物聯(lián)網(wǎng)持續(xù)發(fā)酵！傳感器領(lǐng)域如何上演“紅海行動”？

　　在LPWAN技術(shù)突破了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展緩慢的瓶頸后，隨著下游需求的擴(kuò)張，傳感器即將成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)增速最快的細(xì)分領(lǐng)域之一。近年來，尤其是MEMS傳感器在可穿戴產(chǎn)品、智能家居、智能制造、智能手機(jī)、智能汽車和自動駕駛等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)品包括各種運(yùn)動傳感器、氣敏/濕敏/光敏傳感器、紅外成像傳感器等。僅應(yīng)用于智能手機(jī)中的MEMS器件已經(jīng)有十幾種，包括9軸慣性傳感器、MEMS麥克風(fēng)、RF MEMS、氣壓計、溫濕度傳感器、氣體傳感器、自動對焦執(zhí)行器、光學(xué)MEMS等。

　　MEMS的前世今生與其獨(dú)特的制造工藝

　　MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System)的簡稱。它有兩個特征：其一是器件尺寸在微米或納米量級;其二是通常有一個懸臂梁(即懸空的運(yùn)動部件)以實(shí)現(xiàn)感知或傳動功能。

　　MEMS制造技術(shù)衍生自CMOS集成電路制造技術(shù)。在過去的50多年時間里，CMOS集成電路制造技術(shù)發(fā)展迅猛，成為有史以來精細(xì)度和復(fù)雜度最高的制造技術(shù)，單從器件尺寸上說，從1970年代的1微米線寬，已經(jīng)縮微到現(xiàn)在的20納米線寬，使得單位硅襯底面積上的器件數(shù)量有了極大地提高。

　　在器件圖形化方面，CMOS技術(shù)的工藝能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過MEMS器件制造的需求?？梢哉f，CMOS集成電路制造技術(shù)為MEMS制造奠定了十分堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但另一方面，MEMS制造工藝又有它不同于CMOS制造的特點(diǎn)。

　　首先，是它獨(dú)特的懸臂梁部件形成工藝。目前可供選用的懸臂梁形成工藝有兩類，一類采用犧牲層工藝，另一類采用晶圓鍵合工藝。

　　圖1(左)給出了采用犧牲層工藝形成懸臂梁的流程示意圖。具體做法是在硅襯底表面沉積犧牲層，比如二氧化硅層、結(jié)構(gòu)層、多晶硅層。之后采用特殊的工藝，通過光刻、刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)等CMOS圖形化工藝將犧牲層暴露出來，并用化學(xué)溶劑(濕法)或化學(xué)蒸汽(干法)把吸收層腐蝕掉，使結(jié)構(gòu)層懸空，形成懸臂梁。

　　圖1(右)展示的是采用晶圓鍵合工藝形成懸臂梁的流程示意圖。具體做法是在硅襯底上先形成懸臂梁下的空腔，再將結(jié)構(gòu)層晶圓表面向下，與襯底晶圓鍵合在一起。之后采用減薄技術(shù)，將結(jié)構(gòu)晶圓從背面減薄，只保留滿足懸臂梁要求的厚度。再通過光刻、刻蝕等CMOS圖形化工藝，形成懸臂梁。

　　兩種技術(shù)方案的區(qū)別在于前者的工藝相對簡單，除了在采用蒸汽刻蝕時需要引入特殊的蒸汽刻蝕設(shè)備，基本可使用現(xiàn)有的CMOS工業(yè)設(shè)備，與CMOS制造的兼容性好。而采用晶圓鍵合工藝需要使用晶圓鍵合設(shè)備，因此技術(shù)復(fù)雜度相對較高，并因此增加了一些制造成本。它的優(yōu)點(diǎn)是懸臂梁的質(zhì)量和工藝一致性高。在犧牲層工藝中，結(jié)構(gòu)層是由高溫沉積形成的多晶硅材料，層內(nèi)不可避免地殘存有應(yīng)力。這樣，薄膜生長工藝條件的漲落很容易造成片內(nèi)和片間均勻性問題，甚至造成良率的降低。采用鍵合工藝形成的結(jié)構(gòu)層是單晶材料，層內(nèi)沒有高溫生長帶來的應(yīng)力，材料性能的一致性好，對良率提升有很大助益。

　　圖1 兩種制備MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)的工藝流程

　　MEMS工藝不同于CMOS工藝的另一個方面在于前者對封裝的特殊要求。對CMOS來說，當(dāng)器件通過互連方式完成多層布線，即可通過側(cè)面打線、倒裝焊接，或者基于硅通孔(TSV)技術(shù)的多維(2.5D/3D)封裝進(jìn)行封裝連線，再用塑料封裝填充封裝。而對MEMS來說，器件的懸臂梁結(jié)構(gòu)必須能夠自由運(yùn)動，因此，不能像CMOS那樣進(jìn)行填充封裝，而必須采用帽封方式，把懸臂梁等部件用封帽罩起來。帽內(nèi)不填注材料。特別是運(yùn)動型MEMS器件，需要在封帽內(nèi)保持真空。因此MEMS封裝帶來了很大的工藝復(fù)雜度和成本上升。

　　在采用單芯片帽封工藝時，真空封裝的MEMS制造成本中，封裝占70%以上。一個降低成本的手段是采用晶圓級封裝，即在一個硅片上，設(shè)計制造一個空腔，形成封蓋晶圓，再把封蓋晶圓蓋到器件晶圓上，實(shí)現(xiàn)晶圓級真空封裝。為了與晶圓級封裝相匹配，還要考慮電學(xué)引線的連出。圖2給出了通過硅通孔連線和晶圓級封裝完成的MEMS器件結(jié)構(gòu)示意圖。

　　圖2 通過硅通孔連線和晶圓級封裝完成的MEMS器件結(jié)構(gòu)示意圖

　　如何應(yīng)對MEMS的市場機(jī)遇與挑戰(zhàn)?

　　MEMS技術(shù)有非常廣闊的應(yīng)用前景，特別是進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時代，只有MEMS能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對傳感器和執(zhí)行器的要求。目前，世界上用于MEMS制造的生產(chǎn)線主要還是從CMOS主流產(chǎn)品制造上淘汰下來的8英寸線。采用這些產(chǎn)線，即可用于滿足海量制造的要求，又可以使每一顆MEMS的制造成本降到滿足消費(fèi)類產(chǎn)品的價格要求的程度。MEMS市場的應(yīng)用種類繁多，產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)非常多樣化，這為中小企業(yè)帶來了機(jī)遇。特別是之前有過技術(shù)積累的企業(yè)，將會在很多市場中發(fā)現(xiàn)機(jī)會，贏得企業(yè)的快速發(fā)展。

　　為了讓更多的傳感器企業(yè)更好地了解產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與市場需求，讓更多的物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)更好地落地物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，物聯(lián)傳媒將于2018年4月25日“第十屆國際物聯(lián)網(wǎng)博覽會”春季展期間同期舉辦“2018蘇州物聯(lián)網(wǎng)傳感器高峰論壇”。屆時，我們將邀請海內(nèi)外傳感器的知名企業(yè)、行業(yè)著名專家、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用廠商等就物聯(lián)網(wǎng)傳感器的行業(yè)現(xiàn)狀與應(yīng)用需求進(jìn)行一次深入的探討，以便讓更多人了解新時期傳感器市場痛點(diǎn)、應(yīng)用實(shí)踐、技術(shù)趨勢等，并且將深入探討海內(nèi)外MEMS傳感器市場機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

　　論壇參考議程：

      報名方式

　　報名方式一：長按或掃描下方二維碼，即可進(jìn)入報名頁面

　　報名方式二：進(jìn)入鏈接 http://www.iote.com.cn/IOTMApply.aspx

　　如果在參會報名過程中有疑問，或者需要對接需求請聯(lián)系：

　　參會報名咨詢：郭小姐     15019459997(微信同號)

　　參展/論壇贊助咨詢：梁先生     13828715593(微信同號)