压电MEMS PDK：MEMS制造与设计的创新方法

逍遥设计自动化

引言
传统的微机电系统(MEMS)制造一直遵循"一种产品，一种工艺"的模式，导致开发周期长且规模化困难。本文探讨DARPA通过全面的工艺设计套件(PDK)来标准化压电MEMS制造的创新方法，旨在改变MEMS器件的开发和生产方式[1]。

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% C# u0 B/ y5 `6 KMEMS制造现状分析
2 t' z0 T8 T2 p. c3 n( \传统的MEMS制造方法具有高度专业化的特点，每种工艺都针对特定产品进行定制。
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: `! V  Q! Y7 ?. ]4 P  `图1：当前MEMS生产格局展示了制造商与特定器件类型之间的一对一关系，突出了行业的分散性。
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这种分散的方法导致了几个关键挑战：
开发周期漫长且成本高昂，从概念到验证通常需要2-3年。
; `% U& ]/ @' K器件创新受到制造工艺限制，缺乏综合工艺设计套件使新进入者难以参与该领域。
核心问题在于"一种产品，一种工艺"模式的持续存在，这已经成为推进MEMS技术发展的主要瓶颈。
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新一代MEMS制造愿景
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图2：展示了从当前分散工艺向采用标准化工艺的整合制造方法转变的过程，包括静电和压电MEMS。

提出的解决方案包括在商业代工厂建立稳健的MEMS工艺流程，以实现差异化访问。该方法旨在整合制造工艺，同时保持生产各种器件的灵活性。主要区别在于使用标准化工艺 - 窄间隙静电工艺和高掺杂压电工艺 - 来制造多种类型的器件。
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  V* Y; w& B( L0 j2 C, G通用压电MEMS模块架构
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图3：详细展示了通用压电MEMS模块，显示了不同应用的各种衬底选项和层配置。

2 W( y6 _2 Z  I2 x0 R" o压电MEMS架构通过分层方法展现出显著的多功能性：
$ y& J& y  ~# q- r4 u基础始于各种衬底选项（空白硅、CMOS或腔体SOI）。
随后是必要的功能层，包括布线层、压电层和弹性/钝化层。
8 u5 {1 [1 }8 e模块化设计使得在保持制造一致性的同时，能够创建各种器件，如振荡器、变压器和超声器件。

. ]9 h$ @% s* l  J特别值得注意的是压电MEMS的价值：对CMOS流程的少量添加就能实现器件性能的显著提升。例如，在现代数字系统中，分布式时钟可能消耗总芯片功率的30-50%，这使得高效的压电解决方案特别有价值。

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- |5 _5 \5 c7 @全面的PDK框架
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图4：压电MEMS PDK结构示意图，展示了不同衬底类型的集成可能性。
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PDK设计包含了标准化制造的关键要素：
8 E& V3 V& |6 T$ V- p. @7 [材料特性数据包括工艺流程中压电、金属和其他层的全面信息。
% b. _- ~* N4 c2 [工艺设计规则指定了层厚度、关键尺寸和偏移尺寸。
该框架还包括工艺控制数据、设计规则检查功能和材料特性测试结构。

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2 J$ U) T9 w# N9 P5 {% m  Y性能指标和实施指南
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* `) s9 I6 j6 T' d+ Q图5：详细的指标表，概述了压电MEMS实施的第一阶段要求。

实施框架为第一阶段开发确立了明确的性能指标：
工艺参数必须满足特定要求，例如支持至少三种衬底类型，并精确控制层厚度。
  [) w0 }" \$ }压电层厚度应在0.5至1.0μm范围内，晶圆间差异小于3%。
5 r' f; Q0 X& A8 U, k关键尺寸包括电极规格，最小尺寸≤2μm，最大尺寸≥1.0mm。
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室温下的材料特性必须满足严格的规格，包括压电晶体取向要求和特定的介电常数范围。实施指南强调了在保证与现有半导体制造工艺兼容的同时，在不同衬底类型之间保持一致质量的重要性。

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新模式的优势
; |6 `; w8 E5 `3 B9 ^4 W: w( J" l( R3 ?标准化方法相比传统方法具有几个显著优势：
稳健的PDK和器件库的开发带来更高的良率和改进的LSI架构能力。
开放工艺多项目晶圆(MPW)方法实现了高产量生产，同时提高了先进工艺的良率。
标准化格式使技术对新手更易接受，同时保持稳健的性能特征。
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# G$ n" ~1 s6 Z* q最重要的是，这种新模式显著缩短了验证时间。与传统方法需要2-3年多次迭代相比，新系统旨在首次迭代时就完成设计验证，大大加快了开发周期。

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8 p( Y( U8 P- I2 \8 H结论
革新性的MEMS制造方法代表了压电器件发展的重要进展。通过标准化工艺设计套件，大规模制造变得更加容易实现，同时保持了支持多样化应用和创新的灵活性。这种模式不仅简化了制造流程，还大幅缩短了从设计到生产的时间，使MEMS技术的应用范围得到显著扩展。这种方法的成功实施将推动MEMS技术在各个领域的广泛应用，为未来微机电系统的发展提供坚实基础。

参考文献
' l1 w" V* w* w[1] R. G. Polcawich, "SBIR: PiezoMEMS PDK," Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)/Microsystems Technology Office (MTO), SBIR Topic Proposer's Day, Mar. 3, 2020.
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