Cовременное тестовое оборудование и технологии
Рус Eng

03-02
2011
MEMS - технологии – простое и доступное решение сложных системных задач

1. MEMS – технологии
Принято считать, что история развития MEMS технологий стартовала в 1954 году, когда был открыт пьезорезистивный эффект в материалах Ge и Si, нашедший впоследствии своё применение в первых датчиках давления и ускорения. Первый датчик давления на основе MEMS в массовых объёмах был выпущен National Semiconductor в 1974 году, а старт производства в мировых масштабах MEMS датчиков давления и акселерометров для подушек безопасности автомобилей относится к началу 1990-х годов. В истории развития MEMS технологий можно считать отсчётным ещё более раннее событие, а именно изобретение в 1947 году транзистора, который является основой основ современных ИС.

Сегодня ежегодные объёмы продаж ИС превышают уровень в $200 млрд. долларов, MEMS – $10 млрд. Ожидается, что в 2012 году общий рынок MEMS составит порядка $15 млрд., то есть увеличится в полтора раза.

Технологии микромеханики, или микроэлектромеханических систем (МЭМС, или MEMS – microelectromechanical systems), быстро развиваются в настоящее время. Это объясняется во многом тем, что их ключевые преимущества, которыми являются миниатюрность, функциональность, надёжность, малое энергопотребление, простота интегрирования, востребованы сегодня практически всеми рынками электроники.

Области применений MEMS ранжированы от самых массовых рынков – автомобильного и потребительского до рынков сложных приборов специального назначения, производимых небольшими партиями: медицинских приборов, военной и аэрокосмической техники, промышленных АСУ – например, контроля АЭС, контрольно-измерительной аппаратуры для мониторинга метеоусловий. Для массовых рынков важнейшим требованием является соотношение низкая цена и высокие объёмы производства, а для рынков приборов специального назначения ключевым требованием являются высокие рабочие характеристики.

MEMS-технологии могут стать уникальным, простым решением для многих прежде сложных системных задач мониторинга и управления – и это объясняется не только их вышеперечисленными преимуществами, включая простоту интегрирования миниатюрного интегрального компонента в клиентскую систему. Сегодня клиенту предлагается возможность создания собственных, уникальных комплексных решений, что стало возможным как благодаря развитию технологий производства и тестирования, так и доступности оборудования для локального создания MEMS – устройств и решений на их основе в рамках собственной технологической линии заказчика.

Концепция MEMS построена на интеграции микромеханических структур датчиков (сенсорной, измерительной части) и актюаторов (исполнительной, управляющей части) с электроникой, выполняющей функции сбора, анализа, контроля, формирования управляющих сигналов на общей подложке посредством технологий микропроизводства (рис. 1). Эти технологии во многом сходны с теми, что используются для производства ИС. Поэтому интегральные MEMS устройства обеспечивают высокий уровень функциональности, надёжности, низкую цену, что и предполагает столь же широкое использование MEMS- компонентов, какое получили ИС. Хотя техника и приборы специального назначения допускают сравнительно высокую цену устройств, то обстоятельство, что MEMS – технологии позволяют достичь малой цены, значительно расширяет возможности для развёртывания сенсорных сетей там, где прежде системным интеграторам это могло бы показаться избыточным.

 

Рис. 1. Технологии микропроизводства
MEMS-технологии: датчики и актюаторы (увеличенные микрофотографии):
а, б – акселерометр Analog Devices;
а – микрофотография однокристального акселерометров Analog Devices с одноосевой измерительной структурой, окружённой электроникой обработки сигнала;
б – увеличенное изображение подвижной части датчика;
в, г – разработки MEMS лаборатории Sandia:в – микропередача; г – микрозеркала.



В общем случае под MEMS понимаются различные механико-электрические (сенсорные) или электромеханические преобразователи (актюаторы), характеризующиеся размерами порядка микрон (до 1 мм), перемещение подвижной структуры при этом определяется также мкм.

В MEMS датчиках давления и движения (акселерометрах, гироскопах) производится моделирование процессов, параметры которых измеряются, микромеханической структурой. Эти устройства не имеют движущихся частей, связанных с объектом, поэтому они классифицируются как бесконтактные устройства. В том случае, если подвижная структура тщательно спроектирована и полностью защищена корпусом датчика, миниатюрные датчики высоконадежны и могут обеспечивать функциональные характеристики в условиях различных сред и фазовых состояний, перепадов температур, вибрации, ударных волн, влажности, загрязнений, электромагнитных помех, радиационного воздействия. Причём надёжная и точная работа обеспечивается не в статических или квазистатических, а в динамических условиях, то есть, характеризующихся быстрыми, скачкообразными, периодическими, апериодическими изменениями параметров. Микродвигатели, радиочастотные переключатели, радиопередатчики функционируют в аналогичных условиях – с той разницей, что их подвижная структура выполняет электромеханические преобразовательные функции.

Как говорилось, концепция MEMS включает интеграцию на кремниевой основе ИС механических элементов и электроники обработки и формирования сигнала ASIC (Application Specific IC) – преобразователя в законченные микросистемы. Поэтому микросистемы (MST) – синоним МЭМС в Европе; в Японии их называют микромашинами. В соответствии с данным принципом системности, микросистемы выполняют сенсорные, вычислительные, логические, исполнительные, коммуникационные функции, а также функции обеспечения самопитания и безопасности.

Микросистемные устройства являются сегодня частью уже многих продуктов. Датчики и актюаторы, а именно микрофоны, акселерометры, дисплеи интегрируются в автомобильные, медицинские, телекоммуникационные, промышленные, и другие системы, портативные и другие электронные устройства.

Развитая технологическая база, оборудование, созданное с целью предусмотреть все этапы создания MEMS, позволяют быстро создавать новые продукты, комбинирующие микроустройства и микроэлектронику в так называемых гетеросистемных корпусах.
С технологической точки зрения важными являются способы интегрирования и корпусирования MEMS и CMOS ASIC структур.

В терминологии MEMS выделяются два понятия:
• гибридной микросистемы, представляющей собой комбинацию MEMS устройства с дискретной ИС, вместе установленных на общей подложке-субстрате из кремния или других подходящих материалов, например, стекла, кварца;
• монолитной микросистемы, являющейся стандартным CMOS IC устройством с MEMS функциями, интегрированными на чипе.
Большим достижением в разработке процессов производства стала возможность монолитной интеграции MEMS с электроникой, выполняющей управляющие, контролирующие, сигналообрабатывающие функции. Монолитная интеграция достигалась за счёт микрообработки поликремниевой поверхности, и допустила, в частности, массовое производство и коммерческий успех MEMS и интегрированных iMEMS акселерометров и гироскопов широко известной фирмы Analog Devices (рис. 1 а-б).
Монолитная интеграция позволяет улучшить характеристики МЭМС, снизить цену производства, корпусирования, тестирования, поскольку этапы для получения МЭМС и ИС объединены. Тысячи и миллионы схемных компонентов замещены одним миниатюрным компонентом, и всё это было достигнуто за счёт технологий производства, позволивших объединить МЭМС и ИС.

Основные этапы производства ИС включают:
• наращивание слоёв – на кремниевой подложке наращиваются слои эпитаксиального Si, диоксида кремния SiO2, нитрида кремния Si3N4, поликремния, металла для создания активных, пассивных компонентов, межсоединений;
• допирование – модулирование свойств слоя введением атомов посредством тепловой диффузии или ионной имплантации;
• литографию – процесс генерации и передачи паттерна схемы, наиболее распространённым методом является фотолитография с использованием оптической маски (слоя хрома) на слой фоторезиста;
• травление (влажное, сухое) – выборочное удаление предназначенных для этого участков паттерна;
• разделение на чипы;
• корпусирование.

Объёмная микрообработка – это расширение технологии ИС для производства 3D MEMS на кремниевой подложке. Анизотропное травление Si в данной плоскости кристалла может использоваться вместе с маской и методами останова травления – для того чтобы предотвращать области от вытравливания. В качестве масок используются SiO2 и Si3N4, металлические тонкие плёнки (хром, золото). Недостатком анизотропного травления является зависимость геометрии микроструктуры от кристаллической структуры подложки, поэтому применяются ещё два метода: глубокое анизотропное сухое травление (например, реактивное травление газовой плазмой) и соединение подложек – кремниевых или со стеклом, что позволяет создавать более сложные MEMS 3D структуры.

Хотя объёмная технология производства MEMS структуры допускает комбинирование структуры с электроникой CMOS ASIC части, размещённой на той же подложке, то есть монолитное, однокристальное исполнение, но практическое использование объемных методов во многих случаях основывалось на двух- или даже трехкристальной концепции: кристалл датчика вырабатывает сигнал, обрабатываемый в расположенной на другом кристалле CMOS-схеме, осуществляющей функции защиты и обратной связи. Впрочем, двухкристальное исполнение также имеет преимущество, а именно, упрощает производство, позволяет быстрее реагировать на нужды потребителя, поэтому по данному пути пошли в своё время, например, компании Bosch, Kionix, VTI Technologies.

Поверхностная микрообработка позволила с меньшими усилиями создавать ещё более сложные, мультикомпонентные интегрированные MEMS структуры, упакованные в начале процесса производства в слои жертвенного материала. Подложка-субстрат в основном использовалась как механическая основа, на которую депонировались слои структурного и жертвенного материала. Жертвенный материал затем растворялся в химическом растворителе, и освобождал подвижную структуру. Наиболее широко используемый метод – микрообработка поликремниевой поверхности, которая использует поликремний как структурный, а SiO2 как жертвенный материал.

Широко известный путь для контролирования нежелательных механических напряжений в поликремнии состоит в последующем высокотемпературном отжиге, что включает нанесение чистого и хорошо сжимаемого поликремния. МЭМС структуры, которые могут быть получены посредством высокотемпературного отжига – это свободные от механических напряжений или, наоборот, напряжённые структуры, что регулируется также температурой отжига. SiO2 не применяется для создания структурных слоёв потому, что механическое напряжение в данном материале сложно контролировать – данный материал используется как жертвенный или изолирующий.

И уже после завершения этого этапа к МЭМС может быть добавлена электроника – посредством выборочного допирования. Именно такой подход использован для производства MEMS и iMEMS датчиков Analog Devices. Одним из важных продвижений явился трёхслойный поликремниевый процесс с четвёртым поликремниевым слоем для электрических межсоединений. Следующий шаг состоял в использовании однослойного, вместе с вторым уровнем электрических межсоединений, CMOS процесса микрообработки поликремниевой поверхности 1,25 мкм. Примеры так называемых систем на чипе или SoC (systems-on-a-chip), построенных на основе этих процессов, включают мультиосевые акселерометры, pop-up зеркала. Но при реализации данного подхода приходится преодолевать некоторые сложности. CMOS технология для достижения высокого разрешения фотолитографического процесса требует планарности подложки. Если же микромеханическая обработка выполняется вначале, планарность субстрата обеспечить сложно. Если строится первой CMOS-часть, то электроника с металлизацией должна противостоять высокотемпературным процессам микромеханической обработки.

Уникальный микромеханический подход, перекрывающий планарность, когда MEMS строится прежде CMOS, был разработан в лаборатории Sandia. Согласно этому подходу, микромеханические устройства производятся в канавке, вытравленной на поверхности подложки. После того, как устройства собраны, канавка дополняется оксидом, планарность слоя которого обеспечивается химико-механическим полированием, затем уплотняется нитридной мембраной. Подложка со встроенными МЭМС далее подвергается обработке согласно обычным технологиям CMOS, но с дополнительными этапами освобождения МЭМС структур.

Известен также модульный подход, впервые разработанный исследователями из Беркли, согласно которому алюминиевая металлизация CMOS замещена вольфрамовой, что позволяет CMOS – части противостоять высокотемпературным микромеханическим процессам.

Альтернативой объёмной и поверхностной микрообработке с травлением является микролитьё, в процессе которого микроструктуры производятся с использованием литейных форм – для того чтобы структурный слой осаждался только в тех местах, где он нужен, без последующего травления. Вместо травления жертвенного слоя посредством химического реагента удаляется форма, участвующая в нанесении структурного материала. Один из наиболее выдающихся процессов известен под названием LIGA (lithographie, galvanoformung, und abformung), являющимся немецким акронимом для последовательности процессов литографии, гальваностегии (гальванопокрытия) и микролитья. Данный процесс позволяет производить 3D структуры с высоким аспектовым соотношением, используя разнообразные материалы – металлы, полимеры, керамику, стекло. Процесс фотолитографии сходен с обычным, но отличается тем, что фоточувствительные полиимиды выполняют роль негативного фоторезиста.

Технологии МЭМС ИС непрерывно развиваются: совершенствуются измерительные модели, методы и технологии производства.
Так, за счёт осуществления технологии эпитаксии Silicon-on-Insulator (SOI) достигается электрическая изоляция структуры от схемы и подложки, что снижает электрические потери, уменьшает паразитные эффекты, позволяет допустить изменения в рабочей температуре, снизить шумы. Технология позволяет получать подвижные элементы заданной толщины и обеспечивать необходимое соотношение высокие рабочие характеристики/низкая цена. Процессы SOI, разработанные в начале 1990-х гг во Франции, характеризовались возможностью расширить динамический диапазон, увеличить резонансный фактор, повысить устойчивость к механическим воздействиям и снизить механические напряжения в структурах из однокристального кремния, получить высокое HAR (high aspect ratio)-соотношение для толстых структур, осуществить возможность соединения активного слоя из однокристального кремния с подложкой, поэтому компания Tronic’s Microsystems, например, стала применять их для своих МЭМС датчиков, известных высокой линейностью и точностью. Технология обладает также перспективами малого энергопотребления, одновременно совместима с высоковольтными схемами и допускает повышенные рабочие температуры (выше 250º С). В своё время высказывалось предположение о повышенной радиационной стойкости данной технологии.
Изготовление мультиосевых датчиков движения и их применение в блоках инерциальных измерений IMU достаточное долгое время ограничивалось необходимостью выравнивать и собирать их в трёхосевые системы, допусками, погрешностями АЦП, низким порогом чувствительности. Но применение интегрированной MEMS/CMOS технологии допустило производство акселерометров, включающих на одной подложке MEMS – структуры ячеистого типа, то есть размещение сразу трёх MEMS датчиков ускорения по каждой оси или с 6 степенями свободы, интегрированных с электроникой. Сегодня практически каждый известный производитель акселерометров предлагает портфолио своих трёхосевых устройств, обеспечивающих большую гибкость интеграции, но цена остаётся той же, что и для одно- и двухосевых устройств.

Как разновидность объединения MEMS с ИС возникло и является актуальным размещение ASIC поверх MEMS-структуры. Новая концепция корпуса, получившая название Chip-on-MEMS (CoM) реализована в новых датчиках VTI Technologies. Согласно данной концепции, MEMS и ASIC производятся на отдельных подложках, а затем ASIC флип- чипы размещаются поверх MEMS-подложки. Прежде чем ASIC добавляется к MEMS-подложке, прикрепляются слои для перераспределения и изоляции, внешнего соединения, и поэтому чипы ASIC изолированы от МЭМС пассивирующим слоем.

CoM-технология VTI обеспечивает следующие признаки: сниженную индуктивность выводов, малый размер чипов и корпуса с толщиной профиля менее 1 мм, малый вес, технологичность при автоматической пайке устройства поверхностного монтажа. Дополнительное корпусирование не требуется. Компоненты VTI CMA3000 должны быть помещены на плату или другие пользовательские подложки (например, керамику) согласно их геометрии и запаяны. В данном случае рекомендуется автоматическое позиционирование компонентов.

Flip-Chip-технологии формируют одно из самых актуальных направлений дальнейшего развития МЭМС. Получить достаточно обширную информацию о них можно в книге Джорджа Рилея «Мир микро- и наноэлектроники», изданную на русском языке собственными силами компании «Sovtest ATE».

Таким образом, современные MEMS изготавливаются посредством прослаивания, комбинирования и клиентской адаптации производственных процессов, в основе которых используются те же технологии, что приняты для производства ИС.

Технология CoB (Chip-on-Board), то есть процесс непосредственного монтажа кристаллов на подложку, в качестве которой могут применяться печатные платы, изготовленные из стеклотекстолита или гибкие полиимидные платы, с использованием жидкого адгезива (клея) и корпусированием, выполняемым как заливка компаундом, также весьма перспективна в современных технологических процессах изготовления миниатюрных электронных устройств во внешних корпусах. CoM/CoB технология позволяет быстрее и с меньшими усилиями создавать микроминиатюрные изделия, обеспечивает большую гибкость и адаптивность производственного процесса к изменениям дизайна, больше возможностей для контроля и исправления ошибок.
О какой бы из технологий ни шла речь (CoM) или другой – MEMS датчики и актюаторы комбинируются с электроникой в едином функциональном корпусе устройства, который позволяют далее снижать системную цену, повышая системные характеристики, обеспечивая лёгкий в в обращении формат.

Полная синергия достигается, если процесс корпусирования является интегральной частью дизайна продукта. Будущий уровень гетеросистемной интеграции будет включать новые концепции, материалы, процессы, наработки дизайна, средства симуляции и новые технологии. Всё это непрерывно разрабатывается.

MEMS технологии сегодня объединяются с NEMS (nanoelectromechanical system), что позволяет расширять прежде доступные пределы. Прежде всего, объединение касается таких применений, как биотехнологии, радиочастотных RF MEMS и акселерометров.

MEMS и нанотехнологии объединены, например, в микросистемах полимерных цепных реакций Polymerase Chain Reaction (PCR), микромеханических туннельных микроскопах Scanning Tunneling Microscopes (STMs), биочипах для обнаружения химических и биологических агентов.

Интегрирование индукторов и конденсаторов, резонаторов и других схемных компонентов в RF MEMS позволяет повысить характеристики переключающих коммуникационных схем, но площадь, занимаемая компонентами, потребляемая мощность и цена снижаются. То же самое можно сказать и об акселерометрах: среди коммерчески доступных устройств наиболее распространены ёмкостные MEMS акселерометры, отличающиеся малой потребляемой мощностью, миниатюрными размерами, простотой интегрирования.

Туннельные акселерометры характеризуются ещё более меньшими перемещениями 1 Ǻ и малыми уровнями туннельных токов, микрооптические – ещё более высоким разрешением, чем ёмкостные.

Как говорилось, технология производства MEMS во многом заимствована из технологии производства ИС, и включает три основных этапа: депонирование, литография и травление, в результате которых формируется тонкая подвижная структура. Тем не менее, некоторые технологии и процессы, а также последовательность их применения отличаются, и технологический зазор MEMS – ИС продолжает расти.

На смену фотолитографии, традиционно использующей депонирование слоёв фоторезиста и маски для передачи паттерна и травления приходит наноимпринтлитография– тиснение повторяющегося паттерна с размерами порядка нм вместо оптического метода. MEMS структуры многослойные, и этапам наращивания и удаления слоёв фоторезиста сопутствует выравнивание слоёв, кроме того, существует ряд других ограничений. На сегодняшний день из стен лабораторий уже вышла технология нанотиснения, обеспечивающая недорогое нанесение нанорисунков на значительные площади путем их переноса с шаблона (штампа) на подложку (рис. 2). 

 

Рис. 2. Установка монтажа кристаллов с функцией наноимпринтлитографии модель FC300 (SET, Франция)

Наноимпринтлитография – перспективная технология, используемая в микроэлектронике для создания образов (рисунков), которая основана на том, что шаблон опускают в мягкий слой тонкой пленки нанесенного на подложку фоторезиста, обладающего способностью к отверждению под действием тепла или света (УФ) с сохранением формы отпечатанного рисунка. Известно 2 варианта выполнения наноимпринтлитографии: горячее тиснение (отверждение под действием температуры и давления) и холодное тиснение (облучение УФ).

Согласно общим данным, данная технология позволяет получать рисунки с минимальными размерами порядка 100 нм, но, ввиду своего стремительного развития, стали реальностью структуры с размерами менее 10 нм. Сегодня доступно оборудование для тиснения, выравнивания и совмещения слоёв с разрешением порядка 20 нм, в основном ограниченным лишь размерами шаблонов – перспективное в производстве МЭМС, биомедицинских, оптоэлектронных и других приборов.

Наноимпринтлитография проще в выполнении, чем традиционная фотолитография, не требует сложной оптики, опасных химических веществ, источников большой энергии, позволяет работать с широким диапазоном фоторезистов и создавать трехмерные структуры, поэтому в будущем ожидается её широкое применение.

По-прежнему актуально сухое глубокое реактивное ионное травление DRIE, позволяющее получить вертикальную глубину травления в сотни микрон. Всё это, безусловно, значительно отличает производство МЭМС от традиционных техпроцессов ИС, и, даже принятая для производства ИС, DRIE не столь влияет на цену устройства, как в производстве МЭМС.

В отличие от полупроводниковых ИС, для которых процесс корпусирования является не столь определяющим фактором в создании системного решения, корпусирование MEMS структур играет более важную роль и в процессе производства, и значительно отражается на цене.

Так, довольно часто возникает необходимость интегрировать все компоненты в гетерогенную систему на общей подложке вследствие несовместимости материалов и технологических процессов при изготовлении датчиков, актюаторов и электронных схем (гибридная интеграция). Заглядывая в будущее, можно отметить, что в нанотехнологиях существует такое направление, как самосборка, и этот процесс также отличен от традиционных технологий ИС. Параллельно развиваются, как два направления, наноэлектронные приборы, интегрируемые с КМОП и не рассчитанные на совместимость с КМОП.

Сложилась ситуация, согласно которой корпусирование, сборка и тестирование MEMS составляют вместе более 50% (или даже 60% - 80%) от системной цены. Конечно, в зависимости от назначения устройства этот процентный вклад варьируется. Вполне объяснимы, например, повышенные требования к корпусированию MEMS устройств, непосредственно локализованных в химически активной по отношению к устройству среде, в которой они выполняют свои измерения (например, датчики давления топливного бака, масла двигателя или кровяного давления человека). В этом случае кремниевая подложка должна быть хорошо защищена. Очевидно, требования к корпусированию био- MEMS в корне отличны, например, от сотовых телефонов, допускающих применение Chip-on-Board.

В общем, выделяются следующие классы корпусов:
• полностью герметичный (обычно включает вакуум и выполняется из керамики, стекла, металла);
• не герметичный пластиковый корпус;
• близкий к герметичному корпус near-hermetic package (NHP);
• корпусирование на уровне подложечных пластин wafer-level packaging (WLP) с применением пассивного колпачка (без электрических соединений);
• корпусирование на уровне подложечных пластин Full WLP – с применением колпачка и включением электрических соединений.

Для прецизионных измерений важно скомпенсировать температурную чувствительность. Различные коэффициенты температурного расширения участков подложки из разных материалов дополнительно наводят механические напряжения. Важен также и метод крепления. Многие MEMS имеют межсоединения с ASIC, что также должно быть учтено при изготовлении устройств. Кроме того, можно предположить, что природа электромеханических MEMS обусловливает их влияние на общее температурное поле в их рабочем пространстве – не изучаемый средствами численного моделирования, но, несомненно, имеющий место индукционный нагрев.

Таким образом, тестирование необходимо практически на каждой стадии производства. Становится ясным, что для получения функциональных и надёжных MEMS устройств, например, медицинского, военного и аэрокосмического назначения, производителю требуется специальное оборудование для реализации основных технологических этапов производства, корпусирования и тестирования/испытаний MEMS.

Совокупность ресурсов, поддерживающих проектирование, разработку, производство, тестирование MEMS, должна включать такие ключевые элементы, как оборудование для производства и контроля, программное обеспечение. Разработка, инжиниринг и производство МЭМС предполагает задействование так называемых чистых комнат, или производственных помещений с особыми условиями в отношении чистоты и антистатики (является фактом, что без надлежащего обращения элементы MEMS могут быть разрушены ESD), в том числе и с автономной воздушной вентиляцией, а также модульную организацию процессов, допускающую выполнение экспериментальной работы. Логистика также для MEMS является более важным фактором, чем для обычной электроники, поскольку пластины большие, хрупкие, чувствительные к загрязнениям, поэтому требующие особых условий.
Несмотря на повсеместную доступность для производителя средств разработки и производства MEMS – компонентов, коммерциализация ограничивается повсеместно отсутствием стратегии конструирования для производства и тестирования, принятой поставщиками технических решений. Разработка MEMS фокусируется на разработке компонента: акселерометра, датчика давления и т. д., но не включает в анализ общее решение со специализированной ИС (ASIC). Сравнительно недавно, например, для минимизации площади монтажа стала использоваться интеграция на уровне пластины и другие методы увеличения плотности.

Корпусирование на уровне подложечных пластин wafer-level packaging (WLP) перспективно для снижения цены – благодаря получаемому корпусу малого размера, повышенным характеристикам, быстрому времени продвижения на рынок. Современный рынок МЭМС характеризуется ярко выраженным влиянием технологий межсоединений через специальные электропроводящие слои TSV (through-silicon via) и WLP, и особенно ярко выражен переход от 6-дюймового или 150-миллиметрового к 8-дюймовому (200 мм) производству пластин. Вместе эти технологии допускают корпусирование, например, порядка 5000 датчиков/на подложечной пластину.

Все перечисленные выше аспекты обусловили существование такой тенденции, как кооперация между разработчиками и производителями МЭМС и ИС (ASIC).

Наблюдается бурный рост МЭМС индустрии. Но крупные компании – производители ИС всё чаще стремятся приобретать малые инновационные МЭМС компании. Объединение обещает ещё более ускорить рост, развитие и повышение объёмов продаж. С самого начала объединение технологий позволило выделиться таким компаниям, как

Analog Devices, Freescale. Недавний пример – Bosch и Akustika. В МЭМС заинтересована, сейчас например, компания Maxim – крупный производитель аналоговой электроники.

Параллельно с полупроводниковыми фабриками пластин с микросхемами возникли так называемые fabless-компании (fab — полупроводниковая фабрика, less — признак отсутствия), или не имеющие своих собственных производственных полупроводниковых фабрик и обращающиеся с заказами к крупным производителям, иногда через брокеров, формирующих крупные заказы. Fabless-фирмы иногда называют дизайн-центрами, и их доля в мировом рынке значительна. Выделяется также группа предприятий с ограниченными производственными возможностями (fab-lite).

Инфраструктура производителя MEMS компонентов может включать такие средства производства, как фаундри-услуги крупных компаний, обладающих технологиями производства, мелким фирмам. Но полупроводниковые заводы (foundries) и фабрики ИС обещают ещё более быстрое продвижение на рынок готовой продукции, чему в значительной степени способствует собственная ASIC микроконтроллерная технология. Многими из технологических процессов MEMS компании – производители аналоговой электроники уже располагают. Если же и технология корпусирования с соответствующим оборудованием также доступна производителю MEMS в рамках собственной производственной линии, то это означает возможность тестирования на всех этапах, повышенную надёжность, возможность накопления статистики анализа сбоев и их устранение. Стоит ли говорить о наличии больших маркетинговых наработок крупных компаний и имеющейся у них широкой клиентской базы для сбыта МЭМС – это один из ключевых факторов для развития и внедрения МЭМС технологий и компаний – производителей ИС, стремящихся занять лидирующие позиции на рынке МЭМС ИС (MEMS IC).

Массовые рынки поддерживают окупаемость разработки и внедрения специального оборудования для МЭМС различного назначения.
В настоящее время развивается также применение датчиков движения для человеко-машинного интерфейса – и в этом случае речь идёт об акселерометрах, занявших сегодня ключевые рыночные позиции во многих сферах применения. По данным фирмы iSupply, мировой рынок MEMS акселерометров возрастет с $947,7 млн. в 2007 году до $1,7 млрд. в 2013 году. Акселерометры широко применяются в автомобильной (например, для систем развёртывания подушек безопасности) и потребительской электронике (сотовых телефонах, ноутбуках, нетбуках и т. д.), для мониторинга производственного оборудования, в навигационных системах, медицинских приборах.

2. Акселерометры. Рекомендации по выбору
Акселерометр или датчик инерции измеряет ускорение или, согласно второму закону Ньютона, силу, вызывающую ускорение инерционной массы. Акселерометры включаются в мехатронные системы, чтобы измерять 5 основных параметров: движение, положение, наклон, вибрацию и удар.

Среди коммерчески успешных датчиков выделяются следующие, классифицируемые согласно измерительному/физическому принципу, категории акселерометров:
• пьезоэлектрические,
• пьезорезистивные,
• ёмкостные.

Кроме того, разработаны тепловые акселерометры (Memsic), из стен лабораторий выходят туннельные, микрооптические и микрожидкостные датчики ускорения. Все без исключения, перечисленные типы акселерометров, в том числе и пьезоэлектрические (пьезоплёночные) датчики, допускают их исполнение на основе MEMS – технологий.

Выбор акселерометра, прежде всего, обусловлен применением, где приоритетными являются определение того из параметров, который будет детектироваться (ускорение, движение, вибрация), детектируемый диапазон основного измеряемого параметра, статические или динамические условия.

Список актуальных применений акселерометров включает:
• детектирование движения – измерение ускорения, вычисления скорости и перемещения методом интегрирования;
• измерение вибрации (различают высокочастотную и низкочастотную вибрацию);
• измерение ударов;
• измерение наклона/гравитации (инклинометры);
• измерения в условиях высоких и низких температур;
• измерения в условиях радиационного воздействия;
• многоканальные измерения.

При измерении параметров движения, например, в системах инерциальной навигации, немаловажной является скорость перемещения объекта, и для прецизионных измерений скорости методом интегрирования ускорения ошибка смещения нуля аналогового сигнала должна быть сведена к минимуму.

Поскольку все пьезоэлектрические акселерометры реагируют только на изменение ускорения, статически нечувствительны и образуют ненулевое смещение при измерении медленного движения, они не применяются для детектирования движения медленно перемещающихся объектов. Это так называемые динамически чувствительные датчики, или AC-акселерометры. Хорошей чувствительностью к малым перемещениям, статической чувствительностью обладают пьезорезистивные и ёмкостные датчики, относящиеся к так называемым DC- устройствам.

Температурный дрейф нуля в статически чувствительном акселерометре образует то же самое ненулевое смещение динамически чувствительных AC-акселерометров, отличающееся только природой его возникновения. Поэтому рабочая температура, температурные условия также должны учитываться.

Поскольку результаты интегрирования – скорость или перемещение – далее значительно зависят от качества первичного сигнала ускорения, важны такие параметры датчика, как разрешение и соотношение сигнал-шум SNR (signal-to-noise ratio).

При измерении вибрации на первое место выходят частотные условия: выделяется высокочастотная, низкочастотная вибрация. Диапазон частот непосредственно связан с детектируемым диапазоном ускорений. Для измерений высокочастотной вибрации важно, чтобы резонансная частота акселерометра была высокой. Это позволит предотвратить резонанс вследствие высокочастотных гармоник и недопустимое состояние выхода датчика и ASIC, недемпфируемых высокочастотных акселерометров, составляющих большинство.

Широкополосность акселерометра обычно соответствует малой чувствительности ко входу ускорения – главное физическое ограничение преобразователей, включающих пружинную массу. Для широкополосных датчиков важна способность датчика к выполнению калибровки.

Важен также и метод крепления, поскольку способность передачи сигналов различается при применении различных методов крепления.

Детектирование низкочастотной вибрации, например, в таких применениях, как модальный анализ, требует хорошего согласования фаз каналов в рабочем частотном диапазоне. Поэтому при выборе акселерометра для низкочастотных измерений приоритет отдаётся DC-дизайнам: пьезорезистивным, а также ёмкостным устройствам или, к примеру, сервоакселерометрам (устройствам с принудительной обратной связью, выполняющей удержание инерционной массы в сбалансированном положении). Для отделения сигнала от внешних шумов рекомендуется низкочастотная фильтрация, удаляющая ВЧ гармоники, снижающие динамический диапазон системы. Важными являются: частота среза порядка нескольких Гц, или близкое к статическому ускорение. Частоты выше нескольких Гц могут измеряться AC-акселерометрами.

Чувствительность к механическому напряжению основания должна быть малой, так как на низких частотах сложно выделять вибрационные сигналы, особенно увеличенной амплитуды, рекомендован адгезивный монтаж. Тепловая переходная чувствительность, или чувствительность к низкочастотным температурным полям, также влияет на сигнал ускорения и предполагает применение эффективной тепловой защиты датчиков.

Особую нишу занимают акселерометры, предназначенные обеспечивать функциональные характеристики в жёстких условиях эксплуатации: работающие в условиях различных фаз и сред (масла, газа), экстремальных температур (-120°C, +180°C), высоких вибраций, ударных нагрузок (20000g), повышенной радиоактивности. При передаче информации от датчика в многоканальных системах по беспроводным каналам актуальны также проблемы идентификации и безопасности.
Безусловно, в данных применениях MEMS технологии имеют ограничения, но применение соответствующих материалов и технологий микропроизводства (стандартных Si, SOI, SiC) в комбинации с правильным использованием имеющихся знаний по аспектам осуществления измерений, технологий сборки и корпусирования позволяет строить датчики, удовлетворяющие самым жёстким требованиям данных применений.

Измерения ударов, например, в автомобильных испытаниях, креш-тестах, при испытаниях ударопрочности корпусов, устойчивости к ударным волнам при взрыве требуют акселерометров со специальными характеристиками. Важнейшей из них является пиковое ударное ускорение (порядка 10000 g или выше). Для этих измерений применяется модель твёрдого тела объекта, но часто ударное воздействие является нелинейным – его сложно характеризовать. Поэтому при выборе акселерометра важно, чтобы было сведено к минимуму смещение нуля, что обеспечивают специально разработанные устройства. Чем ближе к источнику воздействия находится акселерометр, тем выше уровень g, поэтому малая часть не ограничиваемой (не демпфируемой) массы может давать большую силу воздействия. Это может вызывать, в частности, сбои соединителей, плохие контакты, генерировать трибоэлектрические шумы при использовании обычных коаксиальных кабелей. Поэтому для детектирования высоких ударных воздействий применяются паяные терминалы и ленточные жгуты – ввиду их малого веса, но при осуществлении их монтажа требуется осторожность.

Полезный выходной диапазон не должен быть ограничен. ФНЧ на входе усилителя позволяет предотвратить перегрузки вследствие неожиданных входных воздействий. Для измерения параметров движения при медленных ударах должна обеспечиваться статическая чувствительность.

Измерения в радиационном окружении, или проводимые близ радиоактивных источников, которыми являются, например, ядерные реакторы, создают потребность в радиационно-стойких акселерометрах. Поскольку уровни радиации зависят от месторасположения акселерометра и значительно варьируются с расстоянием, существует градация различных уровней радиационной стойкости.

Как правило, наивысшей радиационной стойкостью обладают пьезоэлектрические акселерометры, а дизайн со встроенной электроникой характеризуется наименьшей радиационной стойкостью.

В данном применении при выборе акселерометра учитываются также следующие соображения. Для передачи сигнала в комнату, где располагается оборудование мониторинга и управления процессов, используются специальные радиационно-стойкие кабели и преобразователи. Для кабельных сборок ядерных реакторов используются специальные материалы, отличные от традиционного тефлонового диэлектрического материала, не выдерживающего длительное радиационное воздействие. Например, специальные кабельные сборки для радиационного окружения предлагает компания Endevco. Несколько моделей в семействе 2273A рекомендуются производителем для атомной промышленности.

Помимо атомной промышленности, КМОП радиационно-стойкие компоненты и ИС актуальны для аэрокосмических применений, где востребованы схемы повышенной надежности, удовлетворяющие также и другим самым жёстким требованиям (например, MIL-STD-883 Class B и SР).

Так, требования для космической электронной техники включают:
• рабочий температурный диапазон порядка -55…125ºC;
• повышенная вибрационная стойкость;
• повышенная герметичность корпусов, защита от внешних сред;
• высокая надёжность, срок службы 10-15 лет (15 FITS);
• низкий уровень отказов (10 ppm);
• высокая долговременная стабильность;
• контролируемая жаростойкость и газовыделение.

Для производителей компонентов актуальны следующие стандарты: MIL-M-38510, MIL-STD-883 для микросхем, MIL-I-38535 для ASIC, VLSI, VHSIC.

К процессам производства компонентов для аэрокосмической отрасли в США предъявляются дополнительные требования, основными из которых являются требования мониторинга, контроля и отбраковки и применение расширенного набора тестовых процедур для получения практически бездефектных изделий. В итоге производство компонентов для военной и аэрокосмической отрасли характеризуется высокой ценой, но в итоге это сокращает расходы по проекту.

Одним из технологических лидеров в области радиационно-стойкой электроники, отличающейся также высокой функциональностью и надёжностью, является компания Aeroflex, поставляющая компоненты для NASA, Lockheed Martin, Boeing, Harris, Nortrop Grumman, Raytheon, General Dynamics, BAE Systems и других.

Поставляемые компанией электронные компоненты соответствуют стандарту MIL-REF-38535, сертифицирующему их согласно классам Q, T (применение в военной промышленности), V (применение в космической отрасли). Список других сертифицированных производителей включён в специальный QML-list.

Стоит заметить, что требования к MEMS и наноустройствам, которые разрабатываются для автомобильных, промышленных применений, медицинских приборов, также являются достаточно высокими, и повышаются с каждым годом. Важна надёжность и отказоустойчивость устройств, ответственных за жизнеобеспечение пациента, автомобильную или промышленную безопасность, разрабатывается радиационно-стойкая и высоконадёжная электроника для атомной промышленности.
Для достижения максимального соответствия требованиям различных отраслей разрабатываются стандарты MEMS. Помимо уже упомянутых стандартов MIL, в данном направлении, а именно, над созданием стандартов MEMS, работают группы SEMI, IEEE, JEDEC и другие.

JEDEC – Joint Electron Devices Engineering Council EIA – Объединенный Совет по электронным устройствам Ассоциации Электронной Промышленности (EIA – Electronic Industries Association) включает инженерный комитет, сфокусированный на MEMS-индустрии.

Стандартизации подлежит корпусирование, тестовые методы, квалификационные планы, или Pin-out требования для всех MEMS устройств. Специальное внимание уделяется, например, тестовым методам для закорпусированных устройств.
Суть методов тестирования функциональности устройства состоит в проверке его характеристик. Они могут включать электрическое, оптическое, механическое тестирование, и результатом является выборка пригодных и отбраковка непригодных изделий.

SEMI, являющаяся глобальной ассоциацией производителей микро- и наноэлектроники, также занимается поддержкой MEMS. С 2006 года SEMI Standards разрабатывает стандарты для корпусирования MEMS.
В перспективе – квалификация устройств для данной отрасли (примерами являются AEС Q100, ISO/TS949 для автомобильной отрасли), помимо общепринятой сертификации (ISO9001:2000, RoHS), стандартизация производственных процессов, методов тестирования, испытаний.

Всё это означает, что многие рынки – и массовые, и рынки уникальных продуктов (атомная, аэрокосмическая и военная отрасли, медицина) – смогут использовать преимущества MEMS технологии оптимальным образом, в том числе и при работе компонентов в жёстких условиях эксплуатации. Но от производителя компонентов это потребует более глубокой проработки вопросов применения технологий и подбора оборудования для производства и обеспечения качества изделий.

3. Проекты “Sovtest ATE” и предложения по кооперации в проектировании MEMS акселерометров.
ООО «Совтест АТЕ» работает на рынке микроэлектроники с 1991 года как поставщик комплексных технических решений для предприятий-изготовителей микроэлектронных изделий, предлагающий широкий спектр оборудования для производства, тестирования и испытаний микроэлектронных компонентов, расходные материалы и инструменты. С 2006 года направление деятельности компании под названием «Оборудование для микроэлектроники» выделилось и стало обособленным, и сейчас компания «Sovtest ATE» проявляет активность в работе над проектами комплексных технических решений, включающих MEMS.
Компания сотрудничает со многими промышленными лидерами – производителями промышленного оборудования: Teradyne (США), Dage (Великобритания), S.E.T. (Франция), Hesse&Knipps (Германия), Hybond (США), Accretech (Япония), MultiTest (Германия). Данный список не полный, и с каждым годом расширяется – с целью максимального удовлетворения потребности Заказчика, возможности выбора вариантов и достижения оптимального соотношения цены и качества.

Собственная сервисная служба «Sovtest ATE» выполняет гарантийное и постгарантийное обслуживание, техническую поддержку, шеф-монтаж, пуско-наладку и настройку оборудования, обучение персонала Заказчика.

Большой опыт работы со многими предприятиями-заказчиками России и стран СНГ, накопленный специалистами компании, успешность в проектировании и производстве первых собственных микроэлектронных изделий позволяют «Sovtest ATE» заявлять о своей готовности удовлетворить существующую потребность в технологиях для производства уникальных MEMS компонентов для крупнейших Заказчиков – представителей аэрокосмической отрасли, военной промышленности, атомной промышленности, медицины.

В сфере внимания компании все связанные с полупроводниковой промышленностью, микро- и нанотехнологиями актуальные инновации, к которым относятся, например, MEMS технологии или фотовольтаика. «Совтест АТЕ» развивает такие технологические направления, как наноимпринтлитография, Flip Chip, Chip-on-Board, зондовый контроль пластин, корпусирование, герметизация изделий и другие. Работая в данном направлении, компания выбирает для себя путь обеспечения предприятию Заказчика комплексности и оптимальности предлагаемых технических решений. Помимо оборудования для производства, предлагается тестовое и испытательное оборудование. Так, например, компания поставляет оборудование как для прецизионной установки и разварки кристаллов, так и для наноимпринтлитографии (рис. 2), обнаружения дефектов в трехмерных корпусах посредством двухмерной и трёхмерной рентгенодефектоскопии, тестирования MEMS датчиков и других компонентов в условиях вибрации и т. д.

Совсем недавно, в июле 2009 года, ООО «Совтест АТЕ» подписало эксклюзивное дистрибьюторское соглашение с американской компанией “IMP” (Intelligent Micro Patterning, LLC) на поставку оборудования для производства микроэлектроники, а именно установок оптической фотолитографии без масок, позволяющих работать с различными типами подложек, в том числе и для фотошаблонов. На оборудовании компании IMP можно получать структуры с минимальным размером элемента 0,5 мкм. Отличительной особенностью оборудования компании IMP является возможность изменять длину волны и мощность излучения модуля экспонирования.

В настоящее время компания в силах предложить как свою помощь в прототипировании и освоении производства крупным компаниям из любой отрасли промышленности, так и оказать весь спектр услуг дизайн-центрам MEMS.
Под производство на предприятии обустроена специализированная антистатическая чистая комната, которая одновременно служит и для демонстрации оборудования Заказчикам. Здесь можно воочию убедиться в реальных возможностях производства прототипов, тестирования, испытаний, предлагаемых «Sovtest».

В конце 2008 года в рамках проекта по пуско-наладке оборудования с целью передачи его заказчику и укомплектования чистой комнаты были проведены пусконаладочные работы установки для монтажа кристаллов РР-5 (CEFORI, Франция) (рис. 3), которая обеспечивает следующие преимущества:
• позволяет производить процессы монтажа кристаллов практически всеми известными на сегодня методами (на клей, эвтектика, Flip Chip, термокомпрессия и др.), в том числе и в соответствии с технологией CoB (Chip-on-Board);
• обеспечивает простоту в эксплуатации и минимальное время, затрачиваемое на освоение рабочих процессов,
• даёт возможность захвата кристаллов с упаковок типа Waffle pack и с пластин диаметром до 200 мм (при минимальном размере кристаллов 150х150 мкм и максимальном размере подложек до 250 мм).

 

Рис. 3. Установка для монтажа кристаллов РР-5 (CEFORI, Франция)

Кроме установки РР-5, в чистой комнате имеется автоматическая установка для разварки кристаллов BJ820 клином и установка тестирования соединений Condor 70-3. Таким образом, на предприятии создана возможность монтажа кристаллов на установке РР-5, с последующей разваркой проволочных выводов, а также тестированием полученных соединений.
Значительный интерес представляет тот факт, что уже имеется тестовое оборудование собственной разработки специалистов «Sovtest ATE», применимое в различных отраслях промышленности. С целью расширения производства параллельно ускоренными темпами строится ещё один корпус.

На данный момент разработана программа сотрудничества с ведущими зарубежными научно-исследовательскими организациями в области инноваций в 2009 году: МИЭТ, ИФП СО РАН, Fraunhofer, MEMSFab, IHM, CSEM и другими.

Так, благодаря научно-производственной кооперации с институтом «Fraunhofer IZM» (который является составной частью организации «Fraunhofer-Gesellschaft», объединяющей более чем 80 исследовательских центров, включая и 56 институтов Fraunhofer, расположенных в 40 городах Германии,12 500 ученых и инженеров), компания «Совтест АТЕ» в состоянии предложить потенциальному Заказчику готовые бизнес-решения в сфере микроэлектроники и нанотехнологий:
• разработка технологии производства уникального технического продукта в соответствии с требованиями Заказчика на базе научно-исследовательского комплекса института «Fraunhofer IZM»;
• апробация разработанной технологии в условиях российского производства;
• подбор и поставка линейки необходимого оборудования, его тестовые испытания и монтаж;
• теоретическое и обучение специалистов Заказчика основам реализации технологии и работы с оборудованием;
• научно-техническое и консультационное сопровождение Заказчика в послепродажный период.

На данный момент в тандеме«Sovtest ATE»- институт «Fraunhofer IZM» предлагаются технологии, значительно перекликающиеся с приоритетными задачами, обозначенными в федеральной целевой программе «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы.

Специалистами «Sovtest ATE» произведена значительная предварительная работа по изучению потенциальных рынков применений акселерометров – в частности MEMS, основ их проектирования и разработки, не говоря уже о всесторонней проработке вопросов применения передовых технологий производства, тестирования и испытаний, которые с самого начала основания компании стояли на первом месте.

Практическая работа в данном направлении со стороны «Sovtest ATE» уже началась, и, согласно проводимой маркетинговой политике компании, развитие, результат, а также масштабы осуществления конкретного проекта будут зависеть в наибольшей степени от заинтересованности в дальнейшем сотрудничестве Заказчика. Компания «Sovtest ATE» предлагает всестороннее содействие в осуществлении проекта совместно с Заказчиком – начиная с формулировки предприятием Заказчика требований к техническому продукту, и заканчивая научно-технической поддержкой в освоении уже готовой технологии производства, тестирования, испытаний, и рассматривает любые предложения по кооперации в производстве MEMS компонентов и других изделий микроэлектроники.

Получите подробную информацию о технических характеристиках, ценах и условиях поставки оборудования, направив официальный запрос с сайта.

Отправить запрос