力学和电子学在历史上相距甚远。要做到前者，你需要获得机械工程学位，这与你需要的电子电气工程学位几乎没有共同之处。少数重叠的领域通常是一方为了显得更全面而不得不从另一方学习一些东西的地方。我个人从来都不喜欢早上8点去实验室看金属碎片失效。
当然，这两者在现实世界中必须有交集。虽然过去很多技术都是机械的，但我们已经尽可能早地将机械信息转化为电子信息，然后我们在电路中完成其余的工作。这曾经意味着模拟电路，因为世界是模拟的，但这已经被尽快进入数字领域的愿望所取代。因此，今天的系统通过在机械领域短暂停留，然后在模拟领域短暂停留，然后在数字领域完成大量工作，其结果以同样的方式反向返回。
机械和电气之间的接口是换能器的领域，它字面上的意思是导致(首领)横跨(反式-):你将信息或能量从一个领域引导到另一个领域。它充当了一个很好的接口，将每一方与另一方隔离开来，并将需要同时理解两个领域的区域最小化。
但是，就像所有技术一样，它必须变得更小。我们已经习惯了看到越来越小的电路，但是，在机械方面，收缩也是微电子机械系统(MEMS)领域的一个因素。虽然购买的MEMS单元将涉及电气和机械元件，但传统上它们都是单独制造的，只是简单地连接在一个封装中。但人们对在一块单片晶圆上集成机械和电气元件的兴趣急剧增长。
几周前，在ISSCC上发表了一些以传感器为导向的论文，其中几篇涉及MEMS。我们将针对这些设备分别发表一系列文章，目的是探索不同类型的设备，并研究演讲中提到的问题。但是，在此之前，似乎应该建立一些基本的MEMS背景，特别是覆盖CMOS和MEMS的组合。
因此，本文的目的是探讨这两个专业的结合。因为，对于我们来说，CMOS比MEMS更熟悉，我们将从简要回顾MEMS的机械部分开始;然后我们会加入CMOS，看看会有什么影响。我们还需要看看如何设计这样一个混合系统。最后，我们将对CMOS MEMS领域的公司进行扫描。
家禽:MEMS 101
假设你想在你的后院建造一个混凝土衬里的地面游泳池和一个混凝土跳水平台。这里有一种新颖的方法，尽管不实用。
首先，你挖一个大洞，大小和形状都是你想要的游泳池。你不用挖土机或铲子进行任何挖掘作业，而是用面具和爆破。所以，首先你要用某种坚固的保护层覆盖整个后院，在游泳池的位置留下一个开口。然后你用空气或水或其他东西炸开整个后院，在院子里没有保护的地方挖出一个洞。
保护层还在，然后在整个院子里喷洒一层混凝土。这形成了游泳池的墙壁，但它也覆盖了院子的其余部分。你可以通过提起覆盖物和上面的混凝土来解决这个问题，只留下混凝土衬里的水池。
接下来你在池子里装满沙子。当它满了之后，你在院子里建了一个和前跳台的;你把整个盒子装满沙子直到下面平台的。
现在，你重新覆盖了院子(埋在沙子里)，除了跳台与泳池相连的地方;在沙子上炸一个洞，作为平台支柱。喷洒一层混凝土，填满洞(并覆盖院子)，通过去除覆盖物来去除多余的部分。在柱子顶部的新混凝土上铺上一点塑料，以防止沙子污染。
现在，快速移动，在混凝土有任何干燥的机会之前，你用沙子填满盒子，用新的覆盖层掩盖，在实际平台本身的形状上打一个洞，一端将超过你刚刚创建的支柱。爆破完成后，你可以去掉柱子顶部的那层保护塑料。
现在喷洒更多的混凝土来形成平台，让新的潮湿的混凝土与下面仍然潮湿的支柱混凝土形成一个坚固的连接，使支柱和平台一起成为一个单一的单元。你再次除去多余的混凝土与覆盖物，让剩余的混凝土固化。
你现在有了一个水池和潜水平台，严格地通过铺设沙子、掩蔽、爆破和沉积混凝土形成。现在只剩下最后一步了:拿出软管，把剩下的沙子全部洗掉。这将清空水池，恢复院子，而且，关键是，从平台的自由端移除最后一点支撑——这一步被称为“释放”。
这样，你就创造了一个悬臂。
更换材料，更换各种软管蚀刻你就得到了一个MEMS悬臂。当然，细节非常重要。不同的材料表现不同。如果你的悬臂必须有一定的弹性或共振特性，你可能需要特殊的材料。
根据使用的材料和它们的沉积方式，你可能会留下残余应力这可能会扭曲或弯曲一些组件。或者你甚至想在结构中添加一定的预应力。因此，退火步骤可能需要确保正确的功能，良好的良率和高可靠性。
平衡所有这些因素，然后，你可以创造一个装置，利用一些机械现象，并从中获得电信号。这种电信号通常会在其他集成电路上进行处理，通过老式的电线连接。
交配的鱼和家禽
如果你想让电路和机械位靠得更近，理想情况下，在同一个晶圆上，事情会变得更复杂。在最基本的层面上，这意味着您将在一系列扩展的处理步骤中制造扩散层和机械层，以及它们的附属布线和支撑结构。然而，这一过程的细节可能有很大差异。
首先，为什么要这样做?在某些情况下，减少互连可以产生更高质量的结果。其他时候，这只是一个规模和成本的等式。而不是制造两个晶圆并占用空间将它们连接在一起，您可以在更小的空间和更少的电气开销中使用片上互连。
但这个等式并不总是成立的。如果你需要的电路需要领先的技术，晶圆将是昂贵的房地产托管相对较大的MEMS结构。在这种情况下，你最好坚持使用昂贵的晶圆用于需要它们的电路，而使用便宜的晶圆用于不需要它们的MEMS结构。
除此之外，还有其他方法可以替代相邻的金属线键合MEMS和CMOS，但它们无法实现单片集成。您可以在3D配置或甚至使用倒装芯片或tsv粘接整个晶圆一起，然后掷骰子。这些方法通常被称为CMOS MEMS，尽管它们不是单片的。
每种技术都有自己的位置，这取决于应用、所需的互连量、衬垫或凸点间距以及其他考虑因素。当有大量的I/ o需要互连时，集成到单个芯片中是特别有利的——这是与项目数组特别相关的特性。TI公司的DMD微镜技术就是一个很好的例子。要解决这个问题，唯一可行的办法就是把每个镜子的驱动电路都放在镜子下面，而这需要一个集成芯片。
CMOS和MEMS集成有三种基本方式:CMOS第一，CMOS最后，或“内部CMOS”。这里的想法是，你有一个CMOS工艺“模块”和一个MEMS工艺模块，一个在另一个之前或之后，或者你可以把MEMS模块分开，在CMOS模块之前和之后做一些工作。通常建议不要拆分CMOS模块，这样就可以在不改变工艺的情况下在标准的商业CMOS铸造厂中完成。CMOS和MEMS模块通常在不同的铸造厂完成。
最后做CMOS的一个好处是，你可以更好地预测电学行为，而不必限制MEMS工艺步骤。如果你要先做CMOS，那么你就不能让随后的MEMS步骤污染硅，或改变衬底应力或掺杂剖面，或开始金属流动。
尽管存在明显的限制，但共识似乎首先形成于CMOS，因为实际上可以将MEMS结构置于电路之上，显著减少面积。这将MEMS的工作温度限制在450°C左右，并限制了任何退火过程以消除残余应力。
Imec有一个CMOS MEMS程序，他们首先推荐CMOS。据imec的Ann Witvrouw说，他们发现，与使用铝(力学性能不佳)或多晶硅(必须在过高的温度下沉积)进行独立结构不同，聚sige具有良好的物理性能，在可接受的温度下沉积，并且在沉积后具有理想的应力和应力梯度，这意味着不需要退火。
即使先使用CMOS，也有两种可能。一种是让CMOS和MEMS位相邻，在CMOS步骤中为MEMS结构创建一个空腔，并用牺牲性填充物(就像池中的沙子)填充它。CMOS完成后，可以在腔体中构建MEMS结构。这使CMOS和MEMS分开，占用更多的区域，但也使其更容易访问其中一个进行调试。
更流行的替代方法是完成CMOS，钝化它，保护它不受后续化学物质的影响，然后在它上面使用额外的层构建MEMS位。这不仅节省了空间，而且在保持机械结构完整的情况下，更容易改变下面的电路(例如下一代)。
另外两家公司，Akustica和Baolab走的是不同的方向，他们完全用CMOS工艺层构建MEMS结构，不需要任何额外的处理。当然，这意味着CMOS和MEMS是并排的，但好处是，你可以在一个大容量的CMOS晶圆厂制造整个产品，而不是让CMOS代工厂做第一部分，然后将晶圆转移到MEMS代工厂进行其余步骤。
创造鱼和家禽
机械工程师有他们自己的设计方法，通常涉及各种机械性能的有限元分析，如应力和热流。电路设计人员使用一套完全不同的工具进行逻辑和电路仿真。
在MEMS和CMOS分别构建并在一个组装步骤中组装的情况下，每个设计人员都可以使用熟悉的工具安全地留在自己的世界中。但在设计单个单片CMOS MEMS晶圆时，这两者必须结合在一起，以创建一套包含电气和机械特性的掩模。典型的机械工具不能理解电气设计，典型的电动工具不能处理机械概念。这个领域的早期参与者不得不开辟自己的道路。
然而，一家名为covenor的公司推出了一套工具，对统一机械和电气世界大有帮助。事实上，他们的套件包含了系统、电气、机械和TCAD工具。
基本的MEMS设计工具叫做CoventorWare。这处理所有的标准有限元分析，将熟悉的任何机械设计师。
MEMS+工具允许系统设计包括MEMS元素;这就是CMOS和MEMS结合的地方。在MEMS+中，您可以对其参数化组件来自库的子系统进行3D组装和仿真。由此，您可以生成一个用于插入电路设计的符号，一个用于模拟的网络列表，以及用于布局的pcell。你甚至可以使用Matlab进行算法设计。因此，通过单个引用，您可以扩展广泛的抽象级别。
他们的另一个工具是SEMulator3D:它可以让你可视化整个工艺堆栈，以研究制造步骤是如何工作的，以及各种组件是如何相互影响的。你在屏幕上看到的就像是你正在研究的组件的虚拟扫描电镜。他们处理整个过程，无论是CMOS的第一个或最后一个或中间，以及所有组件，无论是电气或机械，包括DRAM和闪存单元。
它们与Cadence Virtuoso紧密集成，但它们可以与所有三大工具一起工作以获得掩码。在大多数情况下，它允许CMOS和MEMS组件在整个流程中平稳共存，尽管有时需要专有技巧来导航流程的DRC部分。
渔民和饲养员
我们将通过回顾CMOS MEMS领域的一些参与者来结束我们的马拉松式旋风之旅。这篇评论必然是简洁的，并不是通过查找一些列表来组装的，因为我没有找到这样的列表。它是通过跟踪线索和网络链接、查看小册子、偶尔发邮件澄清而拼凑起来的;它可能是不完整的。请注意，这个列表不包括纯MEMS公司或代工厂。
首批成功的大批量CMOS MEMS生产商之一，具有用于安全气囊展开的加速计。他们还生产陀螺仪、惯性测量单元(结合了多种运动传感技术)和麦克风。
麦克风的无晶圆厂生产商。他们似乎区分了“CMOS兼容MEMS”和“CMOS MEMS”，后者是他们描述仅使用CMOS层的技术的方式。他们声称使用CMOS MEMS的定义。
他们的NanoEMS技术只使用标准的CMOS层，不需要单独的MEMS步骤。对标准工艺的唯一调整是轻微的气体流量调整，以改变钝化层的折射率(这不需要任何重新确认)。被吹捧的好处是更低的成本和更小的MEMS组件特性。他们生产指南针、陀螺仪、加速度计、惯性测量单元和射频开关。
适合与CMOS集成的MEMS IP无晶圆厂生产商。它们专门研究包含一个或多个悬臂的空腔阵列。这些可以作为可调电容器或非易失性存储器(使用“粘性”来保持状态)。
用来代替石英晶体的振荡器的制造者。他们使用一个独立的铸造厂，他们不知道;晶圆代工厂采用CMOS-first工艺，MEMS优于CMOS。
在苏黎世进行CMOS MEMS基础研究，特别是PZT RF开关，其中标准材料对CMOS来说是一个问题。他们也做定制悬臂工作以及较低水平的纳米技术研究。
他们拥有一种专有的纳西里制造技术，可以将MEMS和CMOS晶圆连接在一起，他们说这种方法可以降低成本，比标准技术更简单。他们制造陀螺仪和加速度计。
他们有自己的8英寸MEMS生产线。他们也有CMOS和双极线，与晶圆键合能力。他们生产麦克风、射频开关、压力传感器和流量传感器等产品。
通过CMOS和MEMS组件的晶圆级组装来实现“集成MEMS”的代工厂。
另一个早期的大容量CMOS MEMS生产商，用于显示的数字反射镜阵列。每个反射镜都位于控制反射镜驱动所需的电路之上。
可以为CMOS MEMS做晶圆键合的MEMS代工厂。他们的情况尚不清楚，因为他们网站上的最新消息是2008年的。但他们回复了我的邮件，说他们活得很好，最近已经升级到8英寸的MEMS能力。
2008年，最大的集成电路代工公司台积电宣布进军MEMS市场。虽然他们的网站上没有太多的信息，但他们证实这是采用CMOS优先工艺的全集成CMOS MEMS。
一家IC代工公司几个月前宣布将推出CMOS MEMS业务。他们网站上的信息也很少，但显然，他们已经成功地为客户制造了一个麦克风和一个加速度计。
单片CMOS MEMS代工厂看起来他们使用的是cmos优先的方法。
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图片由考文特提供。
