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MEMS，未來十年路線圖
早段時間，美國SIA和SRC發布一份半導體未來發展路線圖，這在我們之前的文章《半導體產業，未來十年路線圖》中已經有了大致的敘述。同時，我們也發布了《美國人眼中的數位處理器路線圖》以及《先進封裝，十年路線圖》和《模擬晶片，發展路線圖》。本章則是有關光學和MEMES的。
以下為文章正文：
隨著電晶體2D 擴展速度的放緩和2.5D/3D 封裝技術的成熟，利用集成光子學技術、在CMOS 工廠製造並採用先進積體電路封裝技術的光收發器和互連器件的開發開始成為一項更為重要的技術創新。與資料處理（計算）和儲存晶片共置於同一封裝內的光收發器稱為共封裝光學元件或CPO。包含主動光子元件和相關光子電路的晶片稱為PIC（光子積體電路）。這些PIC 將電訊號轉換為光訊號，並在封裝之間和/或封裝內的運算核心與記憶體之間傳輸光域資料。
CPO 最重要的價值主張是提高頻寬密度和能源效率，而這兩個關鍵指標是由不斷增長的運算能力和通訊頻寬需求所驅動的。這項需求尤其受到複雜的人工智慧和ML 加速器以及運算叢集的快速成長和實施的影響，這些加速器和叢集正在推動互連頻寬、能效和更低延遲的發展，從晶片級系統到由數千個GPU、CPU 和記憶體IC 組成的大規模系統。
在共同封裝光收發器提高資料傳輸效率的同時，光感測器和執行器在資料收集和處理方面也發揮越來越重要的作用。這些感測器和執行器在電視、車頭燈、投影機和DNA 分析晶片等產品中，以及在數據感測器和可穿戴式心率及氧氣感測器的光學開關中都至關重要。其中許多感測器都是採用微機電系統（MEMS）技術製造的。MEMS 設備和製造技術還可用於調整、調製或調節可調濾波器、雷射和光纖等光學設備的排列，從而實現近紅外線（NIR）材料分析掃描儀等新產品。
此外，微機電系統與專用積體電路的結合也在同時成熟，這將帶來前所未有的產品。
感測器的微型化推動了遠距醫療的革命，使診斷可以在偏遠地區或家中進行，提供了創傷較小的手術替代方案，並實現了可植入、可攝取或可穿戴的感測器和神經探針。微型感測器還促進了個人數位雙胞胎的使用，這樣醫生就可以透過模擬練習手術，並提供更準確的身體可視化，從而進行更好的診斷。
感測器還促進了智慧家庭、智慧城市和先進製造設施的創新。新型化學感測器可偵測氣體，監測建築物內的污染和空氣品質。物聯網（IoT）的基礎是小尺寸、低功耗感測器的可用性。感測器也將繼續在結構健康監測和預測性維護、國防和航空等領域中得到重要應用。
未來十年，手持和穿戴式小工具市場預計將繼續快速成長。此外，由人工智慧驅動的機器人和自動駕駛汽車也將繼續廣泛應用。所有這些應用都需要更複雜、更可靠、成本更低且具有高頻寬互連功能的感測器。
未來十年的傳感器
手機經濟主要受成本、尺寸、性能和頻寬的驅動。強大的感應器設計對手機的GPS、陀螺儀、加速度計、壓力感應器、磁力計、光學影像穩定器、麥克風和指紋感測的成功至關重要。在過去五年中，感測器的靈敏度和精確度成長了十倍，而功耗、成本和尺寸卻下降了五分之一。預計這些趨勢還將持續。
物理和人工智慧在設備運算中的融合使基於微機電系統的產品設計更加出色。這些感測器的整合使導航定位、穩定性控制、撞擊偵測、自適應照明、影像穩定和牽引力控制等活動得以無縫執行。更好的感測器性能意味著更高的信噪比（SNR）、更高的動態範圍和亞毫瓦級的功耗。
還需要具有附加功能的感測器。例如，需要帶隙小於矽（Si）、可工作於短波紅外線（SWIR）的矽整合元件，以實現高解析度、對眼睛安全的長距離雷射雷達（LiDAR）。將這些感測器封裝在超小型封裝中也是可取的。柔性封裝是對穿戴式裝置和醫療應用非常重要的另一個新興領域。
靠近感測器的運算和智慧處理對能源效率和延遲至關重要，而硬體和軟體的共同優化則是合作的重要載體。TinyML (www.tinyml.org) 是感測器和執行器領域另一個快速發展的領域。該領域包括靠近邊緣設備或邊緣設備上的硬體、演算法和軟體。例如，它可能位於物聯網資料管理和運算解決方案邊緣的感測器上。通常情況下，感測器資料的ML 推斷在本地完成，耗電量約為1mW。
未來十年，隨著TinyML 在物聯網中的普及和發展，人們關注的關鍵領域將包括低功耗喚醒電路、與使用先進矽節點製造的矽集成的非揮發性記憶體，以及以毫瓦級功率預算有效利用有限記憶體/運算資源的ML 演算法。
矽光子技術可望為感測、互連、通訊和計算等多種應用擴展頻率和頻寬。用於健康/醫療感測（包括血糖檢測、血壓和心臟病標記）的先進光學感測器以及用於汽車應用（如雷射雷達）的感測器帶來了重要的發展機會。這些感測器面臨的一個重要問題是如何達到同類解決方案的精確度和可靠性。
要為ADAS（高級駕駛輔助系統）光達系統提供真正的固態光束轉向，需要進一步開發光學相控陣和光柵。固態光束轉向將降低成本、提高可靠性並縮小雷射雷達掃描系統，所有這些都是實現SAE 3 級及以上自動駕駛汽車量產所必需的。
量產汽車中的ADAS 雷射雷達系統還需要在矽片級整合具有OPA（光學相控陣）/光柵元件的發射器和具有有點雲處理功能的偵測器。這些元件的整合最好透過元件的程式碼設計和晶圓級混合鍵合或類似方法來實現。
使用感測器資料的系統通常不會對其進行進一步的安全檢查，而會信任感測器資料。因此，對感測器設計用於解釋的物理現象進行操作可能會導致不希望發生的操作過程。例如，智慧型手機上的MEMS 加速計可以透過簡單地播放含有不易聽到的聲音的YouTube 影片來測量步數。甚至還可以用這種方法傳遞訊息。例如，透過雷射照射窗戶，犯罪者可以向聲控系統注入指令。
因此，整合微機電系統（MEMS）設備的安全問題是一個需要解決的挑戰，以防止惡意篡改資料。MEMS 也可以成為安全解決方案的一部分，因為MEMS 設備可用作保護電路免受篡改的實體安全機制的一部分。
感測器製造和設計的趨勢包括：
- 以與CMOS 相容的基於MEMS 的諧振器取代晶體振盪器，以實現新的架構、更高的效能和移除片外被動元件。
- 在手持超音波等應用中使用壓電MEMS 感測器和致動器，以及改進和微型化揚聲器和麥克風。
- 採用一整套技術，利用新的低成本材料和製造技術，大量生產成本更低的感測器，同時為關鍵任務（如全球定位系統導航）製造高精度的感測器。
- 在服裝和織物中安裝感應器，創造新的時尚類別，與基於手機、戒指、體貼和手錶的感應器競爭。許多創新技術也具有軍事用途。織物感測器對互聯性、可靠性和耐用性提出了新的要求。
- 微機電系統推動了量子運算的進步，因為微機電系統結構用於實現量子位元與外界的通訊。
與許多電子產品不同，感測器的製造流程多種多樣，通常針對特定的應用或感測器類型。根據感測器的不同，它可能需要開放以感知周圍環境，同時還要防止不必要的環境影響。有些感測器則更適合密封封裝。滿足特定感測器結構的獨特封裝需求的關鍵因素包括採用不同製造技術製造的感測器的封裝，以及在柔性基板上結合柔性和剛性感測器。一個與之競爭的趨勢是，在某些應用中，感測器封裝解決方案已開始實現標準化，從而提高了供應鏈的效率。
感測器與相關電子設備的整合有多種方式。感測器可以透過特殊的兼容製程與電子元件建構在同一晶片上，也可以作為後置製程創建在CMOS 上/下，或作為獨立晶片組合在一起。微機電系統（MEMS）也可以從CMOS 堆疊中分離出來，有些研究人員甚至將鰭片結構作為感測元件的基礎。分離晶片或後處理可以使用先進的CMOS 節點和最佳化的MEMS 製程。這些不同的整合策略對封裝、材料選擇、製造和組裝都有影響。在可預見的未來，上述每種策略都會有自己的優勢。
在整合和具有功率/面積效率的光-電-光轉換和介面方面仍然存在挑戰。要擴大這項技術的應用範圍，就必須應對這些挑戰。
通訊未來的發展趨勢
整合光子技術將大大改善通訊基礎設施。預計在未來五年內，通道符號率將輕鬆超過100 千兆波特，用於光纖通訊的整合式光子學收發器模組的聚合頻寬將達到3.2 至6.4 Tbits/s。對提高頻寬和能源效率的迫切要求將推動資料中心的架構從可插拔光學元件過渡到協同封裝光學元件（CPO），從而推動從銅纜過渡到更短距離（1 公尺以下）的光纖。
必須強調的是，如果不使用密集波分複用技術（DWDM，或類似的複用方法）在單根光纖上放置多個光通道，就無法充分利用光纖的巨大頻寬（透過光子技術實現頻寬密度的數量級增長）。在專用積體電路上成功實施DWDM 或相干技術，還可以在給定光纖頻寬的情況下，在通道資料速率與通道數量之間進行權衡。這種權衡可以提高能源效率，降低系統成本。未來幾年，隨著光子互聯頻寬密度的提高及其應用的普及，降低整個光學系統的能耗、每位元成本和延遲（尤其是人工智慧/行動運算應用）將變得更加重要。使用短、低損耗通道將光學元件封裝在靠近ASIC 和其他運算積體電路的位置，將有助於提高部分能源效率和頻寬，從而實現大規模系統的低功耗電光轉換和高頻寬資料傳輸。
目前，模擬光子鏈路用於簡化毫米波節點積體電路架構，可使每個晶片的天線數量達到1000 根以上。類比光子鏈路也大大提高了製程中的節能效果，其能效遠高於訊號鏈中的數位鏈路。
在通訊應用方面，還有大量電磁頻譜尚未開發。要充分利用這龐大的未開發頻譜，就需要技術創新。創新的半導體技術，如基於SOI/SiGe 的光子技術、VCSEL、微型LED、雪崩光電二極體和基於InP 的PIC，將提供先進的製程平台，實現未來頻寬和功率的許多改進。
在微機電系統領域，光開關正在取代OEO 開關。基於微機電系統的可調濾波器和電容器、射頻開關以及上述微機電系統諧振器正在實現新的架構和更高的整合度，從而減少了佔地面積並簡化了封裝。這些新型元件為通訊電路和系統設計開創了一個全新的時代。利用MEMS 實現通訊元件的可調諧性、對準和校準，還能提高規格。
計算與記憶體
光子學為解決高效能和資料中心運算系統在持續擴展資料移動過程中的功率和頻寬瓶頸問題提供了重要機會。新型高速、低功耗收發器、光源、波導/調製器和光電探測器是整合光子學的一些基本構件--在這一領域，可持續的尺寸可擴展性仍然是一個關鍵挑戰。光子技術為低功耗、高速I/O 和光子互連結構提供了機會。此外，光子設備已被證明可以進行某些數學運算，如矩陣向量乘法。
透過在處理器（CPU/GPU/FPGA/ASIC）附近以及從處理器到記憶體的鏈路中實現光子集成，可以利用光傳輸與銅傳輸相比所具有的巨大頻寬和低損耗優勢，將頻寬密度提高>100倍，能源效率提高>10倍，並在全系統範圍內擴展封裝級效能。
光鏈路可提供高能效、低延遲的互連，實現網路、運算和記憶體的分解。這將利用與ASIC/CPU/GPU 共同封裝的光學元件，並使用光通訊標準來連接超大規模資料中心中跨機架的運算和記憶體。
人工智慧加速器和神經形態運算是推動更高壓縮比的其他令人興奮的領域，與先進的2.5D/3D 封裝整合相結合，在提高能源效率方面具有巨大潛力。目前正在探索光基人工智慧加速器，該領域投資的增加可能會對PIC 路線圖提出更多要求。用於量子計算的矽光子技術的研發投資也在增加，這需要新的材料和製程。
基於MEMS 的產品需要更多的板載計算，以生產更智慧的感測器。MEMS 製造商已"向食物鏈上游移動"，不再局限於提供原始感測器輸出。如今，典型的MEMS 感測器可提供智慧動作或其他經過處理的數據。這是智慧邊緣處理趨勢的一部分。計算與感測相結合的架構正在迅速變化，影響CMOS-MEMS 整合和先進封裝。
用於光子學和微電子機械系統的新材料和新工藝
為了實現更高的性能和更高的整合密度，創新的半導體製程平台包括基於SOI/ Ge 的光子學；透過外延生長、晶圓/晶粒鍵結或雷射腔內連接將III-V 材料整合到矽晶圓上，用於光源、調製器和探測器；以及基於等離子體色散效應以外的物理效應（等離子體、石墨烯）的主動元件。
用於混合整合的鈮酸鋰和鈦酸鋇薄膜是高頻調製的促進因素，而利用三維列印技術實現雷射封裝互連的光子線鍵是需要進一步研究的其他領域。高頻寬、低傳輸損耗和低功耗的晶片到晶片光互連預計也需要在基板/PCB 的嵌入式波導方面取得進展。重要的是要確保低成本、高可靠性的光子材料，在長時間和寬溫度範圍內保持穩定的性能，同時還要保持低熱滯後和低損耗特性，從而要求低總體能耗。
對於某些感測器和致動器，在提高慣性感測器性能和射頻濾波器功率處理能力的同時，還需要進行CMOS 相容擴展，因此需要探索鎢或其他高原子質量金屬等新材料，以減少整體佔用空間。此外，也正在探索基於氮化鋁的CMOS 相容平台。此外，也正在研究具有更高力密度和線性度的新型壓電和相變記憶感測器。這些用於感測器和執行器的新型材料反過來又引發需要溫度和濕度控制的封裝材料和技術的創新。
慣性感測器的兩個重要材料驅動因素是防止機械裝置黏在基板上的能力，以及具有良好CTE 匹配的材料組，以防止不必要的彎曲和應力，特別是封裝產生的彎曲和應力。這些感測器還需要改進的低成本獲取材料以及抗磨損、抗粘連、抗腐蝕和消除電荷的塗層。對於化學感測器，材料的要求是以可重複和穩定的方式促進化學反應。聲學感測器/執行器材料（如麥克風/揚聲器）的一些要求是促進受控運動，以產生、移動和檢測聲音。
由於這些設備必須承受大量的循環，因此MEMS 材料的關鍵特徵是其變形可預測且不會疲勞。光學感測器/致動器材料包括那些能產生平整、反射表面、不易變形並具有適當光學特性的材料。在射頻微機電系統開關中，開發可靠的接觸材料仍然非常重要。
在光子學和微電子機械系統應用中，有幾種新興的下一代材料值得關注，應考慮將其批量生產。需要進行前驅體表徵工作，以便將這些材料整合到半導體製造中，並開發自動化前端製造設備來應用或移除這些材料。下表6.1 列出了一些例子。
技術現況/產品實例
將光子技術引入積體電路封裝的努力已經開始。近年來，一些顯示從獨立收發器過渡到CPO 或為CPO 設計的光學引擎的初始產品已被展示。
圖6.1 和6.2 舉例說明了這些早期CPO 產品。圖6.1 顯示的是Ranovus Odin 光收發器，工作頻率為896Gbps，與AMD/Xilinx 的Versal FPGA 整合在同一包裝基板上。它在2022 年的光纖通訊(OFC) 會議上進行了演示。圖6.2 展示了Ayar Labs 的TeraPHY 光收發器與資料處理積體電路的整合。這些TeraPHY 採用8λ 波分複用技術（WDM），由8λ 光源--超級新星（SuperNova）提供支援。
最先進的MEMS 產品將多個感測器與電子元件結合在一起，提供由板載低功耗電子元件處理的高級輸出，這些電子元件通常整合了人工智慧和高級校準功能。博世、義法半導體、Invensense、類比元件、德州儀器等公司的產品都附有API，隨時插入系統。新興MEMS 產品融合了感測器/執行器製造技術、材料和設計方面的進步。以下是一些新興產品的例子：
- 基於微機電系統的揚聲器
- 可感應多種物質的化學感測器
- 用於手持成像儀器的超音波陣列
- 可與CMOS 整合的BAW 元件
圖6.3 舉例說明了最先進的MEMS 產品。圖中顯示的是eXo Imaging 公司的低壓pMUT 陣列晶片：Exo Silicon。Exo Silicon 融合了壓電晶體久經考驗的卓越成像性能和矽的經濟性。每個晶片包含4096 個獨立控制的pMUT，具有大頻寬、無與倫比的靈敏度和高達150 度的超寬視野。Exo 的矽架構可實現成像品質的快速提升，並提供即時人工智慧功能，可對每個畫面進行分析，引導使用者立即找到答案。展望未來，pMUT 技術將實現強大的3D 成像，並有可能實現4D 成像。護理人員將能更好地觀察病人，更快做出診斷。
現有技術的局限性
光通訊並非新鮮事物。半個多世紀前，隨著光纖製造技術的成熟和基於III-V 技術的光發射器和探測器的出現，光收發器在長距離數據傳輸中的作用迅速擴大--這要歸功於玻璃纖維的低損耗、低色散和寬頻寬特性。技術的進步和多樣化使成本大幅下降，從而使光收發器在存取和用戶端應用中廣泛應用。
同時，1920 世紀90 年代DWDM 技術和摻鉺光纖放大器（EDFA）的出現徹底改變了長途網絡，為資訊高速公路奠定了基礎。多年來，光收發器從客製化設計設備發展到板載模組，再到大量多源協議指定的小尺寸（SFF）插拔式光收發器。這些獨立的可插拔收發器在當今的資料中心中發揮著不可或缺的作用。
然而，隨著資料量和資料處理積體電路運算能力的持續成長，獨立收發器很快就會成為高頻寬資料傳輸的瓶頸。安裝在面板上的收發器總數可能無法為線路卡上的資料處理單元或資料交換器提供足夠的頻寬。當資料傳輸速率提高到100 Gigabaud 或更高時，從訊號完整性的角度來看，積體電路的串列資料交換器與光收發器資料輸入引腳之間的銅線損耗將成為一個挑戰。因此，CPO 在這種情況下提供了一個很好的替代方案，也是打破這個物理障礙，同時繼續降低整體系統功耗和成本的一個令人信服的選擇。
將光學收發器置於同一包裝內，可以解決訊號完整性問題，因為這樣就可以用更短、損耗更低的互連裝置和潛在的直接驅動光學元件消除線路卡上的長銅線。然而，要真正克服頻寬密度瓶頸，我們可能需要為長距離/長距離收發器引入DWDM 技術，同時保持短距離同封裝光Ioss 機制。
由於MEMS 設備通常需要客製化工藝，因此很難創建類似CMOS 的高度標準化平台。例如，磁性感測器可能需要慣性感測器不需要的材料。一些製造商試圖提供在同一晶片上製造多種類型感測器的製造工藝，但成本和性能驅動因素往往決定了客製化製程。因此，必須對MEMS 裝置製造流程及其相關封裝進行編碼設計。
另一個限制因素是沒有像CMOS 那樣的原始元件，即電晶體。測試方法往往是感測器工作原理或應用所獨有的，因此測試和組裝基礎設施、生態系統和供應鏈比電子產品更為複雜。雖然在這些領域已經取得了很大進展，但這些問題仍然限制了MEMS 技術的廣泛應用，使基於MEMS 的產品的上市時間成為一個問題。隨著微機電系統市場的持續快速成長，將會有更多的供應商推出微機電系統產品，情況將會有所改善。
挑戰、未來需求和可能的解決方案
通訊、計算和記憶體應用需要解決多個領域的技術和供應鏈挑戰：
- 光子IC (PIC) 性能(200G/Lambda +)、產量、可製造性和成本
- 大規模生產用於矽光子學的低成本DWDM III-V 雷射光源（特別是O 和C 波段）
- DFB（Distributed FeedBack）QDOT 和其他雷射採購選項、性能、電插效率和成本
- 非密封雷射在升高的環境溫度下具有高性能，適合IC 內封裝環境
- 整合高功率雷射器，產量高、可靠性高
- 雷射材料的混合集成
- 邊緣耦合和垂直耦合光纖連接被動/主動方案、光纖間距縮放和成本
- 光纖組裝製程－低耦合損耗、高吞吐量、高產量
- 具有高光纖數/密度和減少包層直徑的光纖陣列的光纖帶狀化
- 光纖陣列互連/端接硬體開發和標準化
- 共封裝光纖(CPO) 的光纖管理– 每個封裝的高密度光纖（高光纖數）和帶狀光纖
- 先進的異構封裝，包括可實現高頻寬密度、高SI（訊號完整性）和低互連功耗的3D TSV
- 用於處理器-處理器和處理器-記憶體存取的光纖匯流排架構
- 用於光互連的低成本光源• 熱可調性和結溫管理• 可測試設計(DFT) 和可製造性設計(DFM)
- 穩定可行的PIC、雷射和光纖整合供應鏈和生態系統支持
- 用於生態系統支援的光子電路建模標準
感測器/執行器應用需要解決多個領域的技術和供應鏈挑戰：
一、CAD
- 感測器/執行器的非線性降階建模
- MEMS 協同設計（感測器/電子裝置和封裝）
- PDK（製程設計套件），具有所有相關物理領域的材料屬性
二、材料
- 所有相關物理領域新材料的表徵
- 材料合成工具，用於發現和優化具有所需特性的材料
- 彎曲和拉伸下材料的表徵，尤其是可穿戴設備
三、標準
- 材料彎曲和拉伸性能標準
- 感測器性能FOM 標準
- 新興技術的可靠性和測試標準
四、勞動力發展
- 對MEMS 所需的多個物理領域的學生進行培訓（例如機械和電子）
- 進行培訓，讓學士和碩士生更全面地參與MEMS 和光子學設計，就像針對VLSI 所做的那樣
五、CMOS和多感測器集成
- 必須繼續使用新的封裝方法從堆疊式引線接合感測器進行過渡，以實現更大程度的異構集成
六、感測器設計與製造改進
- 透過使用現場校準、多個感測器和/或與其他非MEMS 感測器組合，將慣性感測器改進為導航級
- 改進的設計和製造方法，以及工藝窗口的增強，以補償製造的非理想性
- 基於MEMS 的能量採集器必須提高感測器轉換功率輸出百分比，才能與太陽能和熱電設備競爭
- 持續開發低功耗和近零功耗感測器以滿足能源需求
- 光學葡萄糖感測器必須變得更加準確才能與基於針的電化學感測器競爭
- 紙張和塑膠感測器的精度必須提高才能與矽基感測器競爭
- 繼續研究原子鐘技術以取代大型組件
~半導體產業觀察