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半導體與微機電系統（MEMS）集成是指將MEMS器件與集成電路（IC）集成在單個芯片上，從而縮小封裝/減少重量和尺寸，提高性能，并降低儀器和封裝成本。本文討論不同的半導體 MEMS 制造方法及其進展。

半導體 MEMS 的重要性

MEMS 主要是傳感器系統，可以控制或感測化學、光學或物理量，例如流體、加速度或輻射。MEMS 設備/傳感器擁有與外界的電氣接口，通常通過 IC 實現，IC 提供必要的智能，使設備能夠執行有用的功能。

例如，IC 可以提供系統測試功能、邏輯和通信功能以及模數轉換等信號調節功能。IC和MEMS可以使用兩種方法集成，包括混合多芯片集成/多芯片解決方案和片上系統（SoC）集成/SoC解決方案。

在傳統的多芯片解決方案方法中，IC 和 MEMS 元件最初是使用專用 IC 和 MEMS 制造工藝在單獨的基板上合成的，然后在最終系統中混合，而在最近的 SoC 解決方案方法中，IC 和 MEMS 元件是制造的使用交錯或連續處理方案在同一基板上進行。

近幾十年來，二維 (2D) 集成方法已廣泛用于 MEMS 和 IC 技術的混合集成。在這些方法中，MEMS 和 IC 晶圓是獨立設計、制造和測試的，然后分成分立的芯片。隨后將分立芯片集成到封裝或板級的多芯片系統中。

目前，大約一半的 MEMS 產品，包括多種微流體器件、射頻 (RF) MEMS、壓力傳感器、麥克風、陀螺儀和加速計，均采用多芯片解決方案實現，而其余 MEMS 產品，包括噴墨打印頭，紅外測輻射熱計陣列、數字鏡器件以及許多壓力傳感器、加速度計和陀螺儀均作為 SoC 解決方案實現。

多種半導體 MEMS 產品由大型換能器陣列組成，其中每個換能器均單獨運行，這些產品主要作為 SoC 解決方案實現，以將每個 MEMS 換能器及其相關 IC 集成在單個芯片上。

通過混合集成的半導體 MEMS

傳統上，IC和MEMS芯片是分開封裝的，然后作為一個系統集成在印刷電路板(PCB)上，這導致了多芯片模塊的發展。在半導體 MEMS 多芯片模塊中，IC 和 MEMS 芯片并排放置在同一封裝中，并在封裝級使用引線和/或倒裝芯片接合進行互連。

通過倒裝芯片接合的多種 MEMS 和 IC 集成概念可用于多種應用，例如微光機電系統、MEMS 傳感器和 RF-MEMS。最近的芯片到封裝和芯片到芯片互連的概念，例如扇出晶圓級封裝概念，是基于使用嵌入式芯片之間的薄膜互連而開發的。

其他芯片到芯片互連方法包括絎縫封裝，其中具有各種功能的芯片緊密地平鋪在封裝基板上，并使用從每個芯片突出的垂直面和機械柔性互連進行互連。

與板載系統方法相比，多芯片模塊占用的 PCB 面積更小，并且芯片之間的信號路徑長度顯著縮短。因此，這個概念廣泛應用于研究和商業產品中。

具體而言，MEMS 芯片與商用專用集成電路 (ASIC) 的集成可實現混合半導體 MEMS 系統的快速、簡單且經濟高效的實施。

系統級封裝/垂直或堆疊多芯片模塊由垂直連接的芯片組成，并使用導線和/或倒裝芯片直接或通過額外的重新分布層互連。

與多芯片模塊相比，更小的封裝尺寸/體積、更短的信號路徑長度和更高的集成密度是這些三維 (3D) 堆疊方法的主要優點，這些方法用于壓力傳感器等商業產品。

晶圓級封裝和芯片級封裝概念可以產生高度緊湊的封裝，其占用面積與封裝中涉及的最大芯片尺寸相似。MEMS 芯片技術是這種方法的突出例子之一。

系統級封裝方法可在封裝級別實現小型化和高度集成的系統技術。在這些方法中，MEMS 和 IC 器件與其他幾種基本技術（從電力電子和光學到無線組件）集成在一個通用封裝中。

因此，低制造復雜性、模塊化和高靈活性是多芯片解決方案的主要優點，而厚度、大系統占用空間和有限的集成密度是主要缺點。

通過晶圓級集成的半導體 MEMS

SoC解決方案可分為單片MEMS和IC集成技術，其中IC和MEMS結構完全制造在同一基板上，以及異構MEMS和IC集成技術，其中IC和MEMS結構部分或全部預制在同一基板上。分離基板，然后合并到單個基板上。

使用單片 MEMS 和 IC 集成的 SoC 解決方案

在使用 MEMS 優先處理的單片 MEMS 和 IC 集成中，完整 MEMS 器件所需的所有處理步驟都在互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 處理之前執行，以實現后續 CMOS 集成并制造半導體 MEMS。

這些方法提供了有利的 MEMS 制造條件，例如極高的熱預算，從而可以制造高性能 MEMS 結構，例如高性能 MEMS 諧振器。然而，預處理的 MEMS 晶圓的材料暴露和嚴格的表面平坦度要求是主要缺點。

通過使用交錯式 MEMS 和 IC 處理的單片 MEMS 和 IC 集成，半導體 MEMS 是通過在 CMOS 制造之后、期間或之前執行的 MEMS 處理步驟的組合來實現的。

盡管這些方法允許將高性能 MEMS 器件和材料與 CMOS 電路集成在同一基板上，但它們需要完全訪問專用的定制 CMOS 生產線，這極大地限制了該技術的普遍適用性。

在通過體微機械加工使用 MEMS 最后處理的單片 MEMS 和 IC 集成中，MEMS 結構是在整個 CMOS 制造工藝完成后制造的。

這種方法可以使用現有的 IC 基礎設施來實現，這是一個主要優勢。然而，CMOS 工藝所允許的 MEMS 器件的材料選擇有限和設計自由度有限是主要缺點。

半導體 MEMS 可以通過單片 MEMS 和 IC 集成來實現，使用 MEMS 最后處理，通過表面微加工和層沉積。在這種方法中，MEMS 結構是通過微加工并在完整的 CMOS 晶圓上沉積材料來制造的。

雖然標準 CMOS 代工廠可用于這種方法中的 CMOS 晶圓制造，但 MEMS 材料的沉積溫度必須保持在允許的 CMOS 晶圓溫度預算/400-450 °C 之內，這使得該技術不適合使用高溫度實現的 MEMS 器件。-高性能MEMS材料。

使用異構 MEMS 和 IC 集成的 SoC 解決方案

異構 MEMS 和 IC 集成是指將兩個或多個包含部分或完全制造的 MEMS 和 IC 結構的基板連接起來，以制造異構 SoC 解決方案。

層轉移/先通孔工藝期間的異質 MEMS 和 IC 集成通孔形成允許將高性能 MEMS 材料與基于標準 CMOS 的 IC 晶圓集成。然而，它們通常需要對齊的基板到基板鍵合，這增加了工藝復雜性并導致可實現的鍵合后對齊精度受到限制。

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審核編輯 黃宇