从实验室到量产：补上制造短板推动MEMS 与光子学的下一个突破
灵活的 300mm MEMS 制造正在填补关键空白，为更广泛的应用与集成铺平道路。
在过去的二十年里，MEMS（微机电系统）与光子学领域发生了根本性的变革。本世纪初，光子集成电路（PIC）还只是大学实验室和政府资助项目的领地；彼时，科学家和创新者们正致力于先导性研发，试图开发出看似未来核心组件的器件原型。团队的核心工作是制造基础单元，如低损耗氮化硅波导、稳定的耦合器、无漂移的环形调制器以及锗光探测器等，并努力实现一定程度的生产一致性。
图片由 Rogue Valley Microdevices 提供
与此同时，MEMS研究团队也在开展类似的工作，致力于优化高深宽比机制和微镜，挑战释放（release）与应力控制的极限。那是一个充满想象力和魅力的时代，但也极其艰难；所谓的“胜利”往往仅停留在子组件层面，而良率，坦白讲还有极大的提升空间。
时至今日，行业动态已发生转变，这种进步带来的兴奋感显而易见。包括 IEEE 电子元件与技术会议（ECTC）在内的行业盛会，纷纷将焦点对准了先进封装、PIC 以及源自 MEMS 的微纳加工技术的融合。这种融合不再是边缘研究，而是成为了“主战场”。全球市值最高的公司们正将 PIC 直接纳入其产品路线图。集成光子学、MEMS 技术及其趋同的微加工流程，如今已成为 AI、数据中心和封装领域各大核心会议的主旋律。
MEMS领域跨越到300毫米晶圆平台，遵循了更广泛的半导体行业向300毫米晶圆生产过渡的趋势。（图片由Rogue Valley Microdevices提供）
在这种动态转变中，行业参与者和应用研究人员不再纠结于底层物理和制造良率模型是否支持功能性芯片。现在，竞赛的焦点已转向如何满足超大规模云服务商（Hyperscalers）和 AI 巨头们具体的量产需求。
简而言之，该领域已经完成了从“探索科学可行性”到“工程化商业规模扩展”的蜕变。
跨越制造鸿沟
MEMS 和集成光子学已成为驱动现代传感、通信和数据处理的核心技术。从智能手机中的传感器，到激光雷达（Lidar）和光收发器，这些技术及其支撑的系统无处不在。
当前，这一趋势的演进需要大规模的产能扩张：未来十年，AI 和物联网领域的“杀手级应用”若没有制造技术的突破将无法实现。为了满足这些应用需求，PIC 和传感器的产量必须从数千片提升至数百万片，并达到半导体级的可靠性。此外，取得进展的关键还在于能够沉积致密、均匀的薄膜，在光刻和蚀刻过程中保持精确的尺寸，并以实用的方式将以往需分别处理的材料结合起来。目前，正是这些技术限制阻碍了许多具有前景的器件进入稳定的高产阶段。
半导体逻辑和存储行业在几十年前也面临过类似的规模化挑战。他们的成功经验是：精细化材料控制、扩大自动化流程以及实施全面的计量检测。MEMS 和光子学正处于同样的转折点，有机会通过更佳的工艺集成和引入 300mm 设备集（带来更高的均匀性和良率）走向成熟。
然而，一个显著的差距依然存在：虽然主流半导体行业已标准化 300mm 晶圆平台，但大部分 MEMS 和光子学界仍在使用旧式设备和较小的衬底。能否在设备和工艺成熟度上弥合这一差距，将决定这些技术能否迅速扩展，以满足当前及未来数十年苛刻的产品路线图。
基础：薄膜与刻蚀控制
MEMS 和 PIC 的性能始于定义它们的薄膜。光损耗、机械应力和电气隔离等因素均取决于这些薄膜的沉积和图形化方式。化学计量比的低压化学气相沉积（LPCVD）氮化硅、高质量二氧化硅以及等离子体增强化学气相沉积（PECVD）氧化物是MEMS和光子学中都常用的材料。在光子学中，这些薄膜充当低损耗波导或反射包层；在 MEMS 中，它们提供结构刚性和电气隔离。无论哪种情况，薄膜的致密度、质量和均匀性对于制造器件的性能和良率都至关重要。
在光子学行业中，实现低光损耗依赖于具有光滑界面、低晶圆总厚度变化以及良好控制折射率的薄膜。晶圆检测可以发现晶圆上可能影响性能的关键缺陷。（图片由Rogue Valley Microdevices提供）
刻蚀是光子学和 MEMS 另一个关键共享工艺。两者都依赖精确的硅和介质刻蚀来塑造结构、电气和光学特征。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，耦合损耗已降至 <1 dB，制造商正向生产中引入更复杂的材料堆栈和多步刻蚀序列。在晶圆范围内保持这些工艺的均匀性，依然是规模化制造中的核心挑战之一。
共享平台与封装需求
有部分 MEMS 和 PIC 器件共享基于绝缘体上硅（SOI）晶圆的制造平台。顶层器件层提供尺寸精度，埋氧化层（BOX）提供电热隔离，而支撑衬底则支持对准和穿硅结构。由于机械和光学器件均已使用这种材料堆栈，制造商可以在相似的基础上应用键合、化学机械抛光（CMP）和刻蚀释放等工艺步骤。
当芯片完成后，MEMS 和 PIC 模块都必须依赖先进封装才能成为更大系统的一部分。MEMS 通常需要气密封装、电气互连和机械保护；PIC 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。
随着集成度的提高，封装已成为总成本中占比最高的部分之一，也是最难实现规模化的问题之一。为电子产品开发的组装方法并不总能满足 MEMS 或光子器件所需的光学和机械公差。自动对准、晶圆级键合和低出气（low-outgassing）材料是解决方案的一部分，但它们在行业中的应用仍不统一。
幸运的是，随着先进封装设施不断向 300mm 生产扩展，MEMS、光子学与电子封装工作流之间的兼容性将自然得到改善，从而为大批量制造创造更清晰的路径。
MEMS 制造的成熟度差距
MEMS 生产在加速度计、麦克风和压力传感器等类别中已达到极高的可靠性，但在其他许多领域仍处于碎片化状态。每一个新设计往往带有独特的材料和工艺流程，从原型到量产可能需要针对每个器件系列调整设备配方和参数。例如，在某些设计中侧壁刻蚀至关重要，而在其他设计中则无关紧要。对于许多经验丰富的 MEMS 设计师来说，如果某种设计必须依赖非主流设备供应商的特定工具，他们会自然产生顾虑。这往往难以避免，但向通用的 300mm 设备靠拢是迈向成熟的关键一步。
Rogue Valley Microdevices 的团队展示出一片 300 毫米晶圆。在该公司于佛罗里达太空海岸新开设的晶圆厂中，MEMS 器件将在 300 毫米晶圆上制造。（图片由Rogue Valley Microdevices提供）
与性能一样，良率也是一个高度依赖薄膜质量和刻蚀精度的指标。层厚度或残余应力的微小波动都可能导致谐振频率偏移、改变射频频谱，或在释放过程中导致粘附（stiction）。对于复杂的 MEMS 结构，晶圆级键合和对准的均匀性增加了更多变量。因此，工艺控制和高效计量至关重要。随着 MEMS 进入自适应光学、生物医学系统和微流控等更大规模且需求更苛刻的应用领域，对严格工艺控制的需求将持续增长。
光子制造的成熟度差距
光子学面临着另一套同样具有挑战性的工艺极限。实现低光损耗取决于具有平滑界面、极低晶圆总厚度变化（TTV）和控制良好折射率的薄膜。几纳米的变化就可能改变波导模式或影响耦合效率。这种敏感性使得工艺漂移变得不可接受，但对于专为电子晶圆设计的检测工具来说，这些变化极难追踪。
光纤与芯片之间的对准依然是一个瓶颈。随着光输入/输出（I/O）数量的增加，光子器件必须集成越来越大的光纤阵列或透镜组。然而，目前的组装大多仍是手动或半自动的。为了达到更高产量，行业需要借鉴先进 MEMS 封装中的晶圆级对准和键合方法。
最后，热稳定性仍是规模化的主要障碍。许多光子组件依赖主动热调谐来维持波长精度，这增加了功耗并限制了集成密度。通过更均匀的氮化硅和氧化物薄膜，结合更好的应力控制，可以从材料层面提高稳定性，减少后期对高功耗补偿方案的依赖。
领域的交汇
MEMS 与光子学在具体的实际应用中交汇。许多 PIC 如今包含微小的机械元件，以极低的功耗调节或改变光路。以这种方式构建的光开关、微镜和定向耦合器使用静电驱动而非热膨胀驱动，显著降低了功耗并实现了更快的操作。
实现这些器件的制造步骤源自 MEMS 制造。牺牲层刻蚀、晶圆键合、硬掩模和机械释放都是成熟的技术，可以很好地转化为光子工艺流程。它们在光子学中的应用，与其说是两个领域的合并，不如说是应用成熟、可靠的微纳加工和组装方法来提升器件性能。虽然目前的重叠仍有限，但随着两个行业都在寻求提高光学效率和精度的方法，这种重叠正在扩大。
补齐制造短板
在三个基础领域的改进——材料均匀性、精密刻蚀和可靠封装——将直接推动 MEMS 和光子学的进步。
在材料均匀性方面，旧式设备是持续存在的瓶颈。许多代工厂仍在使用为 100mm、150mm 或 200mm 晶圆制造的设备。转向现代生态系统中的先进制程 300mm 设备，可以改善热控制、气体流量和化学稳定性。这些改进直接减少了薄膜厚度和应力的波动，从而提高了良率和可重复性。
刻蚀定义了决定器件行为的核心结构，需要严格的深度和轮廓控制——这是光子学和 MEMS 制造的共同要求。在 MEMS 中，刻蚀控制着释放参数和尺寸均匀性；在光子学中，它决定了由波导和组件定义的模式形状和耦合效率。无论是优化波导还是 MEMS 机构，刻蚀系统都可以根据制造商的特殊需求进行定制。例如，针对大尺寸晶圆优化的刻蚀系统可提高整批晶圆的深度精度和侧壁一致性。
Rogue Valley Microdevices 位于佛罗里达、具备 300 毫米工艺能力的 MEMS 晶圆厂。（图片由Rogue Valley Microdevices提供）
最后，在晶圆级实现光、电、机接口的融合依然是制造中最难的部分。MEMS 制造中使用的键合和封装协议可以提高光子组件的可靠性，而光子对准和计量的进步也可以提高 MEMS 的精度。两者的进步都受益于工艺工程师与封装工程师之间更紧密的协作。
业界已经认识到有效的制造实践。接下来的工作是通过更好的计量、工艺控制和支持规模化生产的共享基础设施，将这种质量延伸到整个供应链。
规模化是驱动力而非终点
转向 300mm 制造带来了高良率和低成本所需的工艺稳定性和均匀性。规模化不仅关乎吞吐量，还关乎与更广泛的半导体生态系统的兼容性，因为大多数最先进的工具和材料已经针对 300mm 操作进行了优化。
由于这种成熟度，在 300mm 设备生态系统中加工更大的晶圆通常更容易控制薄膜厚度、温度和均匀性。这为 MEMS 和光子学生产创造了更一致的基础。
逻辑和存储芯片工厂通过规模化和工艺纪律实现了成熟，MEMS 和光子学也在沿着类似的路径前进。挑战各不相同，受制于更广泛的材料和工艺流程，新的制造方法会不断涌现，但真正的机遇在于达到老牌半导体行业的规模水平。
从路线图走向现实
阻碍当今 MEMS 和光子学发展的障碍，对于任何在晶圆厂待过的人来说都感到似曾相识。这些顽固的小问题伴随着这些领域从研究阶段进入商业生产：薄膜在晶圆上发生漂移、刻蚀表现因批次而异、工艺步骤在没有持续人工干预的情况下难以扩展。
在观察了这些技术几十年的演变后，很明显，限制因素并不是我们尚未发现的发明，而是我们必须继续加强的“制造纪律”。解决方案是已知的，问题在于我们执行的一致性如何。
更大的晶圆和功能更强的设备无疑将有助于推动势头。然而，真正的进步将源于一个“每天表现都一样”的基础。当材料沉积达到设计要求的稳定性、当刻蚀轮廓不再带来意外、当从设计到生产的路径变得可靠而非实验性时，MEMS 和光子学将能够以重塑逻辑和存储行业的同等信心实现规模化。
有了这样的基础，这些技术将能够支撑起已经塑造商业市场的下一代传感、通信和计算系统。
- 收藏
