現(xiàn)在微機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了“機(jī)”和“電”的概念, 將處理熱、光、磁、化學(xué)、生物等結(jié)構(gòu)和器件通過微電子工藝及其他一些微加工工藝制造在芯片上, 并通過與電路的集成甚至相互間的集成來構(gòu)筑復(fù)雜微型系統(tǒng).

1 引言

在過去的40多年里, 集成電路的集成度和性能一直在按照摩爾定律不斷地提高, 但CMOS晶體管的尺寸縮小終將遇到物理極限. 研究人員一方面在積極尋找新的替代器件和電路結(jié)構(gòu), 另一方面將目光投到整個(gè)系統(tǒng)的尺寸縮小和性能提高上. 傳統(tǒng)意義上的SoC (系統(tǒng)芯片), 輸入和輸出都是電信號, 只能解決信息技術(shù)中的信號處理部分, 無法直接實(shí)現(xiàn)對外部真實(shí)世界的信息獲取和對外部世界發(fā)生作用. 因此僅僅是一個(gè)較完善的微型電子系統(tǒng)而已, 并不是一個(gè)真正意義上具有完整功能的、獨(dú)立的微型系統(tǒng).

1988年美國加州大學(xué)伯克利分校的Tai等成功地用微電子平面加工技術(shù)研制出了直徑僅有100微米左右硅微機(jī)械馬達(dá), 使人們看到了將可動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路集成在一個(gè)芯片內(nèi), 構(gòu)成完整的微型機(jī)電系統(tǒng)的可能. 微機(jī)電系統(tǒng)——MEMS (micro electro mechanical systems)的概念應(yīng)運(yùn)而生, 并迅速成為國際上研究的熱點(diǎn). 1993 年, 美國ADI公司采用該技術(shù)地將微型可動(dòng)結(jié)構(gòu)與大規(guī)模電路集成在單芯片內(nèi), 形成用于汽車防撞氣囊控制的微型加速度計(jì), MEMS 技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢真正地體現(xiàn)了出來.

現(xiàn)在微機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了“機(jī)”和“電”的概念, 將處理熱、光、磁、化學(xué)、生物等結(jié)構(gòu)和器件通過微電子工藝及其他一些微加工工藝制造在芯片上, 并通過與電路的集成甚至相互間的集成來構(gòu)筑復(fù)雜微型系統(tǒng). 所以, 更準(zhǔn)確地說, 今天的MEMS包括感知外界信息(力、熱、光、生、磁、化等)的傳感器和控制外界信息的執(zhí)行器, 以及進(jìn)行信號處理和控制的電路.

當(dāng)微機(jī)電系統(tǒng)的特征尺寸縮小到100納米以下時(shí), 又被稱為納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS, nano electro mechanical system). 由于尺寸更小及納米結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的新效應(yīng), NEMS 器件可以提供很多MEMS器件所不能提供的特性和功能, 例如超高頻率、低能耗、高靈敏度、對表面質(zhì)量和吸附性前所未有的控制能力等. 以NEMS諧振器為例, 與MEMS諧振器相比, NEMS諧振器利用了納米核心結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)使器件性能獲得了顯著提升, 通過諧振結(jié)構(gòu)的等比例縮小, 器件頻率顯著提高, 甚至可以達(dá)到GHz, 因此可以組成高頻電路里的振蕩器和濾波器. 納米懸臂梁其質(zhì)量可以小至10?18g, 以其為敏感單元的質(zhì)量傳感器已能檢測綁定在結(jié)構(gòu)上的DNA分子, 甚至還能檢測到少量原子的影響. 為了論述方便, 在下文中, 除了特殊說明, 我們將用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)來泛指微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS).

經(jīng)過20多年的發(fā)展, 國際上MEMS已全面走向應(yīng)用, 年銷售額達(dá)到100多億美元, 大量的MEMS器件被用在智能手機(jī)、游戲機(jī)和汽車等方面, 已成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠? 由于MEMS是在CMOS IC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的, 所以人們習(xí)慣性地用IC的思維考慮MEMS的問題. 很多年來人們一直在尋求象IC中的CPU和存儲器一樣的Killer Application, 產(chǎn)生一個(gè)新的飛躍, 甚至帶來比IC 更大的市場. 然而, 這一目標(biāo)至今尚未實(shí)現(xiàn), 而且也沒有一個(gè)公認(rèn)的未來的可能器件或系統(tǒng)躍入人們的視野. 壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺、微麥克風(fēng)、FBAR等MEMS器件雖然銷售量都早已過億, 但由于其自身價(jià)格都不高, 都無法擔(dān)任起這一使命, MEMS的整體市場遠(yuǎn)無法與IC相比擬. 然而, 從這一尋找過程當(dāng)中, 人們也意識到, MEMS 的多樣性和滲透性正是它區(qū)別于IC的鮮明特性. MEMS已經(jīng)進(jìn)入到各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè), 并且在不同程度上改變著其現(xiàn)狀和發(fā)展走勢. 與其說這些器件和系統(tǒng)是MEMS產(chǎn)品, 不如說它們是所在領(lǐng)域和行業(yè)的新一代產(chǎn)品. MEMS 研究的情況也是如此, 最初的MEMS器件研究往往是以微電子或機(jī)械背景的人為主體, 與相關(guān)的研究者合作進(jìn)行; 而近年來, 隨著MEMS技術(shù)日益成熟, MEMS技術(shù)已經(jīng)成為強(qiáng)有力的研究工具. 不同領(lǐng)域的研究者根據(jù)自己的需要和想法, 利用MEMS技術(shù)研發(fā)所需的新型器件和系統(tǒng). 事實(shí)上, 這恰恰說明了MEMS的強(qiáng)大生命力和光明的發(fā)展前景. 它不會由于加工技術(shù)和一些器件的成熟而失去研究上的發(fā)展動(dòng)力, 而是會隨著其他領(lǐng)域的不停發(fā)展而繼續(xù)前進(jìn).

MEMS的這一特點(diǎn)也決定了其研究上的百花齊放, 因此很難對其發(fā)展前沿進(jìn)行概述. 本文將根據(jù)本專輯的主題, 立足于微納機(jī)電系統(tǒng)與集成電路的交叉, 選擇具有代表性的幾個(gè)發(fā)展前沿——MEMS與CMOS IC的集成、NEMS器件在IC 中的應(yīng)用以及生物醫(yī)療應(yīng)用的柔性MEMS芯片進(jìn)行討論.

2 MEMS與CMOS IC的集成

與CMOS IC集成化一直是MEMS研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問題, 實(shí)現(xiàn)電路與結(jié)構(gòu)的完全集成可以提高微機(jī)械器件的性能, 降低加工、封裝的成本, 因此具有非常重要的實(shí)用價(jià)值. 因此, MEMS與CMOS IC集成化在學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面的研究腳步一天也沒用停止過. 然而, 雖然MEMS是在IC的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的, 但二者的集成卻充滿了挑戰(zhàn). 首先, 在技術(shù)層面上, MEMS的三維可動(dòng)結(jié)構(gòu)需要用特殊的工藝技術(shù)或工藝步驟實(shí)現(xiàn), 電子器件與機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能需要不同的工藝處理進(jìn)行優(yōu)化, 這些加工方法或工藝步驟不可避免地存在不兼容或沖突的地方. 例如對于表面犧牲層工藝, 工藝之間的溫度兼容性問題: 形成和優(yōu)化微機(jī)械結(jié)構(gòu)的LPCVD多晶硅和退火等高溫工藝會對電子器件的金屬、電阻和聚合物等產(chǎn)生不利影響; 反過來, 任何在可動(dòng)微加工形成之后的工藝都可能對這些結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞. 其次, 在產(chǎn)業(yè)化層面上, 集成化是否真的可以降低成本, 提高產(chǎn)品的競爭力一直存在爭議. 將IC與MEMS加工在同一個(gè)芯片上, 固然可以減小芯片的總面積, 節(jié)省一次封裝, 但這些所帶來的成本優(yōu)勢卻可能被以下的負(fù)面效應(yīng)所抵消:

1) 通常來說, CMOS的掩膜版數(shù)和加工步驟都遠(yuǎn)多于MEMS工藝, 一個(gè)好的集成工藝可能只需要增加很少的光刻等工藝步驟就可以將MEMS集成在芯片上, 但這仍然會造成成品率的顯著下降. 這會使集成芯片的成品率低于兩片封裝式產(chǎn)品的成品率.

2) MEMS器件往往特征尺寸要求不高, 但所占用的面積卻遠(yuǎn)大于IC的面積. 采用加工高昂的先進(jìn)的IC生產(chǎn)線(如45 nm工藝) 去加工大面積MEMS器件顯然會提高單位面積的成本.

3) MEMS所涉及到的種類廣泛, 加工工藝也五花八門, 難以找到普適的集成解決方案. 每一個(gè)單步的工藝的改變都可能對整個(gè)工藝產(chǎn)生牽一發(fā)動(dòng)全身的影響. 工藝開發(fā)成本高昂.

4) 從產(chǎn)品研發(fā)的角度來看, 兩片式方案可以分別設(shè)計(jì)和加工MEMS器件與處理電路, 甚至使用已有IC芯片, 而集成式方案則需要一起設(shè)計(jì)和加工. 后者的研發(fā)周期顯然要長, 成本也會更高.

5) 由于技術(shù)上的兼容性問題, 集成式芯片中的MEMS器件和IC在性能方面通常需要折衷考慮, 這會一定程度上抵消集成所帶來的性能優(yōu)勢.

由于這些原因, 雖然集成化研究進(jìn)行的如火如荼, 這么多年來市場上真正的單片集成芯片只有TI的DLP (數(shù)字光學(xué)處理器)、ADI的集成加速度計(jì)和陀螺、SiTime的集成化硅振蕩器, 以及一些集成壓阻壓力傳感器等少數(shù)產(chǎn)品. 多數(shù)的壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺、麥克風(fēng)都仍然采用MEMS器件和處理電路分開方式. 國際上一直處于領(lǐng)先地位的純MEMS代工廠Silex Microsystems、Teledyne Dalsa和Tronics等也一直提供單獨(dú)的MEMS加工服務(wù), 集成產(chǎn)品絕大多數(shù)由IDM 模式完成.

這種態(tài)勢隨著集成電路代工巨頭臺積電高調(diào)進(jìn)入MEMS代工業(yè)而面臨巨大轉(zhuǎn)變, CMOS與IC集成加工可能會變成主流的MEMS產(chǎn)品加工方式. 臺積電最初決定從事MEMS代工是在2008年, 但得益于雄厚的技術(shù)與財(cái)力的基礎(chǔ), 營收和排名都得到迅猛提高. 據(jù)著名咨詢公司IHS iSuppli分析報(bào)告, 2011年臺積電相關(guān)營業(yè)收入達(dá)到5300萬美元, 與2010年相比猛增201%, 超過純MEMS代工廠Silex Microsystems躍升為第一位. 雖然營收與其集成電路相比還很少, 但增長速度卻十分驚人. 由自身特點(diǎn)所決定, 臺積電進(jìn)入MEMS代工業(yè)伊始就定位于MEMS與IC的兼容與集成加工, 并在行業(yè)內(nèi)廣泛宣傳這次策略. 目前臺積電的主要代工對象涵蓋了3軸陀螺儀、加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、壓力傳感器、片上實(shí)驗(yàn)室和噴墨打印頭等眾多MEMS產(chǎn)品, 但其最主要的業(yè)務(wù)營收來自于InvenSense的陀螺儀和慣性測量單元(IMU) 以及模擬器件公司(ADI) 的麥克風(fēng), 這兩種器件均是以集成方式制造的. 另一知名集成電路代工企業(yè)聯(lián)電(UMC)也繼臺積電之后實(shí)現(xiàn)了CMOS MEMS的量產(chǎn).

作為MEMS的主要產(chǎn)品之一, 硅麥克風(fēng)的市場一直被樓氏(Knowles)所壟斷, 其產(chǎn)品采用兩片方式. 2011年8月博世收購了MEMS麥克風(fēng)廠商Akustica, 大力推進(jìn)單片集成式硅麥克風(fēng)的研發(fā)與生產(chǎn)力度, 與ADI的集成麥克風(fēng)一道, 向樓氏發(fā)起有力的挑戰(zhàn).

由此可以看出, MEMS與IC集成的腳步在過去兩年內(nèi)大大提速了, 相應(yīng)的MEMS代工業(yè)也隨之迅速增長, 這為無晶圓廠(fabless)模式MEMS設(shè)計(jì)公司提供了前所未有的契機(jī).

以下將簡述幾種典型的MEMS與IC集成工藝.

20世紀(jì)90年代初ADI公司開發(fā)出具有里程碑意義的集成加工工藝——iMEMS工藝, 該工藝將IC加工與MEMS加工交叉進(jìn)行(hybrid-CMOS). 電路采用BiCMOS工藝制作, 用多晶硅制作機(jī)械結(jié)構(gòu), 電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)部分通過N+層來實(shí)現(xiàn). 這種工藝雖然比較有利于工藝的優(yōu)化, 但專門性很強(qiáng), 不容易被標(biāo)準(zhǔn)化和被其他加工廠復(fù)制. 另外, 由于這種工藝采用的多晶硅結(jié)構(gòu)層較薄(2um), 導(dǎo)致信號弱, 結(jié)構(gòu)面積大. 從2004年開始, ADI 公司全面采用集成SOI MEMS工藝來代替iMEMS工藝進(jìn)行慣性MEMS加工. 由于SOI MEMS工藝與表面工藝有很大的近似性, 因此它與CMOS的集成也具有獨(dú)特的優(yōu)勢. 圖1(a)是該工藝方案的示意圖. CMOS電路和電路之間通過深槽回填進(jìn)行隔離. 隔離槽填充通常采用LPCVD多晶硅, 要做CMOS電路的金屬化之前完成, 而最后的結(jié)構(gòu)刻蝕和釋放在CMOS電路之后完成, 可以認(rèn)為是hybrid-CMOS集成. 由于SOI材料中的硅層(40~100um)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多晶硅層的厚度(2um), 因此器件的靈敏度增加, 芯片尺寸卻大大縮小. 同時(shí), 由于簡化了工藝, 雖然材料上增加的費(fèi)用, 但整體成本卻下降了. 圖1(b)顯示了用這種工藝加工出的集成雙軸加速計(jì)adxl311照片.

圖1 (a)集成SOI MEMS工藝示意圖和 (b)用該工藝加工出的雙軸加速計(jì)adxl311照片

北京大學(xué)的閆桂珍等開發(fā)出了一種單片體硅加工工藝, 其剖面結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示, 從工藝到結(jié)構(gòu)上都與集成SOI MEMS類似. 但該工藝采用的是普通硅片, 在成本上具有很大優(yōu)勢, 結(jié)構(gòu)厚度也比較靈活.

圖2 北京大學(xué)開發(fā)出的體硅單片集成技術(shù)

從加工成本和實(shí)用化考慮考慮, Post-CMOS——即在CMOS電路加工完成之后再進(jìn)行MEMS加工是最優(yōu)的方案, 這樣CMOS電路部分的加工可以在標(biāo)準(zhǔn)的集成電路代工廠完成, 最大限度地降低設(shè)計(jì)成本和提高成品率. 因此Post-CMOS技術(shù)一直是集成化研究的熱點(diǎn).

加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)出一種Post-CMOS技術(shù), 采用多晶鍺硅(Poly-SixGe1?x)取代多晶硅作結(jié)構(gòu)材料. 多晶鍺硅的生長溫度小于450℃, 因此可以用鋁來作互連材料實(shí)現(xiàn)Post-CMOS MEMS集成. 這種工藝可以把MEMS結(jié)構(gòu)直接加工在CMOS器件的上方, 因此也可以有效地節(jié)省芯片面積. 比利時(shí)的IMEC 也投入了很大的精力開發(fā)這種技術(shù), 采用PECVD代替LPCVD工藝生長多晶鍺硅, 從而進(jìn)一步降低生長溫度, 提高淀積速率. 這種工藝已經(jīng)開始被用于產(chǎn)業(yè)化.

CMOS MEMS工藝是由美國卡耐基－梅隆大學(xué)開發(fā)的一種完全的Post CMOS集成工藝, 基本工藝流程如圖3(a)所示. 它采用CMOS電路中的互連金屬及金屬間的介質(zhì)作為機(jī)械結(jié)構(gòu), 所以CMOS電路加工完成后只需幾步各向異性和各向同性的干法刻蝕就可以完成器件的加工. 這種工藝的一個(gè)特點(diǎn)是所有的工藝步驟都是單面加工, 所以可以很容易的移植到基于不同尺寸襯底的工藝線上, 可以增加選擇加工服務(wù)商的自由度. 這種工藝的主要缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的厚度有限, 而且有較大的殘余應(yīng)力. 為了克服CMOS MEMS工藝中的問題, Xie等又開發(fā)了一種結(jié)合深刻蝕工藝的DRIE CMOS MEMS工藝, 如圖3(b)所示. 改進(jìn)后的工藝?yán)脝尉Ч枳鳛闄C(jī)械結(jié)構(gòu), 可以實(shí)現(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu), 提高器件的性能. 但由于它的電學(xué)隔離需要一步各向同性刻蝕, 對工藝的控制精度要求比較高, 而且部分結(jié)構(gòu)仍需薄膜結(jié)構(gòu)連接, 使器件性能受到一定的限制.

圖3 (a) CMOS MEMS工藝基本流程圖; (b)與體硅工藝結(jié)合的CMOS MEMS工藝

近年來, ***清華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu), 依托臺積電的CMOS工藝, 在CMOS MEMS工藝方面進(jìn)行了很多研究工作. Li等利用臺積電的0.18um 1P6M(一層多晶硅6層金屬) CMOS工藝成功實(shí)現(xiàn)了集成諧振器的加工, 性能顯著優(yōu)于0.35um工藝加工結(jié)果. 圖4是結(jié)構(gòu)的剖面圖和SEM照片采用90nm和40nm平臺進(jìn)行CMOS MEMS加工的嘗試也已經(jīng)開始. 隨著研究的成熟. CMOS MEMS有可能成為臺積電MEMS主打工藝之一, 非常值得關(guān)注.

圖4 (a) CMOS MEMS工藝實(shí)現(xiàn)的集成諧振器; (b)器件的SEM圖片

作為目前的的主要營收來源, 臺積電為InvenSense加工陀螺和IMU所采用的實(shí)際是一種混合集成工藝. 如圖5(a)所示, CMOS電路和MEMS結(jié)構(gòu)分別加工在一個(gè)晶圓上. MEMS 所在的晶圓同時(shí)起到封帽的作用, CMOS在相應(yīng)的區(qū)域刻蝕出一個(gè)腔體. 兩個(gè)圓片通過金硅共熔合金的方式實(shí)現(xiàn)鍵合, 形成陀螺所需的真空腔體, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)圓片級封裝. 圖5(b)是三維結(jié)構(gòu)示意圖. 該工藝在減小寄生效應(yīng)和封裝尺寸的同時(shí), 也減輕了前面說到的一些集成方面的缺點(diǎn).

圖5 InvenSense集成工藝

值得一提的是, 中科院上海微系統(tǒng)所的Li等發(fā)明了一種單面集成的集成壓力傳感器工藝. 工藝選用(111)晶向硅片, 利用TMAH濕法腐蝕的晶向選擇性, 通過橫向腐蝕在硅片表面下面形成空腔, 再利用LPCVD多晶硅封閉空腔, 形成壓力傳感器結(jié)構(gòu). 這種方法通過單面工藝實(shí)現(xiàn)超小結(jié)構(gòu)的壓力傳感器, 從而實(shí)現(xiàn)低成本加工. 該工藝與CMOS工藝兼容, 可以實(shí)現(xiàn)與IC的集成. 方法的一個(gè)美中不足是CMOS通常采用(100)襯底, 因此需要支持(111)襯底的雙極代工廠進(jìn)行加工.

通過TSV (硅通孔) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)CMOS、MEMS以及光電子電路等多種系統(tǒng)的三維混合集成也是近年來值得關(guān)注的熱點(diǎn)(圖6). 限于篇幅, 這里不做過多論述.

圖6 TSV技術(shù)實(shí)現(xiàn)CMOS、MEMS以及光電子電路三維混合集成示意圖

3 NEMS器件在IC 中的應(yīng)用

近幾年, MEMS 與納米技術(shù)融合的步伐在加快. 一方面新的納米材料與納米加工技術(shù)越來越多地在MEMS技術(shù)中得到應(yīng)用, 促進(jìn)了微機(jī)電系統(tǒng)性能提高和新器件的涌現(xiàn), 另一方面微納機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)也提供了新的納米級三維加工手段, 催生了諸如NEMS繼電器、存儲器等新型的IC 器件. 這里主要論述后者.

在CMOS器件特征尺寸遵循摩爾定律按比例縮小的過程中, 面臨著諸多技術(shù)上和理論上的挑戰(zhàn),其中之一是功率密度極限. 為了在晶體管密度增加的情況下保持功率密度不變, 需要降低電源電壓VDD以減小開態(tài)電流. 但事實(shí)上降低開態(tài)電流將延長操作延遲, 增加功耗. 解決這一問題的一個(gè)辦法是降低閾值電壓, 但這又會增加亞閾值漏電. 由于CMOS器件總是存在亞閾值漏電(亞閾值擺幅60mV/Decade), 這一矛盾是難以克服的. 解決這一矛盾的一個(gè)途徑是開發(fā)具有更陡峭亞閾值擺幅的新型電子器件如隧穿MOS、IMOSFETs、納米線MOSFET等, 而NEMS繼電器則提供了另一條可能的途徑.

MEMS繼電器的工作原理如圖7所示. 這是一個(gè)三端微繼電器示意圖, 器件最核心的結(jié)構(gòu)是一個(gè)帶有觸點(diǎn)的導(dǎo)電懸臂梁, 其下面有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極(相當(dāng)于MOSFET的柵極). 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電極上不加電壓或電壓很小的時(shí)候, 懸臂梁自由端的觸點(diǎn)與下面的電極(相當(dāng)于MOSFET的漏極) 之間存在空氣間隙, 在漏極與懸臂梁的固定端 (相當(dāng)于MOSFET的源極) 之間沒有電流通過, 開關(guān)處于斷開狀態(tài). 當(dāng)柵極所加的電壓超過一定值之后 (吸合電壓, 相當(dāng)于MOSFET的閾值電壓), 懸臂梁被靜電力下拉, 接觸點(diǎn)與下面的電極接觸, 源與漏被電學(xué)導(dǎo)通, 開關(guān)處于開啟狀態(tài). 此時(shí)減小柵電壓, 當(dāng)小于某一個(gè)值(要小于吸合電壓),懸臂梁由于機(jī)械恢復(fù)力向上彈起, 接觸點(diǎn)離開漏極, 回到斷開狀態(tài). 與半導(dǎo)體MOS器件相比, MEMS繼電器在斷開狀態(tài)下, 由于觸點(diǎn)與漏極之間存在物理間隙, 幾乎不存在靜態(tài)亞閾值漏電; 在開啟狀態(tài)下, 接觸電阻和串聯(lián)電阻通常也遠(yuǎn)小于MOS器件的導(dǎo)通電阻. 因此, MEMS 繼電器具有超高的開關(guān)電流比, 其功耗也很小. 當(dāng)繼電器的特征尺寸在微米尺度時(shí)(即MEMS繼電器),其占用面積很大, 其驅(qū)動(dòng)電壓很高(幾十伏甚至上百伏), 開關(guān)速度很慢(在微秒量級). 但當(dāng)其特征尺寸(包括間隙)減小到納米尺寸時(shí)(即NEMS繼電器),其機(jī)械響應(yīng)速度會大大提高, 開關(guān)速度可以到達(dá)到納秒量級, 驅(qū)動(dòng)電壓也會顯著下降, 具備了成為電子器件單元的條件. 此外, 與MOS器件相比, NEMS繼電器對外界溫度、輻射和電磁場不敏感, 因此對于太空、國防等領(lǐng)域會有其特殊的價(jià)值. 采用NEMS繼電器代替CMOS器件構(gòu)成邏輯計(jì)算單元, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模運(yùn)算, 實(shí)際上是從電子計(jì)算方式向傳統(tǒng)機(jī)械計(jì)算方式的一種回歸.

圖7 MEMS繼電器的工作原理

妨礙NEMS繼電器在集成電路中實(shí)際應(yīng)用的最大瓶頸問題是其接觸可靠性問題. 當(dāng)器件尺寸按比例縮小的時(shí)候, 不僅電學(xué)量發(fā)生顯著變化, 各種力的對比關(guān)系也隨著尺寸發(fā)生顯著變化. 表面張力、毛細(xì)作用力、范德瓦爾斯力、分子間作用力等面積和間距相關(guān)的力與體積力相比在納米尺度下變得尤為顯著. 在MEMS器件中, 當(dāng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)相互接觸的時(shí)候, 如果彈性回復(fù)力無法克服范德瓦爾斯力等結(jié)構(gòu)間相互吸引的力, 就會產(chǎn)生所謂的粘附效應(yīng)使器件失效. 對于NEMS繼電器, 這個(gè)問題變得更為顯著. 一方面, 在納米尺度范德瓦爾斯力等表面力與彈性力相比更處于優(yōu)勢地位; 另一方面, 為了滿足低驅(qū)動(dòng)電壓的要求, 又需要盡量減小懸臂梁的剛度, 進(jìn)一步增大了粘附的風(fēng)險(xiǎn). 接觸點(diǎn)失效是影響NENS繼電器可靠性另一大因素. 接觸點(diǎn)失效一直是MEMS繼電器應(yīng)用的瓶頸問題, NEMS 繼電器由于點(diǎn)更小、接觸力更低、回復(fù)力更小而使問題變得更為嚴(yán)重. 文獻(xiàn)中所報(bào)道的用于IC的NEMS器件大多數(shù)是驗(yàn)證概念, 解決尺寸和集成的問題, 很多器件甚至只能完成個(gè)位數(shù)的接觸操作. 近幾年可靠性問題得到了很高的重視, 也取得了一些突破性的進(jìn)展, 但目前所報(bào)道的最高開關(guān)次數(shù)1010, 仍然與電路中實(shí)際應(yīng)用的要求(>1016)相去甚遠(yuǎn).

NEMS繼電器應(yīng)用所面臨的另一個(gè)重要問題是互連和封裝. 與CMOS集成電路一樣, 高密度納米級器件要想形成復(fù)雜的電路, 必須通過多層互連來實(shí)現(xiàn), 有些集成電路的互連線甚至已經(jīng)超過10層. 與CMOS器件不同, NEMS繼電器是三維可動(dòng)結(jié)構(gòu), 其后續(xù)的淀積和刻蝕都無法輕易實(shí)現(xiàn). 同時(shí), 由于機(jī)械響應(yīng)速度和接觸可靠性的要求, NEMS繼電器需要進(jìn)行氣密性封裝.

盡管面臨上述諸多挑戰(zhàn), 由于NEMS繼電器獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn), 其研究仍然得到了廣泛的重視, 并取得了長足的進(jìn)展. 這些研究中不但采用了納米光刻和刻蝕等先進(jìn)納米加工工藝, 還有很多器件采用了碳納米管、石墨烯等新興材料. 以下將介紹幾種典型的器件.

韓國的Jang等以TiN為結(jié)構(gòu)材料, 用CMOS兼容的加工工藝, 研制出梁厚35nm,空氣間隙為15nm的NEMS繼電器, 其關(guān)態(tài)漏電流幾乎為0, 亞閾值擺幅小于3mV/Decade, 驅(qū)動(dòng)電壓為20V左右, 在空氣中實(shí)現(xiàn)了幾百次的開關(guān). 圖8(a)是這種繼電器的示意圖, (b)是SEM照片.

圖8 TiN NEMS繼電器

圖9是美國凱斯西儲大學(xué)的Lee在Science雜志上報(bào)道的用SiC材料制造的反相器示意圖和器件局部照片. 其最小結(jié)構(gòu)尺寸為150nm,而最小間距為20nm. 其關(guān)態(tài)工作電流小于10 fA (測量儀器的噪聲值).這個(gè)器件最重要的特點(diǎn)是不僅可以在室溫下工作, 還可以在高達(dá)500℃的溫度下工作. 在室溫下開關(guān)次數(shù)達(dá)到210億次, 在500℃的溫度下也達(dá)到了20億次以上, 是目前報(bào)道的最高值.

圖9 用SiC材料制造的反相器示意圖

英國劍橋大學(xué)的Jang等用垂直生長的碳納米管作為結(jié)構(gòu)材料, 用傾斜淀積和光刻實(shí)現(xiàn)碳納米管局部金屬化, 制備了如圖10(a)所示的垂直方向NEMS繼電器. 該器件的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電壓比較低(<4.5 V, 見圖10(b)).

圖10 碳納米管垂直NEMS繼電器

和其他碳納米管器件類似, 用碳納米管加工NEMS繼電器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是難以定位及形成圓片級加工. Hayamizu 等報(bào)道了一種在圓片級形成碳納米管薄膜, 進(jìn)而加工器件的方法. 他們利用這種方法, 成功地在圓片上加工出NEMS繼電器陣列, 并取得了相對較好的一致性. 雖然其驅(qū)動(dòng)電壓還比較高, 加工成品率也有待于提高, 但已經(jīng)展現(xiàn)出進(jìn)行大規(guī)模加工器件和電路的可能性.

石墨烯是近年來炙手可熱的一種納米材料, 也有很多研究者利用石墨烯良好的導(dǎo)電性和機(jī)械性能形成NEMS繼電器. 中科院物理所的張廣宇研究組利用多層石墨烯作為機(jī)械橋膜制備了NEMS繼電器. 其開關(guān)比為104, 開關(guān)壽命為500多次.

除了繼電器之外, 用NEMS技術(shù)也可以形成存儲器. 英國劍橋大學(xué)的Jang等發(fā)展了他們的碳納米管開關(guān)技術(shù), 加工出基于開關(guān)電容的納米存儲器. 圖11(a)是器件結(jié)構(gòu)示意圖. 器件的源和漏上各生長一根垂直的碳納米管, 其中源極的碳納米管上覆蓋氮化硅作為介質(zhì)層, 再覆蓋Cr作為電極層. 源極接位線、漏極接字線. 如圖11(b)所示, 在存儲器的寫入過程, 在要寫入的單元1的位線上加正向偏壓, 漏極的碳納米管將由于靜電作用力與源極接觸, 當(dāng)驅(qū)動(dòng)偏壓時(shí), 正電荷將保留在源極. 此時(shí)單元1被寫入“1”,而單元2保持為“0”. 如圖11(c)所示, 在讀的時(shí)候, 所有位線被施加與寫入電壓相同的偏壓. 單元1由于正電荷的相互排斥作用不能接觸, 因此沒有電流流過. 而單元2的碳納米管發(fā)生接觸, 產(chǎn)生電流, 實(shí)現(xiàn)存儲單元狀態(tài)的區(qū)分. 在讀出后, 需要對單元進(jìn)行復(fù)位.

圖11 垂直碳納米管存儲器

美國Rice大學(xué)的Li等研制出一種簡單的兩端NEMS存儲器件. 如圖12(a)和(b)所示, 該器件的核心部分是懸空的薄層石墨納米帶. 當(dāng)在石墨納米帶兩端加載電壓掃描的時(shí)候, 會出現(xiàn)特殊的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象. 如圖12(c)所示, 當(dāng)電壓從0 V掃描到10 V的時(shí)候, 器件從低阻態(tài)跳變到高阻狀態(tài). 再次從0 V掃描時(shí), 則會呈現(xiàn)出高阻狀態(tài), 向10 V掃描時(shí)會出現(xiàn)兩次跳變. 而從10 V向0 V方向掃描時(shí), 器件則從高阻向低阻跳變. 利用這種現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)存儲器件, 并且實(shí)現(xiàn)1000次以上的讀—寫—擦除操作. 研究表明這種現(xiàn)象是由石墨納米帶內(nèi)部微結(jié)構(gòu)所形成的NEMS開關(guān)效應(yīng)引起的. 具體現(xiàn)象和解釋請讀者自己參閱文獻(xiàn).

圖12 兩端石墨納米帶存儲器件

4 生物醫(yī)療應(yīng)用的柔性MEMS芯片

硅基集成電路一直在微電子領(lǐng)域占據(jù)絕對統(tǒng)治地位, 同樣, 硅基微加工由于成熟、加工能力強(qiáng)、能與電路集成而一直是MEMS主流加工工藝. 近年來, 以柔性的塑料和薄金屬作為襯底的柔性電子開始出現(xiàn)并逐漸興起. 柔性電子以其獨(dú)特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝, 在柔性顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、印刷RFID、薄膜太陽能電池板、電子紙、電子皮膚、人工肌肉等方面顯示出廣泛應(yīng)用前景.

生物微機(jī)電系統(tǒng)(BioMEMS)近年來已經(jīng)成為生命科學(xué)研究的有力工具, 并成為MEMS領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn). 用于細(xì)胞操縱、DNA擴(kuò)增檢測等的各種微結(jié)構(gòu)不斷被開發(fā)出來, 極大地促進(jìn)了生命科學(xué)研究在細(xì)胞、分子水平的進(jìn)展. 對于很多可拋棄型或小批量生物MEMS器件, 硅基微加工技術(shù)的成本相對過高, 相關(guān)材料的生物兼容性、在液體環(huán)境中的長期可靠性仍有待解決, 硅材料的脆性和不透明性也影響了其使用范圍. 近年來生物MEMS工藝的熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到低成本、高生物兼容性的聚合物微加工上. 對于生物醫(yī)療應(yīng)用的植入型器件和體表器件, 由于要與形狀復(fù)雜的器官或皮膚表面貼合并避免組織損傷, 柔性襯底顯示出其不可替代的優(yōu)勢. 這種生物醫(yī)療應(yīng)用的柔性芯片是微電子、MEMS、材料以及生物醫(yī)學(xué)等多種科學(xué)技術(shù)交叉的代表性產(chǎn)物.

人造視網(wǎng)膜芯片是植入式芯片一個(gè)典型的例子. 據(jù)國家權(quán)威部門統(tǒng)計(jì), 我國現(xiàn)有盲人約500萬, 到2020年預(yù)期盲人總數(shù)將增加4倍. 在眾多盲人患者中, 有近四分之一的患者是由于視網(wǎng)膜病變造成的, 而這種病變目前為止沒有任何藥物或手術(shù)的方法能夠修復(fù). 采用MEMS技術(shù)人造視網(wǎng)膜芯片使恢復(fù)視網(wǎng)膜退化等眼疾患者視覺成為可能. 人造視網(wǎng)膜芯片是一種在眼內(nèi)植入的微電極陣列, 通過芯片上光電二極管或人為外在施加的方法將眼外影像轉(zhuǎn)化為微電極上的工作電流, 繼而對患者視網(wǎng)膜上殘余的正常神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行刺激, 形成人造視覺(見圖13). 硅微加工實(shí)現(xiàn)的芯片基底剛性較大, 難以與視網(wǎng)膜幾何結(jié)構(gòu)相匹配, 容易產(chǎn)生移位, 引起人造視覺性能的降低, 甚至完全喪失, 更為嚴(yán)重的是, 芯片相對視網(wǎng)膜運(yùn)動(dòng)時(shí), 會對附近正常細(xì)胞造成不可逆的生理損壞, 導(dǎo)致嚴(yán)重的術(shù)后并發(fā)癥; 而目前所采用的輔助固定機(jī)構(gòu)在植入過程中會帶來較大的手術(shù)創(chuàng)傷, 破壞患者殘余視網(wǎng)膜細(xì)胞, 嚴(yán)重地影響到人造視網(wǎng)膜芯片本身的工作性能. 此外, 硅材料的生物兼容性較差, 并不能夠滿足實(shí)用化人造視網(wǎng)膜芯片的需要. 因此人工視網(wǎng)膜芯片的襯底材料需要是柔性聚合物, 如聚酰亞胺(PI)和聚對二甲苯(Parylene)等. 與PI相比, Parylene可以用化學(xué)氣相淀積的方法室溫下在各種形狀的表面上形成均勻、透明、致密無針孔、無應(yīng)力的薄膜, 且薄膜的厚度能精確地控制到50納米~100微米, 機(jī)械性能優(yōu)良, 非常適合在復(fù)雜的MEMS結(jié)構(gòu)上生長或形成三維MEMS結(jié)構(gòu), 同時(shí), Parylene材料具有很好的生物兼容性, 是一種得到美國FDA認(rèn)證的、可以在體內(nèi)長期植入使用的生物醫(yī)用材料, 是植入式MEMS器件的理想材料.

圖13 人造視網(wǎng)膜原理示意圖

圖14是美國加州理工大學(xué)的Tai與美國南加州大學(xué)的Humayun研究組合作開發(fā)的視網(wǎng)膜芯片. 該芯片以Parylene為柔性襯底材料, Pt 作為電極, Au 作為電極連接. 為了實(shí)現(xiàn)與眼球的緊密貼合, 還采用升溫模壓的方法將芯片做成弧狀. Second Sight 公司在2002年對6名全盲RP患者進(jìn)行了帶有16個(gè)微電極的視網(wǎng)膜芯片的臨床植入實(shí)驗(yàn), 患者可以“看到”物體的移動(dòng), 并對物體進(jìn)行定位, 甚至可以識別一些簡單物體, 植入的芯片到現(xiàn)在為止仍然可以正常工作. 北京大學(xué)的Wang等研制了帶有三維針尖的柔性視網(wǎng)膜芯片, 與平面電極相比, 三維針尖電極具有更小的電化學(xué)阻抗, 并可以更好地與組織貼合(圖15).

圖14 Parylene襯底人造視網(wǎng)膜芯片

圖15 三維針尖的柔性視網(wǎng)膜芯片

眼睛方面的另一個(gè)重要應(yīng)用是可佩戴型眼壓計(jì). 青光眼是引起視網(wǎng)膜等眼病的主要因素, 世界范圍內(nèi)有七千萬以上的青光眼患者. 引起青光眼的病因是眼壓過高, 目前的眼壓測量必須在醫(yī)院通過特殊儀器來完成, 無法實(shí)現(xiàn)日常監(jiān)測, 不利于對青光眼的治療和護(hù)理. 瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Leonardi等提出將壓力傳感器制造在類似于隱性眼鏡的柔性襯底上, 形成可佩戴的眼壓計(jì), 實(shí)現(xiàn)眼壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控. 這種器件進(jìn)一步發(fā)展成無線信號傳輸方式, 并已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化(圖16).

圖16 用于實(shí)現(xiàn)眼壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控的"隱性眼鏡"芯片

在柔性芯片方面做出最突出成果的是美國UIUC的Roger教授. 2006 年他在Science雜志上提出了利用PDMS和硅復(fù)合結(jié)構(gòu)形成可伸縮電子的概念. 如圖17(a)所示, 在SOI片的有源硅薄膜上刻出條帶, 之后鍵合在預(yù)拉伸的PDMS基底上. 腐蝕掉SOI的氧化層, 硅微條帶從SOI基片上釋放下來與PDMS結(jié)合. 此時(shí)PDMS由于彈性回復(fù)力收縮, 由于硅條帶足夠薄, 具有很好的彈性, 會受到大的壓應(yīng)力發(fā)生屈曲形成波浪形圖17(b). 之后他們又發(fā)展了這種技術(shù), 對PDMS進(jìn)行二維拉伸, 并將硅刻成島狀, 之間用金線進(jìn)行互連, 形成如圖17(c)所示的形狀. 這種PDMS和硅復(fù)合結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行大范圍的壓縮、拉伸和扭曲, 由于電路和MEMS結(jié)構(gòu)可以事先在硅島上, 因此實(shí)現(xiàn)了所謂的可伸縮電子. 這種可伸縮電子可以用來形成柔性顯示器、仿人眼照相機(jī)、觸覺傳感器、靈巧蒙皮等多種器件和系統(tǒng), 有廣泛的應(yīng)用前景.

圖17 可伸縮的PDMS和硅復(fù)合結(jié)構(gòu)

最近, Roger所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì), 又進(jìn)一步把這種結(jié)構(gòu)從PDMS轉(zhuǎn)移到更容易變形、更容易與皮膚貼合聚酯(polyster)材料上, 并集成了更多的電子元件和傳感器, 提出了表皮電子的概念. 如圖18(a)所示, 芯片上集成了天線、無線能傳輸線圈、應(yīng)變傳感器、RF線圈、RF二極管、溫度傳感器、ECG/EMG傳感器等金屬和硅器件. 芯片可以利用類似臨時(shí)轉(zhuǎn)移紋身的方式轉(zhuǎn)移到人的皮膚表面, 并與皮膚緊密貼合(圖18(b)). 通過射頻傳輸能量和信號, 該芯片可以實(shí)時(shí)監(jiān)測人的體溫、ECG、EMG等生理信息. 采用可溶性蠶絲蛋白薄膜為材料, 該研究組還實(shí)現(xiàn)了柔性電極陣列記錄大腦皮層信號.

圖18 (a)集成多種元件的柔性表皮芯片; (b)與皮膚緊密貼合并隨之變形

石墨烯材料作為二維材料具有很好的里面形變特性, 具有良好的導(dǎo)電性, 并可以作為半導(dǎo)體電路材料和傳感材料. 此外, 當(dāng)石墨烯層很薄的時(shí)候, 也具有很好的透光性, 因此石墨烯也是柔性芯片的理想材料. 韓國的Kim等報(bào)道了一種可以把大面積石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到柔性襯底上, 形成可伸縮透明導(dǎo)電薄膜的方法. 薄膜電阻會隨應(yīng)變產(chǎn)生變化, 去掉彎曲負(fù)載之后, 電阻值也隨之恢復(fù). 因此這種結(jié)構(gòu)可以用作力傳感器.

5 結(jié)語

經(jīng)過多年的發(fā)展, 微納機(jī)電系統(tǒng)的基本工藝和理論的研究已日漸成熟, 而其多樣化和滲透性的特點(diǎn)表現(xiàn)的越來越突出, MEMS已經(jīng)進(jìn)入到各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè), 并且在不同程度上改變著其現(xiàn)狀和發(fā)展走勢. 同時(shí), MEMS也隨著這些領(lǐng)域的不停發(fā)展而持續(xù)進(jìn)步. 本文側(cè)重討論和MEMS與IC 的滲透與融合. 雖然MEMS是在IC的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的, 但二者的集成卻充滿了挑戰(zhàn). 由于臺積電在MEMS代工業(yè)中的強(qiáng)勢介入, 使微納機(jī)電系統(tǒng)與CMOS集成電路的集成步伐大大加快, 也為無晶圓廠模式MEMS設(shè)計(jì)公司提供了前所未有的契機(jī). 在與納米融合方面, 一方面新的納米材料與納米加工技術(shù)越來越多地在微納機(jī)電技術(shù)中得到應(yīng)用, 促進(jìn)了微機(jī)電系統(tǒng)性能提高和新器件的涌現(xiàn), 另一方面微納機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)也提供了新的納米級三維加工手段, 催生了諸如NEMS繼電器、存儲器等新型的IC 器件. 與生物技術(shù)的結(jié)合是微納機(jī)電技術(shù)的新的增長點(diǎn), 柔性襯底電極和電路是其中的典型代表, 植入式器件和表皮電子等方面體現(xiàn)出無可替代的優(yōu)勢.

由于MEMS技術(shù)的這種強(qiáng)烈的交叉性, 創(chuàng)新性的微納機(jī)電系統(tǒng)研究已經(jīng)很難從單個(gè)團(tuán)隊(duì)、單個(gè)學(xué)科來完成. MEMS的基礎(chǔ)研究必須通過多個(gè)學(xué)科的交叉和融合來完成. 針對生物檢測對生命科學(xué)研究和臨床醫(yī)學(xué)診斷需求, 研究新型生物微機(jī)電技術(shù)應(yīng)該引起足夠的重視. 另一方面, 由于MEMS從本質(zhì)上講是應(yīng)用性很強(qiáng)的研究領(lǐng)域, 因此, 未來應(yīng)該支持與MEMS應(yīng)用相關(guān)的研究工作, 大力推進(jìn)MEMS的產(chǎn)業(yè)化, 形成相應(yīng)的制造能力.