詳解MEMS技術(shù)的發(fā)展歷史進(jìn)程

MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀(jì)70年代末80年代初，當(dāng)時用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動膜在壓力下變 形，會影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號。后來的電路則包括電容感應(yīng)移動質(zhì)量加速計，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。

第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，主要圍繞著PC和信息技術(shù)的興起。TI公司根據(jù)靜電驅(qū)動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。

第三輪商業(yè)化可以說出現(xiàn)于世紀(jì)之交，微光學(xué)器件通過全光開關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補(bǔ)充。盡管該市場現(xiàn)在蕭條，但微光學(xué)器件從長期看來將是MEMS一個增長強(qiáng)勁的領(lǐng)域。

推動第四輪商業(yè)化的其它應(yīng)用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經(jīng)元探針，以及所謂的‘片上實驗室’生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和移動器件。

工藝的發(fā)展

近來對MEMS關(guān)注的提高部分來自于表面微加工技術(shù)，它把犧牲層（結(jié)構(gòu)制作時使其它層分開的材料）在最后一步溶解，生成懸浮式薄移動諧振結(jié)構(gòu)。

歐洲一所MEMS研究機(jī)構(gòu)、法國格勒諾布爾TIMA實驗室的Bernard Courtois指出：‘有兩種方法制造微系統(tǒng)，即專門為微系統(tǒng)開發(fā)的工藝或者使用為微電子開發(fā)的工藝。后一種工藝中有些可用于微系統(tǒng)，有些則要為它增加 一些特殊的工藝步驟以適用于集成電路中的微系統(tǒng)?！?/p>

很多MEMS應(yīng)用要求與傳統(tǒng)的電子制造不同，如包含更多步驟、背面工藝、特殊金屬和非常奇特的材料以及晶圓鍵合等等。確實，許多場合尤其是在生物和醫(yī)療領(lǐng)域，都不把硅片作為基底使用，很多地方選用玻璃和塑料，出于降低成本原因經(jīng)常用塑料制成一次性醫(yī)療器械。

但對眾多公司和研究機(jī)構(gòu)來說，微電子中現(xiàn)有的CMOS、SiGe和GaAs等工藝是開發(fā)MEMS的出發(fā)點。從理論上講，將電路部分和MEMS集成在同一芯片上可以提高整個電路的性能、效率和可靠性，并降低制造和封裝成本。

提高集成度的一個主要途徑是通過表面微加工方法，在微電子裸片頂部的保留區(qū)域進(jìn)行MEMS結(jié)構(gòu)后處理。但是必須考慮溫度對前面已制造完成的微電子部分的破壞，所以對單片集成來講，在低溫下進(jìn)行MEMS制造是一個關(guān)鍵。

針對這一點，比利時Interuniversity微電子中心（IMEC）開發(fā)了一種多晶鍺化硅沉積技術(shù)，其臨界溫度為450℃，而多晶硅為 800℃。不過溫度低沉積速度也要慢，因此又開發(fā)了第二種沉積速度更高、溫度為520℃的方法。選擇SiGe是希望切入事實上的高頻電子標(biāo)準(zhǔn)工藝，但也有 很多其它公司在尋求以主流數(shù)字CMOS作為出發(fā)點。

今年早些時候，IBM宣布它利用BiCMOS工藝技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)材料在低于400℃溫度下開發(fā)了RF MEMS元件，它開發(fā)的MEMS諧振器和濾波器可以在無線設(shè)備中替代分立無源元件。

MEMS與微系統(tǒng)顧問Roger Grace表示：‘多年來人們一直在討論CMOS和MEMS集成的問題，但目前唯一批量生產(chǎn)的集成工藝只有美國模擬器件公司（ADI）的ADXL-50加 速器。同樣的功能摩托羅拉要用兩個芯片完成，其中一個是MEMS，另一個是封裝好的集成微電子器件?！?/p>

這些爭論經(jīng)常在微電子業(yè)中提起。值得注意的是模擬和混合信號在微電子中常常放于不同的裸片上作為電路集成到一個封裝里，同樣，智能功率電子經(jīng)常 采用多芯片解決方案實現(xiàn)，盡管其他人極力吹捧智能功率工藝技術(shù)的好處。此外贊成與反對將機(jī)械結(jié)構(gòu)和大量電子裝置集成在一起的理由也都非常復(fù)雜。

這主要是因為微電子的標(biāo)準(zhǔn)封裝開發(fā)很快，引腳數(shù)和連接方法的變化在本質(zhì)上也是標(biāo)準(zhǔn)的。而MEMS則不同，其環(huán)境參數(shù)各種各樣，某些封裝不能透光而另一些必須讓光照到芯片表面，某些封裝必須在芯片上方或后面保持真空，而另一些則要在芯片周圍送入氣體或液體。

人們認(rèn)識到不可能給各種MEMS應(yīng)用開發(fā)一種標(biāo)準(zhǔn)封裝，但也非常需要業(yè)界對每種應(yīng)用確定一種標(biāo)準(zhǔn)封裝及其發(fā)展方向。 Roger Grace指出：‘MEMS設(shè)計師喜歡先把電路做出來，然后再考慮測試和封裝?！杀?5%以上是花費(fèi)在測試、封裝和最后裝配中，對這部分進(jìn)行優(yōu)化應(yīng) 該比制作最精巧的MEMS結(jié)構(gòu)更重要。同時，行業(yè)組織SEMI正開始著手封裝和制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

因此Sandia國家實驗室開發(fā)了包括5層多晶硅的Summit V工藝技術(shù)，并把該技術(shù)及相關(guān)設(shè)計工具的使用許可發(fā)放給諸如Coventor和Ardesta LLC之類的企業(yè)（后者是一家風(fēng)險投資公司）。Sandia還把其4層Summit IV工藝技術(shù)使用許可發(fā)放給了飛兆（Fairchild）半導(dǎo)體公司。

這是Sandia承擔(dān)的基礎(chǔ)研究商業(yè)化政策的一部分，最近一次MEMS研討會上Sandia工作人員把它稱為‘幻想家的困境’或‘如何將最初的演示轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://wenjunhu.com/v/" target="_blank">工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)’。

Roger Grace認(rèn)為：‘Sandia的政策是把技術(shù)許可發(fā)放給業(yè)界以得到大批量應(yīng)用，這樣他們就能證明他們自己過去小批量應(yīng)用時的可靠性。’在制造齒輪、鏈條和微機(jī)械時Summit工藝也許能顯示出非常好的優(yōu)勢。

但Grace也有些疑問：‘Summit V是個很貴的工藝，是否有足夠的應(yīng)用來支持Summit V？因為工程師仍然希望把制造工藝技術(shù)與應(yīng)用對應(yīng)起來?！?按照Grace的說法，迄今只有幾種MEMS達(dá)到大批量生產(chǎn)，即使像成功用于桌面投影儀市場的TI移動鏡視頻投影芯片，每年產(chǎn)量也不到100萬只。他說： ‘我們會看到不斷出現(xiàn)定制工藝和定制解決方案，我不認(rèn)為他們（工程師）會妥協(xié)?！?/p>

那么現(xiàn)在說MEMS是一個繁榮市場是否還為時過早嗎？ 據(jù)In-Stat MDR高級分析員Marlene Bourne預(yù)測，世界MEMS市場將從2001年的39億美元增長到2006年的95億美元，平均增長率為19.5%。相比之下，世界半導(dǎo)體芯片市場自 1996年以來一直徘徊在1，500億美元，盡管預(yù)計到2003年會有20%的增長。

歐洲工業(yè)組織Nexus預(yù)測，微系統(tǒng)市場在2001年已經(jīng)是300億美元，到2005年將上升到680億美元。這與In-Stat數(shù)字之間的差 異主要是因為Nexus使用的‘微系統(tǒng)’定義更廣泛，它還包括整機(jī)系統(tǒng)，如心臟起搏器，并延伸到聚合物、玻璃、金屬和以陶瓷為材料的器件。

Bourne解釋說：‘我是根據(jù)尺寸來定義MEMS，指一般制作在硅片上并帶有機(jī)械功能的器件，雖然它不是專用的。更多要做的事情是在工藝技術(shù)上，它可能起源于表面微細(xì)機(jī)械加工或LIGA。我估算的是向OEM付運(yùn)的元件數(shù)，而沒有估算芯片級或最終用戶產(chǎn)品的價值?！?/p>

商業(yè)模式

Bourne表示：‘MEMS產(chǎn)業(yè)呈波浪式發(fā)展，我們看到已涌現(xiàn)出壓力傳感器、加速計和鏡光學(xué)器件，下一波將是RF、微型繼電器和開關(guān)。它們需求量很大，但是價格壓力也很大?！?/p>

她認(rèn)為硅片擴(kuò)音器也是一個新興領(lǐng)域。在這類器件中，傳統(tǒng)擴(kuò)音器振動膜由一個薄硅片膜制成。已經(jīng)有公司如Akustica和丹麥的 SonionMEMS A/S正在進(jìn)行這方面的開發(fā)，Akustica同時也在研究硅發(fā)聲裝置的可能性。雖然尺寸小會限制輸0出功率，但這類元件能很好適用于助聽?wèi)?yīng)用領(lǐng)域。例如 把255只這種硅揚(yáng)聲器放到一個裸片上不僅能提高揚(yáng)聲器的響度，而且還可以對這種微型揚(yáng)聲器進(jìn)行8位數(shù)字選址。同樣，多個擴(kuò)音器和擴(kuò)音器陣列配置也能開發(fā) 出新的應(yīng)用領(lǐng)域，這種有方向的擴(kuò)音器可以沿著一個空間排列，如汽車或家庭內(nèi)部，這樣捕捉到的聲音還帶有位置信息。

Bourne表示：‘我們所見到的是MEMS領(lǐng)域劃分得非常清晰?！拇_，新興公司和老牌芯片及整機(jī)公司都在運(yùn)輸、醫(yī)療、電信和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域競爭，新興公司只專注于其中一個應(yīng)用部分。至于微電子方面，MEMS正成為一種可以服務(wù)于多個垂直市場的水平技術(shù)。

她還指出：‘傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造商表現(xiàn)出很大的興趣，但是這或許只是對其領(lǐng)域所出現(xiàn)問題的’膝跳反應(yīng)‘。畢竟工藝技術(shù)完全不同?！?/p>

但真的不同嗎？TIMA及其他一些機(jī)構(gòu)指出，如果能使用標(biāo)準(zhǔn)工藝，即使是改進(jìn)的最基本IC工藝也有很多優(yōu)點，因此硅片MEMS、MOEMS（微光機(jī)電系統(tǒng)）和常規(guī)IC制造之間的區(qū)別只是程度不同。

情況確實就是這樣，進(jìn)軍MEMS對小的芯片制造商來講更具吸引力，因為他們正受到上游集成器件制造商（IDM）和***地區(qū)代工廠的沖擊。由于這些小芯片公司無法承擔(dān)深亞微米工藝技術(shù)開發(fā)和設(shè)立新工廠，他們必須找到市場切入點或完全放棄制造。

值得注意的是飛兆半導(dǎo)體和奧地利微系統(tǒng)公司已把MEMS加入到其能生產(chǎn)的器件范圍，位于加利福尼亞的Xicor 6英寸晶圓廠被Standard MEMS公司收購而轉(zhuǎn)向生產(chǎn)MEMS，而卓聯(lián)半導(dǎo)體把在英國普里茅斯的晶圓廠賣給了德國X-Fab Foundries公司，后者自稱是一家混合信號和MEMS器件代工廠。

但是還應(yīng)看到迄今為止所出售的絕大多數(shù)MEMS都是由主要的半導(dǎo)體公司如摩托羅拉、模擬器件和TI所生產(chǎn)的，意法半導(dǎo)體也正在擴(kuò)大在該領(lǐng)域的研究。

對于能負(fù)擔(dān)深亞微米CMOS工藝技術(shù)研究的大型芯片制造商來說，MEMS的吸引力在于能使舊的工藝技術(shù)和經(jīng)多年制造已攤銷完了的晶圓廠產(chǎn)生更多利潤。換言之，微電子領(lǐng)域快淘汰的工藝在硅片MEMS制造中可以成為領(lǐng)先技術(shù)。

Bourne對此表示贊同，她說：‘是的，很多常規(guī)IC工廠說他們能夠做。但這也并不容易，需要非常專業(yè)同時又很緊缺的技術(shù)，這些技術(shù)主要都在大學(xué)和新興公司里。’

她補(bǔ)充道，代工貿(mào)易模式的發(fā)展幫助了無晶圓廠元器件開發(fā)商，促進(jìn)了專用MEMS代工廠的發(fā)展，如Standard MEMS、Intellisense和Cronos等公司。此外‘50%的新興公司擁有自己的工廠設(shè)備，但還需要有了解工藝技術(shù)的人才?！纱艘餐怀隽藢?培訓(xùn)的需求。

意法半導(dǎo)體公司MEMS事業(yè)部經(jīng)理Benedetto Vigna介紹說：‘意法對MEMS的研究是戰(zhàn)略性的，主要原因是我們要通過開發(fā)硅的不同特性來應(yīng)對新的市場。因為MEMS可以用1微米工藝制造，這就是說我們能利用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)施?！?/p>

該公司一直是惠普公司熱式噴墨打印頭的供應(yīng)商，此外它開發(fā)了系列慣性傳感器，包括角度和線性加速計，并為安捷倫開發(fā)了熱式光開關(guān)。意法半導(dǎo)體在 表明硅片MEMS市場開發(fā)方向的同時，還與一家有雄厚財力支持的加州新興公司Onix Microsystems進(jìn)行合作。2001年7月兩家公司同意共同開發(fā)制造帶有MEMS和ASIC的芯片組，用于Onix公司的光開關(guān)引擎，意法的批量 產(chǎn)能將滿足Onix對芯片組的需求。

Vigna表示：‘射頻MEMS的優(yōu)先級沒那么高，所以我們沒有進(jìn)行商業(yè)開發(fā)，雖然我們感興趣的重要領(lǐng)域之一是用機(jī)械開關(guān)取代砷化鎵固態(tài)開關(guān)?！?/p>

按照Vigna的說法，業(yè)界演示的產(chǎn)品還存在可靠性問題?！绻窃?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/107/" target="_blank">手機(jī)中應(yīng)用，你需要很低的啟動電壓，希望是5V以下，雖然手機(jī)制造商可能允許12～15V，如果他們再需要40V用于有機(jī)發(fā)光顯示器，我們可能就不用那么低的電壓。’

有一些新興公司如MicroLab聲稱已為市場準(zhǔn)備好了RF開關(guān)，但這些器件是分立的還是與SoC集成在一起尚有待觀察。

等待標(biāo)準(zhǔn)

Vigna說：‘我還是沒有看到像CMOS那樣的通用MEMS工藝出現(xiàn)，所以現(xiàn)在還存在各種工藝，但將來會走向統(tǒng)一，包括在EDA、設(shè)計、測試 等各方面。標(biāo)準(zhǔn)一旦出現(xiàn)就能促使出現(xiàn)一些簡化工藝，我們?nèi)绻芄潭ǖ?～3個工藝平臺上，將可以縮短MEMS進(jìn)入市場的時間，因為通過經(jīng)驗積累它們將變得 更可靠。我相信最成功的方法是在封裝級集成CMOS和MEMS模塊，你可以銷售帶凸點的MEMS裸片以便進(jìn)行倒裝焊集成?！?/p>

他介紹說：‘我們正在推進(jìn)兩三個主流工藝，最主要的是Thelma（微加速計厚外延層），這是一個0.8微米工藝，帶有厚多晶硅層結(jié)構(gòu)和薄多晶硅互連?！?/p>

該技術(shù)允許通過幾個‘錨點’（anchor point）將硅片結(jié)構(gòu)焊接在基底上，但可以在與基底本身平行的平面上自由移動。為了與傳統(tǒng)塑封技術(shù)兼容，在傳感元件上部放置一個封帽以避免成型時對移動部件造成污染。

微驅(qū)動部件也使用類似的工藝，但沒有封帽，而是增加一個靈活的鈍化層。Onix在微鏡部件上則使用第三種工藝，這是因為Thelma的多晶硅沒有制造鏡面拋光的單晶硅好。

那么MEMS的設(shè)計自動化工具將如何發(fā)展？Vigna的回答是‘很慢’。 他認(rèn)為：‘當(dāng)設(shè)計成為一門科學(xué)時EDA工具很有用，但是現(xiàn)在MEMS更像模擬電路，首先你需要標(biāo)準(zhǔn)工藝，然后才能得到標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計工具?！M管現(xiàn)在的工藝技 術(shù)有很多種，但在這方面還是涌現(xiàn)了一些第三方EDA工具供應(yīng)商，如Ansys和Coventor等公司。

正如半導(dǎo)體設(shè)備制造商一樣，主要的EDA供應(yīng)商如Cadence等正開始把MEMS當(dāng)作一門截然不同的工程學(xué)科來對待。

Memscap本身是已一家MEMS設(shè)計自動化工具供應(yīng)商，它還把自己轉(zhuǎn)變成為一家新一代專用MEMS制造商。該公司主要從事RF和光學(xué)應(yīng)用， 開發(fā)了一些支持這些應(yīng)用的工藝。更引人注目的是它在法國格勒諾布爾本部附近建設(shè)了一個專門的MEMS晶圓廠，并通過許可協(xié)議資助***地區(qū)的華新麗華公司建 設(shè)晶圓廠。

Memscap總裁兼首席執(zhí)行官Jean-Michel Karam表示：‘我們和華新麗華的關(guān)系非常緊密。我們幫助他們建設(shè)晶圓廠，由我們做光學(xué)部分，他們做無線部分，這樣我們可以得到雙方的技術(shù)很快進(jìn)入市場，我們兩家都會有第二供應(yīng)商。’

Karam認(rèn)為建設(shè)晶圓廠是啟動MEMS市場所需投資的一部分。他說：‘很多公司都說他們有RF MEMS開關(guān)，但在諾基亞開始應(yīng)用RF MEMS之前，他要了解的是你是否有每年供應(yīng)一億只的能力，你需要為大批量做好準(zhǔn)備?！?Karam認(rèn)為業(yè)界會得到標(biāo)準(zhǔn)化。他解釋說：‘賺錢的最佳方法是盡量減少工藝數(shù)量，改動是在設(shè)計中而不是在工藝中，從技術(shù)上講這樣并不容易。’

他指出，其結(jié)果是在每個工業(yè)領(lǐng)域都有一些工藝變成‘標(biāo)準(zhǔn)的’用于不同的大批量應(yīng)用，一旦工藝標(biāo)準(zhǔn)化之后，經(jīng)濟(jì)壓力將驅(qū)動MEMS設(shè)計師不加修改地應(yīng)用這些工藝。

靈活與穩(wěn)定

人們也許會期望意法半導(dǎo)體的Vigna預(yù)測主要的半導(dǎo)體公司以后將在MEMS上獲取收益，畢竟意法有批量生產(chǎn)的經(jīng)驗，在全世界都有晶圓廠可以插入MEMS工藝，同時與多家主要客戶有密切的聯(lián)系。

他表示：‘大公司喜歡與大公司打交道，如果出了問題，這家大公司會控告另一家公司，所以一般不會出問題。當(dāng)然新興公司更加敏捷，更加靈活并完全專注在MEMS上。’他也給MEMS企業(yè)提出了另一種方法，即將大公司的批量生產(chǎn)能力與新興公司的靈活與專注結(jié)合起來。

他相信：‘第一個將MEMS部門分離出來的大公司一定會成功?！贿^他否認(rèn)意法半導(dǎo)體有讓MEMS部門獨(dú)立的計劃。

1999年從模擬器件公司分出來的Memsic就是一個很好的例子，盡管模擬器件公司還保留了自己的MEMS業(yè)務(wù)。事實上，Memsic還顯示出另一發(fā)展趨勢，即中國大陸和***地區(qū)的崛起。 大陸與***

Memsic由北京大學(xué)研究生畢業(yè)的趙陽創(chuàng)辦，他于1993～1999年間任職于模擬器件公司微加工產(chǎn)品部。

趙陽對熱加速計特別感興趣，于是說服模擬器件公司讓他帶走該技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，作為回報模擬器件公司可在新公司里持有一定股份。他對于在MEMS上應(yīng)用CMOS工藝技術(shù)深信不疑，現(xiàn)已做出高集成度加速計并嵌入到一個芯片的復(fù)雜邏輯里。

他介紹說：‘我們把精力全部集中在CMOS MEMS上，成功的唯一途徑是依賴現(xiàn)有技術(shù)，開始發(fā)明之前應(yīng)盡可能多地進(jìn)行仿制?！疢emsic利用臺積電作為代工廠生產(chǎn)0.6微米邏輯電路，然后將6英 寸晶圓拿回來放到無錫的分公司制作MEMS結(jié)構(gòu)。這樣做的確限制了Memsic，無法采用低溫后道CMOS加工以避免破壞晶圓上的電路，但這正是 Memsic開發(fā)的技術(shù)。

趙陽表示：‘這就是說我們可以把設(shè)計拿到任何一個代工廠，即使必須修改設(shè)計才能符合工藝我們也愿意去做。臺積電沒有MEMS工藝，所以這部分我們自己做?！?/p>

但臺積電是Memsic的投資方之一，它會長期都沒有MEMS部門嗎？

在上海有幾家8英寸晶圓代工廠正在建設(shè)，投資上百億美元，因此中國將成為芯片生產(chǎn)的中心之一。***地區(qū)的代工廠也許會開發(fā)更加專業(yè)化的工藝，包 括支持MEMS的工藝，以便在他們的舊工廠里運(yùn)行。 臺積電技術(shù)總監(jiān)胡正明在最近一次接受EE Times采訪時說道：‘我們有興趣涉入更多MEMS業(yè)務(wù)，前提是所需要的技術(shù)與我們基本半導(dǎo)體制造技術(shù)合拍。。..。..我把CMOS技術(shù)看成是一種上 面能放光器件、MEMS甚至碳納米管的平臺?！?/p>

Roger Grace認(rèn)為：‘中國大陸和***地區(qū)都在加緊發(fā)展MEMS，他們想在MEMS上做出微電子那樣的成就來，我們需要密切注視這一現(xiàn)象?！?/p>

未來充滿不確定性因素

工程師們將繼續(xù)研究數(shù)百個MEMS概念的工藝技術(shù)和封裝方案，標(biāo)準(zhǔn)化將使人們拋棄一些在硅片制造中喜歡使用的技術(shù)。 在美國，反應(yīng)敏捷富有創(chuàng)意的新興公司將把MEMS應(yīng)用推向前進(jìn)；在歐洲，幾個分離出來的公司也不甘人后；而中國大陸和***地區(qū)則將在MEMS上重復(fù)他們在 微電子制造領(lǐng)域所取得的成功。

但是不要指望MEMS會像微電子在20世紀(jì)60和70年代那樣突然興旺起來，MEMS領(lǐng)域仍然變化多端且困難重重。MEMS是微電子加微機(jī)械， 在所有工業(yè)領(lǐng)域具有上百種應(yīng)用。從這點來看可以期望MEMS市場的長期發(fā)展會比‘純粹的’微電子要好，隨著代工服務(wù)的發(fā)展，工程師將越來越多地使他們的設(shè) 計適應(yīng)工藝技術(shù)。 也許MEMS現(xiàn)在能起飛最重要的原因是微機(jī)械分析的復(fù)雜性隨著千兆赫茲處理器的出現(xiàn)在工程師桌面就能解決，留下的一個問題將是MEMS技術(shù)有無足夠的時間 在其享受勝利果實之前把‘納米技術(shù)’遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。