从实验室到晶圆厂：MEMS与光子学制造迈向300毫米新时代

过去二十年间，MEMS和光子学的格局发生了根本性转变。世纪之交时，光子集成电路（PIC）还只是大学实验室和政府资助项目的研究领域；一群科学家和创新者先驱们致力于开展研发工作，开发器件原型，这些原型被视为未来的核心部件。各团队努力打造基础构件——低损耗氮化硅波导、稳定耦合器、无漂移环形调制器、锗光电探测器——并力求实现一定程度的制造一致性。

图片来源：Rogue Valley Microdevices

MEMS团队也在进行类似的工作，优化高深宽比结构和微镜，不断挑战释放工艺和应力控制的极限。那是一个充满想象力和魅力的时代，但也困难重重；所谓的“胜利”大多停留在子组件层面，而良率——这么说吧——还有很大的提升空间。

如今，格局已经改变，激动人心的氛围随处可见。包括IEEE电子元件与技术会议在内的行业盛会，聚焦于先进封装、PIC和MEMS衍生微细加工技术的融合。这种融合不再是旁支研究——而是主会场议题。全球最具价值的公司正将PIC直接纳入其发展路线图。集成光子学、MEMS技术及其融合的微细加工流程，如今已成为AI、数据中心和封装领域大型会议的重头戏。

MEMS领域向300毫米晶圆平台的跃升，紧随半导体行业向300毫米晶圆生产转型的大趋势。图片来源：Rogue Valley Microdevices

在这种动态变化中，行业参与者和应用研究人员已不再纠结于基础物理和制造良率模型能否支撑功能性芯片。如今，竞赛的焦点已转向满足超大规模企业和AI巨头切实的产品需求。

简而言之，该行业已从探索科学可行性阶段，迈入工程化商业规模化阶段。

弥合制造鸿沟

MEMS和集成光子学已成为驱动现代传感、通信和数据处理的核心技术。这些技术及其赋能的系统无处不在，从我们手机中的传感器到激光雷达扫描仪和光收发器，无所不包。

如今，这一趋势的演进需要大规模的升级：未来十年，在AI和物联网等领域的“杀手级应用”，若无制造技术的突破，将无法实现。为满足这些应用的需求，PIC和传感器必须以百万级而非千级数量制造，并具备半导体级的可靠性。此外，进展还依赖于制备致密、均匀的薄膜，在光刻和刻蚀过程中保持精确的尺寸，以及以实用方式组合以往分别处理的材料。这些技术限制已使许多有前景的器件无法进入稳定的大批量生产。

半导体逻辑和存储器行业在几十年前也曾面临类似的规模化挑战。它们通过精炼材料控制、扩大工艺自动化和实施全面计量技术，成功应对了挑战。MEMS和光子学正处于同样的位置，有机会通过更好的工艺集成和获得300毫米工具套件（带来更高均匀性和良率）来实现成熟化。

但一个显著的差距依然存在：虽然更广泛的半导体行业已标准化了300毫米晶圆平台，但MEMS和光子学领域的许多从业者仍在沿用旧式工具在小尺寸衬底上运作。弥合设备工具和工艺成熟度两方面的差距，将决定这些技术能以多快的速度实现规模化，以满足2020年代及以后严苛的产品路线图。

基础：薄膜与刻蚀控制

MEMS和PIC的性能都始于定义它们的薄膜。光学损耗、机械应力和电隔离等要素，都取决于这些薄膜的沉积和图案化方式。化学计量比的低压化学气相沉积氮化硅、高质量二氧化硅和等离子体增强化学气相沉积氧化物，在MEMS和光子学中都很常见。在光子学中，这些薄膜用作低损耗波导或反射包层；在MEMS中，它们提供结构刚性和电隔离。在这两种应用中，薄膜密度、质量和均匀性对器件性能和良率都至关重要。

在光子产业，低光学损耗依赖于具有光滑界面、低晶圆总厚度变化和良好控制折射率的薄膜。晶圆检测可以识别出可能影响性能的关键缺陷。图片来源：Rogue Valley Microdevices

Rogue Valley Microdevices团队展示一枚300毫米晶圆。MEMS器件将在该公司位于佛罗里达州太空海岸新开设的工厂中，在300毫米晶圆上制造。图片来源：Rogue Valley Microdevices

光子产业和MEMS共有的另一个工艺——刻蚀——是实现高质量制造的最关键工艺之一。光子产业和MEMS的制造流程都依赖精确的硅和介电质刻蚀来塑造结构、电学和光学特征。每种方法都要求严格控制侧壁质量、表面粗糙度和尺寸精度。随着光子耦合器设计的不断改进和耦合损耗降至<1 dB，制造商正将更复杂的材料堆叠和多步刻蚀序列引入生产。保持这些工艺在整个晶圆上的均匀性，仍然是MEMS和光子制造规模化面临的核心挑战之一。

共享平台与封装需求

某些MEMS和PIC器件共享基于绝缘体上硅晶圆的制造平台。顶层器件层提供尺寸精度，埋氧层提供电学和热隔离，手柄层则支持对准和穿透硅结构。由于机械和光学器件都已使用这种材料堆叠，制造商可以在相似基础上，将键合、化学机械平坦化和释放刻蚀等工艺步骤应用于这两类生产。

芯片完成后，MEMS和PIC模块都依赖先进封装来集成到更大的系统中。MEMS器件通常需要气密封装、电互连和机械保护。PIC则需要精确的光学对准、电互连、稳定的热界面和低反射表面。

随着集成度的不断提高，封装已成为总成本的最大构成之一——同时也是最难规模化的问题之一。为电子产品开发的组装方法并不总能满足MEMS或光子器件所需的光学和机械公差。自动对准、晶圆级键合和低释气材料是解决方案的一部分，但它们在行业中的应用仍不统一。

幸运的是，随着先进封装设施不断向300毫米生产扩展，MEMS、光子和电子封装工艺流程之间的兼容性将自然改善。这反过来将为大批量制造开辟更清晰的路径。

MEMS制造的成熟度差距

MEMS生产在加速度计、麦克风和压力传感器等品类已达到高可靠性水平，但在许多其他领域仍然碎片化。每个新设计往往带来其独特的材料和工艺流，从原型到生产的规模化可能需要为每个器件系列调整工具配方和工艺参数。例如，在某些情况下刻蚀侧壁至关重要，在其他情况下则无关紧要。对于许多经验丰富的MEMS设计师来说，当特定工具不在大型工具供应商的生态系统中时，他们会本能地犹豫是否要针对该工具进行设计。这通常是不可避免的。尽管如此，向通用300毫米工具迈进是实现成熟化的关键一步。

良率，如同性能一样，是一个高度依赖薄膜质量和刻蚀精度的指标。层厚或残余应力的微小变化都可能改变谐振频率、改变射频频谱，或在释放过程中导致粘附。对于复杂的MEMS结构，晶圆级键合和对准均匀性又增加了更多变量。因此，工艺控制和高效计量至关重要。随着MEMS向自适应光学、生物医学系统和微流体等更大规模、要求更高的应用扩展，对更严格工艺控制的需求持续增长。

光子制造的成熟度差距

光子产业面临着不同但同样严峻的工艺限制。实现低光学损耗依赖于具有光滑界面、低晶圆总厚度变化和良好控制折射率的薄膜。几纳米的变异就可能改变波导模式或影响耦合效率。这些敏感性使得工艺漂移不可接受。然而，用为电子晶圆设计的检测工具来追踪这些问题却很困难。

光纤与芯片之间的对准同样是瓶颈。随着光学输入输出端口数量的增加，光子器件必须集成越来越大规模的光纤或透镜阵列，这些阵列需直接耦合到片上结构。然而，组装目前仍主要依靠手动或半自动化。要达到更高产量，行业将需要晶圆级对准和键合技术，其中包含先进MEMS封装中使用的方法。

最后，热稳定性仍然是规模化的一大主要限制。许多光子组件依赖主动热调谐来维持波长精度，这增加了功耗并限制了集成密度。更均匀的氮化硅和氧化物薄膜，结合更好的应力控制，可以在材料层面提高稳定性，减少后期对高耗能补偿手段的依赖。

两个领域的交汇点

MEMS和光子学在具体而实际的方式上存在交叉。许多PIC现在包含小型机械元件，能以极低功耗调整或引导光线。以这种方式构建的光开关、微镜和定向耦合器利用静电驱动运动而非热驱动膨胀，显著降低了功耗并实现了更快的操作速度。

使这些器件成为可能的制造步骤源于MEMS制造。牺牲层刻蚀、晶圆键合、硬掩模和机械释放都是成熟的技术，能很好地转化到光子工艺流中。它们在光子学中的应用与其说是两个领域的融合，不如说是应用成熟、可靠的微细加工和组装方法来改善器件性能。这种重叠目前仍然有限，但随着两个行业都在寻求将效率和精度融入光学系统的新方法，重叠正在增长。

弥合制造差距

三个基础领域的改进——材料均匀性、精密刻蚀和可靠封装——对MEMS和光子学的进步都有直接影响。

关于均匀材料，旧式设备是长期存在的瓶颈。许多代工厂仍在运行为100毫米、150毫米或200毫米晶圆设计的设备。在更广泛的现代生态系统中迁移到最先进的300毫米工具，可改善热控制、气流和化学稳定性。这些改进直接减少了薄膜厚度和应力的变异，带来更好的良率和可重复性。

刻蚀定义了决定器件行为的核心结构，需要严格的深度和轮廓控制——这是光子学和MEMS制造中都必不可少的品质。在MEMS中，刻蚀决定了释放参数和尺寸均匀性等要素。在光子学中，它通过对波导和组件的定义，决定了光学模式形状和耦合效率。

无论用于优化光子学中的波导和光学组件，还是MEMS中的机构和光纤耦合器，刻蚀系统都可以根据特定制造商的不同需求进行定制。例如，针对更大晶圆优化的刻蚀系统可改善整个批次的深度精度和侧壁一致性，从而带来更高的器件性能、更好的均匀性和整体良率的提升。

Rogue Valley Microdevices位于佛罗里达州、具备300毫米能力的MEMS代工厂。图片来源：Rogue Valley Microdevices

最后，在晶圆级将光学、电学和机械界面集成在一起，仍然是制造中最困难的部分之一。MEMS制造中使用的键合和封装协议可以提高光子组件的可靠性，而光子学对准和计量技术的进步可以提升MEMS的精度。两者都受益于工艺工程师和封装工程师之间更紧密的协作。

行业已经认识到有效的制造实践。剩下的工作是通过更好的计量技术、工艺控制和共享基础设施，将这种质量延伸到整个供应链，以支持规模化生产。

规模是手段，而非目的

向300毫米制造迁移，带来了提高良率和降低成本所需的工艺稳定性和均匀性。规模不仅关乎产能，还关乎与更广泛半导体生态系统的兼容性，因为大多数先进工具和材料已经为300毫米操作进行了优化。

由于这种成熟度，在300毫米工具生态系统中加工更大的晶圆，通常更容易控制薄膜厚度、温度和均匀性。这为MEMS和光子学生产创造了更一致的基础。

逻辑和存储器工厂通过规模和工艺纪律实现了成熟，如前所述，MEMS和光子学正沿着类似的路径前进。挑战不同，由更广泛的材料和工艺流所塑造。新的制造方法将会出现，但机遇在于达到成熟半导体行业所具备的规模。

从路线图到现实

如今阻碍MEMS和光子学发展的障碍，对任何在晶圆厂待过的人来说几乎都似曾相识。这些微小但顽固的问题，从这些领域的研究根源一直伴随着它们进入商业化生产：薄膜在整个晶圆上漂移，刻蚀在不同批次间表现各异，工艺步骤若无持续关注就无法规模化。

在见证这些技术发展数十年后，很明显，限制因素并非我们尚未发现的发明，而是我们必须持续加强的制造纪律。解决方案是已知的。问题在于我们如何始终如一地应用它们。

更大的晶圆和更强大的工具无疑将有助于推动发展势头。然而，真正的进步将来自于一个日复一日表现如一的基础。当材料以设计师所需的稳定性沉积，当刻蚀轮廓不再带来意外，当从设计到生产的路径感觉可靠而非实验性时——MEMS和光子学将能够以重塑逻辑和存储器行业时同样的信心实现规模化。

有了这样的基础，这些技术将能够支撑下一代传感、通信和计算系统，而这些系统已经在塑造着商业市场。

原文：https://www.photonics.com/Articles/Closing-Manufacturing-Gaps-Promises-to-Take-MEMS/a71799?utm_source=chatgpt.com

作者简介：Jessica Gomez是Rogue Valley Microdevices的创始人兼首席执行官，该公司在俄勒冈州和佛罗里达州运营MEMS代工厂。