Kansallinen MEMS Teknologioiden tiekartta Aalto-yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulu ja VTT ovat laatineet tiiviissä yhteystyössä alan teollisten toimijoiden kanssa MEMS teknologiaan pohjautuvien järjestelmien tulevaisuuden kehitystä kuvaavan kansallisen tiekartan. Tiekartan laatimisen keskeisenä tavoitteena oli määritellä ne tutkimus- ja kehitystyön keskeiset osa-alueet, joille panostuksia eri instituuteissa tulisi jatkossa kohdistaa, jotta Suomessa orastavan MEMS klusterin osaaminen ja kilpailukyky saadaan säilytettyä kansainvälisellä huipputasolla. Säännöllisin väliajoin tapahtuva tiekartan päivittämiseksi tehtävä työ myös vahvistaa Suomalaisen MEMS klusterin toimijoiden välistä yhteystyötä ja parantaa mahdollisuuksia uusien start-up yritysten perustamiseen. Tiekartta pohjautuu tutkimusyhteisöiden asiantuntijoiden ja kaupallisten hyödyntäjien yhdistettyihin näkemyksiin, joita on työstetty viidessä työpajassa kevään 2011 aikana. Käytyjen keskustelujen pohjaksi Aalto-yliopisto ja VTT toteuttivat yhteistyössä Culminatumin kanssa syksyn 2010 aikana kyselytutkimuksen, jossa selvitettiin teollisuuden alalla läheisesti toimivien tai toimintaa seuraavien henkilöiden näkemyksiä keskeisin aihealueisiin. Kyselytutkimuksessa nousi esiin neljä keskeistä T&K toiminnan osa-aluetta: a) uudet sovellukset, b) valmistuksessa käytettävät materiaalit, c) prosessointitekniikat ja d) paketointi ja integrointi. Tulevaisuudessa MEMS tekniikoilla toteutettavien sovellusten määrää nähdään varsin laajana, mutta tällä hetkellä selvästi eniten huomiota herättävät sovellukset ovat pääasiassa anturijärjestelmiä. Esimerkiksi aktuaatioon perustuvat MEMS sovellukset saivat vastauksissa huomattavasti vähemmän huomiota. Lisäksi kyselytutkimuksen tuloksissa on silmiinpistävää, että lääketieteen MEMS sovelluksiin liittyvä toiminta on vielä toistaiseksi hyvin pienimuotoista. Vain 18 % kyselyyn vastanneista ilmoitti toimivansa bio-aiheisiin liittyvien MEMS -sovellusten parissa. MEMS sovelluksien valmistuksessa käytettävistä materiaaleista monet vastaajat näkivät hiilen allotroopit, kuten hiilinanoputket ja grafeenin, erittäin lupaavina. Vaikka erilaisia nanoputkiin perustuvia sovelluksia on jo kehitetty laboratoriomittakaavassa verrattain paljon, sekä nanoputkien että grafeenin hyödyntäminen MEMS sovelluksissa nähdään kuitenkin tapahtuvan vasta pitkällä tähtäimellä (so. vuoden 2020 jälkeen). Piezosähköisiä materiaaleja sen sijaan käytetään jo muutamissa kaupallisissa sovelluksissa, mutta niiden käytön nähdään yleistyvän lähitulevaisuudessa voimakkaasti. Termiset tai magneettiset muistimetallit nähtiin potentiaalisena vaihtoehtoina aktuaation aikaansaamiseksi sovelluksissa, joissa pietrosähköisesti toteutettavalla aktuaatiolla ei kyetä saavuttamaan riittäviä siirtymiä. Uusien materiaalien käyttöön ottamisen myötä esimerkiksi lasien ja keraamien käytön nähtiin vähenevän. Prosessointitekniikoiden aihealueella pääpaino tulee lähinnä olemaan yksittäisten prosessivaiheiden kehittämisessä. Menetelmät grafeenin ja muistimetallien ohutkalvoprosessointiin tulevat olemaan lähitulevaisuuden kehityskohteita ja niissä saavutettava edistys tulee hyvin pitkälle määrittämään kyseisten materiaalien käytön yleistymisen. Paljon huomiota saivat myös tekniikat, jotka yhdistävät perinteisen CMOS prosessin ja MEMS prosessin (nk. CMOS post processing MEMS ), erilaisten metallien 1
liittäminen, Atomic Layer Deposition (ALD), piin rakenteellinen modifioiminen (esim. huokoinen tai onkalomainen pii) ja erilaiset suoratulostusmenetelmät. MEMS järjestelmien paketoinnissa ja integroimisessa nähtiin yksi selkeä pääsuunta. Suurimmassa osassa sovelluksia paketointiratkaisuksi nähtiin kiekkotasolla tapahtuva paketointi (ns. WLP eli Wafer Level Packaging). Ehkä keskeisin tekijä vastaajien vahvaan uskoon kyseisen paketointiratkaisun mahdollisuuksista MEMS sovelluksille on sen osoittama kustannustehokkuus piisirujen integrointi ja pakkaustekniikkana. Lisäksi paketoitujen integroitujen järjestelmien pieni koko on monissa sovelluksissa luettavissa eduksi. Meneillään oleva WLP tekniikkaan liittyvä kehitystyö keskittyy pääasiassa pakettien kolmessa dimensiossa tapahtuvaan integrointiin ja siihen liittyvään piirien sähköisten johdinkuviointien valmistamisen haasteiden ratkomiseen, kuten läpivientien tekemiseen piin tai pakkauspolymeerien läpi ja lankaliitosten korvaamiseen vähemmän tilaa vievillä ja vähemmän sähköisille häiriöille alttiilla ratkaisuilla. Kyselytutkimuksen ja työskentelypajoissa tehtyjen arvioiden pohjalta tiekarttaa käsitellyt työryhmä päätyi suosittamaan seuraavia kolmea aihealuetta lähituulevaisuuden tutkimus- ja kehitystyön kansallisiksi painopistealueiksi: A) MEMS järjestelmien seuraavan sukupolven 3D integrointi, B) funktionaaliset materiaalit MEMS sovelluksissa, ja C) biomems anturi/aktuaattorijärjestelmät. 2
National MEMS Technology Roadmap Aalto University and VTT have developed, in close co-operation with representatives from the Finnish MEMS industry, a national MEMS technology roadmap. The primary objective of this roadmap is to define focus areas of research and development activities in various institutes and commercial organizations. We hope that this work will contribute in the efforts of maintaining the competitiveness and knowhow of the emerging Finnish MEMS cluster at the highest level. The roadmap will be updated at regular time intervals. This work is also expected to strengthen the co-operation between the organizations in the national MEMS cluster and to generate new long term growth opportunities for the cluster. As a starting point in the autumn of 2010, Aalto University and VTT carried out in collaboration with Culminatum a questioner survey, which examined the view and opinions of people closely involved with the field in both commercial and academic setting. The final form of the roadmap was formulated in five workshops that were held during the spring of 2011. The questionnaire survey revealed four primary R&D activity areas: a) new applications, b) new materials, c) processing techniques, and d) packaging and integration. The number of MEMS based applications of the future is seen quite large, but today most of them are sensor systems. For example, MEMS applications based on actuation received considerably less attention in the responses. In addition, it was striking that activities related to biomedical MEMS applications are still very small scale. Only 18 % of survey respondents indicated that their work involves bio-mems related applications. As to the new materials, many of the respondents saw the allotropes of carbon, such as carbon nanotubes and graphene, as very promising new materials for fabrication of MEMS devices. Although several applications of carbon nanotubes have already been developed and demonstrated in laboratory scale, the utilization of nanotubes or grapheme, in particular, are seen to take place only in the long run (i.e. after 2020). Instead, piezoelectric materials are already used in some commercial MEMS applications and their use is expected to grow significantly in the near future. Thermal and magnetic shape memory alloys were seen as a potential alternative for MEMS actuation where displacements produced by piezoelectric materials are not large enough. Introduction of new materials is expected to decrease the use of, for example, glass and ceramics in MEMS applications in the future. Advances in processing techniques were envisioned to be primarily related to the development of individual process steps. For example, methods to process thin-films of graphene or shape memory alloys will be an area where many efforts are needed in the near future. Breakthroughs in this area will to a large extent determine how widely these materials will be used in MEMS devices. Processes to combine conventional CMOS and MEMS fabrication processes (so-called "post processing CMOS MEMS"), bonding of dissimilar metals, Atomic Layer Deposition (ALD), structurally modified silicon (e.g. porous Si), and various methods of direct printing received a lot of attention. 3
Wafer Level Packaging (WLP) was seen as the primary solution for packaging and integration of MEMS based systems by vast majority of the respondents. Perhaps the most important factor for the respondents' strong belief in the potential of MEMS packaging solutions is the fact that this technology has already shown its cost efficiency in packaging and integration of integrated circuits. In addition, the small form factor enabled by this technology can be regarded as a benefit for many applications. The current challenges related to the WLP technology are related to the three-dimensional integration and associated challenges in electrical interconnecting, such as fabrication of through silicon or through encapsulation vias and replacement of wire bonds with solution that would require less space and would be less sensitive to electrical disturbances. Based on the questioner survey and the expert meetings the roadmap working group came to propose the following three focus areas for the near future national research and development: A) Next Generation 3D Integration of MEMS based Systems, B), Functional Materials in MEMS based Systems, and C) MEMS based Biomedical sensor/actuator systems. 4
Liitteet: Emerging MEMS Devices 3-axial gyroscope multi-directional microphone micro-fluidistics tunable filters tunable capacitor tunable inductor image projection color micro-display vibration energy harvesting atomic oscillators microbolometer solar / RF energy harvesting thermoel ectric energy harvesting cryogenic cooler adjustable optical lens fuel cell responsive drug delivery Today In the near future In the long run Focus Areas in Materials Use will increase: piezoelectric, allotropes of carbon (CNT, graphene), SMA/MSM Use will diminish: glass Piezoelectricmaterial s on Si Ceramic material s in MEMS Polymers materials on Si Piezoelectricmaterial s in MEMS Ceramic materials in MEMS fundamental research phase applied research phase commercial ph ase Carbon Nanotubeso n Si Polymers materials in MEMS Carbon nanotubes on Si / CNTs utilized in MEMS Shape Memory Alloys / Magnetic Shape Memory materials on Si Carbon nanotubes in MEMS SMA/MSM on Si / SMA/MSM utilized in MEMS Grapheneon Si SMA/MSM in MEMS Grapheneon Si / Grap hene utilized in MEMS 2011 2015 2020 Graphene in MEMS Focus Areas in the Development of Enabling Technologies Transfer bonding Metal Bonding Laser Direct writing Inkjet Direct writing Self assembly ALD (e.g. for TSVs) CMOS post processing MEMS SOI (cost pressure) Low Cost SOI Surface MEMS Porous Silicon Roll-to-roll processing Thin film processing of new materials e.g. graphene, shape memory alloys 2011 2015 2020 5
Packaging and Integration Wafer Level Packaging of MEMS Si Capped WLP ewlp TSVs Plasti c Packaging (e.g. LGA) Through encapsulant vias Fan- out WLP 3D Stacked WLP MEMS/IC MEMS on CMOS Metal wafer bonding sensor fusion responsive systems Over Molded and Capped Pkng Ceramic Pkng 2011 2015 2020 National MEMS Roadmap Focus Areas Recommendation of national focus areas of R&D: o 3D Integration of MEMS based Systems o Functional Materials in MEMS based Systems o MEMS based Biomedical sensor/actuator systems 6