12英寸晶圆制造技术有望将MEMS和光子学推向新高度
2026-02-07 15:29:50 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
在MEMS和光子学领域，向12英寸晶圆制造转型，能够带来更高的良率和更低的成本，从而实现工艺稳定性和均匀性。规模化不仅关乎产能，更关乎与更广泛的半导体生态系统的兼容性，因为大多数先进的设备和材料都已针对12英寸晶圆进行了优化。
12英寸（300毫米）MEMS晶圆制造正在弥补关键技术空白，并为更广泛的应用和集成铺平道路。
过去二十年间，微机电系统（MEMS）和光子学领域发生了根本性的转变。在本世纪初，集成光路（PIC）的研究主要集中在大学实验室和政府资助的项目内；一群科学家和创新者率先开展了必要的研发工作，开发出当时被认为是未来核心组件的器件原型——低损耗氮化硅波导、稳定的耦合器、无漂移的环形调制器以及锗基光电探测器，并力求实现一致性生产。MEMS研究团队也在进行类似的工作，不断优化高深宽比结构，突破释放和应力控制的极限，以实现各种器件原型。那是一个充满想象力且激动人心的时代。但这条路也异常艰难，“成功”往往体现在基本元件层面，而整体良率亟待提高。
如今，形势已然转变，人们的热情也显而易见。包括IEEE电子元件与技术大会在内的行业盛会，都在聚焦MEMS和集成光路衍生的微加工技术的融合。这种融合不再是边缘研究，而是重头戏。全球最具价值的公司正在将集成光路直接整合到他们的发展路线图中。集成光子学、MEMS技术及其融合的微加工技术，现已成为人工智能（AI）、数据中心和先进封装等重要会议的焦点。
在这种不断变化的格局中，MEMS和光子学行业参与者和应用研究人员不再致力于确定底层物理原理和制造良率模型是否支持功能性芯片的实现，而是全力以赴满足超大规模数据中心和人工智能巨头的具体产品需求。简而言之，行业已从探索科学可行性转向实现商业规模化。
MEMS和光子学面临的规模化挑战
MEMS和光子学已成为驱动先进传感、通信和数据处理的核心技术。这些技术及其支持的系统无处不在，从智能手机传感器到激光雷达（LiDAR）和光收发器。当前的科技发展趋势需要大幅提升MEMS和光子器件的生产规模：未来十年，人工智能和物联网等领域的“杀手级应用”离不开晶圆制造技术的突破。为了满足这些应用的需求，MEMS传感器和集成光路芯片的制造水平必须提升并达到IC级别的可靠性。此外，技术进步取决于能否生产出高质量薄膜、在光刻和蚀刻过程中保持精确的尺寸，以及研发多种材料制造工艺，最后还需解决大规模生产中的问题，例如良率、一致性、可靠性等。
半导体逻辑IC和存储器行业在过去几十年也面临过规模化挑战——解决方法主要包括改进材料工艺控制、扩展工艺自动化和实施全面的量测技术。MEMS和光子学面临的类似挑战有望通过更好的工艺集成和使用12英寸晶圆制造设备来应对。但仍然存在一个显著的制造差距：尽管整个IC行业已经将12英寸晶圆制造平台标准化，然而MEMS和光子学领域的许多企业仍然在使用传统设备在8英寸、6英寸、4英寸晶圆衬底上进行生产。弥补制造设备和工艺成熟度方面的差距，将决定MEMS和光子学技术能够以多快的速度扩展应用规模，以满足2020年代及以后的产品路线图。
规模化量产的基础：薄膜沉积与刻蚀控制
MEMS和光子器件的性能都取决于构成它们的薄膜。光学损耗、机械应力、电气隔离等因素都取决于薄膜的沉积和图案化方式。化学计量比控制良好的低压化学气相沉积（LPCVD）氮化硅薄膜、高质量二氧化硅薄膜、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）氧化物薄膜是MEMS和光子学中常用的材料。在MEMS器件中，这些薄膜提供结构刚性和电气隔离；在光子器件中，这些薄膜用作低损耗波导或反射包层。在上述两大类器件中，薄膜的致密度、品质和均匀性对于器件性能和成品率都至关重要。
MEMS和光子学的另一项共通工艺：蚀刻——它是实现高质量制造的关键步骤之一。MEMS和光子学的制造工艺都依赖于精确的硅和介质蚀刻来塑造结构、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以下，制造商正在生产中引入更复杂的材料堆叠和多步蚀刻工艺。保证这些工艺在晶圆上的一致性仍然是MEMS和光子器件制造规模化发展的核心挑战之一。
共享制造平台及封装要求
某些MEMS和光子器件可以共享基于绝缘体上硅（SOI）晶圆的制造平台。顶层器件层提供精确的几何尺寸控制，埋氧层提供电气隔离和热隔离，而衬底晶圆则支持对准和硅通孔（TSV）结构。由于MEMS和光子器件都已使用SOI晶圆平台，因此制造商能够在统一的工艺基础上，将晶圆键合、化学机械抛光（CMP）以及刻蚀释放等工艺步骤同时应用于这两大类器件的生产。
在晶圆制造完成之后，MEMS和光子芯片都需要依赖先进的封装技术才能集成到更大的系统中。MEMS器件通常需要气密封装、电气互连和机械保护。光子器件则需要精确的光学对准、电气互连、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主要组成部分之一，也是最难规模化的难题之一。为电子器件开发的封装方法并不总是能满足MEMS或光子器件所需的光学精度和机械精度要求。自动化对准、晶圆键合和低释气材料是解决方案的一部分，但它们在整个行业的使用仍然不尽相同。
值得庆幸的是，随着先进封装产线不断向12英寸晶圆制造扩展，MEMS、光子学与电子封装工艺之间的兼容性将自然得到提升。该趋势将进一步为大规模制造创造更清晰的发展道路。
MEMS器件制造中的成熟度差距
MEMS制造技术在加速度计、麦克风和压力传感器等产品类别中已达到了高可靠性水平。但在许多其它产品类别，MEMS制造技术仍然呈现出明显的碎片化特征：每一种新的器件设计通常都采用不同的材料和工艺流程，从原型到规模化量产可能需要针对每种器件系列更改设备参数和工艺调整。例如，在某些情况下，蚀刻侧壁至关重要；而在另一些情况下，则可能无关紧要。对于许多经验丰富的MEMS设计师来说，如果某台晶圆制造设备不在主流设备厂商生态体系内，那么他们自然会犹豫是否要针对该设备进行MEMS设计。这种情况往往难以避免，然而，向通用的12英寸晶圆制造设备过渡是迈向大规模量产的关键一步！
与性能一样，良率也是一项高度依赖于薄膜质量和蚀刻精度的指标。层厚度或残余应力的微小变化都可能导致谐振频率偏移、射频频谱改变，或造成释放过程中的粘滞现象。对于复杂的MEMS结构，晶圆键合和对准均匀性更是增加了诸多变量。因此，工艺控制和高效的计量至关重要。随着MEMS技术向更大规模、更高要求的应用领域发展，对更严格工艺控制的需求也日益增长。
光子器件制造中的成熟度差距
光子器件制造面临着一系列不同的但同样具有挑战性的工艺限制。要实现低损耗光传输，必须保证薄膜界面足够平滑、晶圆整体厚度变化极小，并对折射率实现精确控制。即便只有数纳米的工艺偏差，也可能导致波导模态发生变化或耦合效率显著下降。这些敏感性使得工艺漂移是不可接受的。然而，使用专为IC晶圆设计的检测设备却难以追踪这些变化。
光纤与芯片之间的对准也是一个瓶颈。随着光输入/输出通道数量的增加，光子器件必须集成规模越来越大的光纤阵列或透镜阵列，以实现与片上结构的直接耦合。然而，目前的组装方式仍以人工或半自动方式为主。为了实现更高的产量，业界需要采用晶圆级对准和键合技术，并将先进MEMS封装中已验证的方法纳入其中。
最后，热稳定性仍然是制约规模化发展的重要因素。许多光子器件依赖于主动热调谐来保持波长精度，这会增加功耗并限制集成密度。通过在材料层面引入更加均匀的氮化硅和氧化物薄膜，并加强应力控制，可显著提升器件的热稳定性，从而降低系统后端对高功耗补偿机制的依赖。
MEMS与光子学领域的交汇点
MEMS和光子学领域在若干具体且具有实践意义的层面上发生了交汇。许多集成光路（PIC）已开始集成微型机械元件，以极低的功耗实现对光的调制或重新定向。以这种方式构建的MEMS光开关、MEMS微镜和定向耦合器采用静电驱动而非热驱动，从而显著降低功耗并实现更快的响应速度。
支撑上述器件实现的关键技术源自MEMS制造工艺。牺牲层蚀刻、晶圆键合、硬掩模和机械释放等技术均已在MEMS领域得到充分验证，并能够较好地迁移至光子器件工艺流程中。这些工艺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加工和组装方法来提升器件性能。尽管目前MEMS与光子学领域的重叠部分仍然有限，但随着两大领域都在寻求提高光学系统效率和精度的新方法，重叠部分正在不断扩大。
弥补关键制造技术空白
在“材料均匀性、精密刻蚀、可靠封装”这三大基础领域的持续改进，构成了推动MEMS与光子学领域共同进步的清晰主线。
就材料均匀性而言，传统的制造设备仍然是长期存在的瓶颈。MEMS与光子学领域的许多代工厂仍在使用为4英寸、6英寸或8英寸晶圆设计的制造设备。在更广泛的先进半导体生态系统中，采用12英寸晶圆制造设备可以提升热管理能力、气体流场控制以及化学稳定性。这些改进直接降低了薄膜厚度和应力的工艺波动，从而提高了良率和重复性。
蚀刻工艺决定了影响器件性能的核心结构，因此对刻蚀深度和轮廓形貌的精确控制，是MEMS和光子芯片制造中共同的关键要求。在MEMS中，刻蚀过程直接影响器件释放条件和尺寸一致性；而在光子学中，刻蚀则决定了波导及相关结构的定义方式，从而影响光学模态分布和耦合效率。
无论是用于优化光子学中的波导和光学元件，还是用于MEMS结构及光纤耦合器，蚀刻系统都可以根据特定制造商的具体需求进行定制。例如，针对大尺寸晶圆优化的蚀刻系统可以提高整个批次的刻蚀深度精度和侧壁一致性，从而提高器件性能、均匀性和整体良率。
最后，在晶圆尺度上实现光学、电气和机械接口的集成仍然是制造过程中最困难的环节之一。MEMS制造中使用的晶圆键合和封装工艺可以提高光子组件的可靠性，而光子学领域的对准和计量技术进步则可以提高MEMS器件的制造精度。工艺工程师和封装工程师之间更紧密的合作将使这两者都受益。
总体而言，产业界已充分认识到高效制造实践的重要性。当前仍需完成的工作，是通过更完善的计量手段、更严格的工艺控制以及可支撑规模化生产的共享基础设施，将这种质量水平延伸至整个MEMS和光子学供应链。
规模化是推动因素，而非最终目标
在MEMS和光子学领域，向12英寸晶圆制造转型，能够带来更高的良率和更低的成本，从而实现工艺稳定性和均匀性。规模化不仅关乎产能，更关乎与更广泛的半导体生态系统的兼容性，因为大多数先进的设备和材料都已针对12英寸晶圆进行了优化。
正是基于这种成熟度，在12英寸晶圆设备生态内处理更大尺寸晶圆，往往更易实现对薄膜厚度、温度以及工艺均匀性的精确控制，从而为MEMS与光子器件制造提供更加一致、可靠的工艺基础。
逻辑IC和存储器晶圆厂通过规模化和工艺规范实现了成熟可靠的制造技术，正如前文所述，MEMS和光子器件也正沿着类似的路径发展。它们面临的挑战有所不同，主要体现在更广泛的材料和工艺方面。新的制造方法将会涌现，但机遇在于满足成熟的半导体行业的规模化要求。
从路线图走向现实落地
如今阻碍MEMS和光子器件发展的诸多障碍，对于任何在晶圆厂工作过的人来说，几乎都似曾相识。这些看似细微却顽固的问题，自研究阶段一路延续至商业化生产阶段：薄膜参数在晶圆内漂移、刻蚀工艺在不同批次间不一致，以及一些工艺步骤在缺乏持续干预时难以实现规模化。
在长期观察半导体制造技术演进之后，可以清晰地看到，限制因素并非尚未被发明的新技术，而是亟需持续强化的制造规范。解决方案早已存在，真正的问题在于我们能否始终如一地加以执行。
更大的晶圆和更强大的设备无疑将有助于推动技术发展。然而，真正的进步将源于一个始终如一的稳定基础。当材料沉积能够达到设计者所需的稳定性，蚀刻形貌不再出现意外，从设计到量产的路径不再显得试验性而是可靠可控时，MEMS和光子学才能像重塑逻辑IC和存储器技术那样，充满信心地实现规模化发展。
有了这样的基础，MEMS和光子学就能为下一代传感、通信和计算系统提供强力支持，而这些系统正在重塑广泛的商业市场。
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