MEMS規范概述

??? 許多擁有晶圓廠的半導體制造商尋求通過為無晶圓廠MEMS開發商制造MEMS器件來利用他們舊生產線的產能，但是若想成功遠非掌握制造機械學那么簡單。MEMS制造合作伙伴必須定量地理解某種應用所需的規范，并在MEMS器件規范與最終用戶系統設計之間尋求平衡點。制造商必須能創建出精確的MEMS器件模型，以確保可重復的制造能力。

?MEMS的多級效應要求MEMS器件的客戶與有經驗的MEMS制造商根據共同的實踐經驗來精心制定一個規范。這樣的規范能夠區別可量產器件與不可量產器件的不同。

??? 設計和制造MEMS的技術與生產IC所用的技術大部分相同。然而，MEMS是機械器件，要求設計人員全面理解器件的電氣特性與機械特性之間的必然因果關系。

??? 設計MEMS器件需要利用一系列物理學及交叉學科的知識進行建模和物理仿真，例如結構力學、靜電學、靜磁學、熱力學、機電學、電熱學、壓阻熱力學和熱電力學等。

??? 我們可以看一個案例。客戶為制造商準備了一個規范，用以制造一種微加工的可變光衰減器(VOA)。基于MEMS的VOA具有速度快、尺寸小、成本低等優勢。它們可以使光放大器的增益平坦，還能在密集波分復用(DWDM)光通信系統中實現多信道的功率均衡。

??? MEMS VOA包含一個絕緣體硅(SOI)單晶光閘片，該光閘片被安裝在一個微加工的拉橋激勵器上，并被放置于一條光纖的端面。當給激勵器施加一個驅動電壓時，它將光閘片移進光路，擋住一部分激光束，從而使信號衰減。

??? 在這個應用中，非常詳細的功能規范包括偏振相關損耗(PDL)和反射回損(ORL)。其中，PDL是指所有偏振狀態下最大和最小輸出光功率之比；ORL是指入射光功率與反射光功率之比，單位為dB。

??? 通過引入小反射，MEMS VOA器件能影響ORL和PDL。這些小反射被稱為后向散射，是由光閘片本身的不均勻性(例如雜散粒子或物理缺陷)所導致的。反射光能使主激光信號的調制和光譜特征出現失真，并影響數據傳輸質量和信息吞吐量。

??? 對于這類應用，在評估關鍵的ORL和PDL約束條件時，必須要了解MEMS器件的哪些因素將影響ORL 和PDL，以及在MEMS制造過程中如何測量這些因素。我們已經發現，MEMS器件對ORL和PDL的影響直接與由材料特性和光閘片表面粗糙度引起的后向散射量有關。原始的器件規范已經被修改，以使MEMS器件中的缺陷和雜散粒子的數量及密度降到最低。此外，為了改善ORL和PDL，我們還為光閘片表面設計了一種特殊涂層。

??? MEMS器件的可靠性和性能是關鍵問題。要徹底解決這個問題只有直接測量小樣本，而且小樣本的尺寸必須與要制造的微器件處于同一個數量級。這些樣本依賴于制造和工藝條件，包括基底類型、沉積溫度、摻雜、退火和化學蝕刻。

??? 另一個例子是MEMS硅晶麥克風，這種低成本、高性能、高產量的器件可以替代傳統的駐極體電容式麥克風。在硅晶麥克風中，微型的電容膜片在聲音的刺激下振動，并產生一個模擬電子信號。

??? 在這個案例中，最重要的應用性能指標(麥克風靈敏度)與幾個基本的機械MEMS器件規格(即振動膜片數量、厚度和平滑度)之間存在相關性。為了實現高靈敏度，硅晶麥克風器件必須具有非常薄的、平滑且能自由振動的膜片。最終，通過了解MEMS器件中這些特定規格的應用效應，我們設計出一種可測量、可測試的制造方法，以獲得可重復的靈敏度。

??? 微聲學MEMS硅晶麥克風是從多晶硅演變而來，它充分利用了高度可重復的半導體制造工藝。其結果是獲得穩定的聲學特性以及便于未來改進設計的靈活性。但是為了確保制造的一致性，以滿足應用需求，該麥克風與VOA一樣需要一個全面的規范流程。

??? 共享的閉環規范流程不僅便于成功生產器件，而且有助于縮短MEMS的四個開發步驟，即概念驗證、開發、試產和生產。MEMS制造商必須不遺余力地將MEMS器件中可測量和可測試的參數與終端應用的要求關聯起來，這些參數包括：膜片厚度、應力梯度、材料特性、加工尺寸、縱橫比及表面光滑度等。

??? 最后一個例子是用于通信基礎設施的微光子MEMS器件。這種微加工的鏡像陣列器件驅動一個密集組裝的多端口光纖交叉連接開關。在這個器件中，針對鏡面曲率半徑的機械MEMS規范將直接影響光插入損耗。

??? 理想的鏡面(即相當平坦，無任何缺陷或雜撒粒子)不會給系統增加任何插入損耗，但鏡面上任何微小的曲線或彎曲都會造成光的散射并產生插入損耗。對于客戶的產品線來說，保持極低的插入損耗是一個關鍵賣點，因此確保MEMS器件規范與此一致至關重要。在規范制定過程中了解這點可以加強曲率半徑測量，把它看作制造工序中的一個關鍵環節。