣半導(dǎo)體研究院（TSRI）等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)在Micromachines期刊上發(fā)表了題為“Capacitive Sensors and Actuators by CMOS MEMS Foundry”的文章，詳細(xì)介紹了TSRI提供的0.18 μm CMOS-MEMS代工服務(wù)平臺(tái)，并面向具備簡(jiǎn)單濕法刻蝕設(shè)備的MEMS設(shè)計(jì)人員，展示了如何通過(guò)盡可能少的后道工藝和芯片封裝，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器、加速度計(jì)、微鏡和靜電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器等多種器件的開(kāi)發(fā)。該方案為拓展TSRI代工平臺(tái)現(xiàn)有服務(wù)提供了實(shí)用的設(shè)計(jì)與后處理指南，使MEMS設(shè)計(jì)公司無(wú)需自建晶圓產(chǎn)線即可完成器件開(kāi)發(fā)，有望推動(dòng)MEMS設(shè)計(jì)真正實(shí)現(xiàn)Fabless模式。
TSRI的CMOS-MEMS代工平臺(tái)以聯(lián)華電子（UMC）0.18 μm CMOS工藝為基礎(chǔ)，包括一層多晶硅（POLY）和六層金屬（ME1-6），可用于構(gòu)建多層堆疊微結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流程之后，還需要額外沉積并圖形化非晶硅（α-Si）、第七金屬層（ME7）和鈍化層。具體而言，該工藝首先利用ME7掩模和MEMS_OPEN區(qū)域定義懸置微結(jié)構(gòu)的幾何形狀；隨后采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）去除氧化層并暴露硅襯底，再利用二氟化氙（XeF?）對(duì)硅進(jìn)行各向同性刻蝕，從而釋放懸置結(jié)構(gòu)；針對(duì)特定器件設(shè)計(jì)需求，還可以通過(guò)選擇性濕法刻蝕犧牲金屬層，形成內(nèi)嵌電容空氣間隙，用于實(shí)現(xiàn)電容式傳感器和靜電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。
圖1 TSRI CMOS-MEMS代工平臺(tái)的工藝流程
目前，TSRI代工平臺(tái)可以直接支持兩類典型的CMOS-MEMS結(jié)構(gòu)。第一類是采用均勻穿孔膜的流量傳感器，可在薄膜上集成多晶硅電阻式溫度檢測(cè)器（RTD）；第二類是采用叉指電極的梳齒諧振器或梳齒驅(qū)動(dòng)器。只要刻蝕孔、溝槽及結(jié)構(gòu)間距滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)則，這兩類器件便可由TSRI完成MEMS工藝、晶圓切割、引線鍵合及封裝等環(huán)節(jié)，其開(kāi)發(fā)流程與一般的IC設(shè)計(jì)模式相似。
圖2 集成POLY RTD的CMOS-MEMS流量傳感器均勻穿孔膜結(jié)構(gòu)
此外，對(duì)于具備簡(jiǎn)單濕法刻蝕條件的MEMS設(shè)計(jì)人員而言，依托TSRI成熟的MEMS-CMOS代工平臺(tái)，僅需增加少量后處理工序，即可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更多類型的電容式傳感器和靜電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，例如電容式力/壓力傳感器、電容式加速度計(jì)、梳齒諧振器或梳齒驅(qū)動(dòng)器、扭轉(zhuǎn)微鏡以及其它靜電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器等。
圖3 CMOS-MEMS電容腔式壓力傳感器的非均勻厚度膜片結(jié)構(gòu)
圖4 CMOS-MEMS電容式懸臂和加速度計(jì)結(jié)構(gòu)
圖5 在水平加速度或靜電驅(qū)動(dòng)作用下進(jìn)行面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的叉指梳齒結(jié)構(gòu)
圖6 采用扭轉(zhuǎn)梁支撐的類數(shù)字微鏡器件（DMD）雙微鏡結(jié)構(gòu)
盡管TSRI的CMOS-MEMS代工服務(wù)能夠制造懸置微結(jié)構(gòu)，并提供標(biāo)準(zhǔn)化后處理工藝支持，但對(duì)于需要內(nèi)嵌電容間隙、犧牲金屬層釋放和局部后處理的先進(jìn)電容式傳感器與靜電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器而言，現(xiàn)有平臺(tái)仍存在局限，尤其是在犧牲金屬層濕法刻蝕后，器件可能面臨刻蝕均勻性不足、懸置結(jié)構(gòu)黏附以及封裝流程復(fù)雜等問(wèn)題。為配合濕法犧牲層刻蝕方案，研究團(tuán)隊(duì)提出了一系列可行的配套后處理方案。
總體而言，這項(xiàng)研究提出了一套面向Fabless模式的CMOS-MEMS代工平臺(tái)擴(kuò)展方案。通過(guò)依托TSRI現(xiàn)有的0.18 μm CMOS代工平臺(tái)，僅需補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)室級(jí)的簡(jiǎn)易濕法刻蝕與配套后處理工藝，即可實(shí)現(xiàn)多種電容式傳感器與靜電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的開(kāi)發(fā)。這套方案有效降低了MEMS器件的研發(fā)門檻，縮短了器件開(kāi)發(fā)周期，為CMOS-MEMS代工平臺(tái)的功能拓展與器件集成提供了可行路徑。
論文信息：
https://doi.org/10.3390/mi17060732
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