淺談MEMS技術工藝的發(fā)展及未來

MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀70年代末80年代初，當時用大型蝕刻硅片結構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換成電信號。后來的電路則包括電容感應移動質量加速計，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90年代，主要圍繞著PC和信息技術的興起。TI公司根據(jù)靜電驅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)于世紀之交，微光學器件通過全光開關及相關器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場現(xiàn)在蕭條，但微光學器件從長期看來將是MEMS一個增長強勁的領域。

推動第四輪商業(yè)化的其它應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關注的提高部分來自于表面微加工技術，它把犧牲層（結構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構。

歐洲一所MEMS研究機構、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)。’

很多MEMS應用要求與傳統(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構來說，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)域進行MEMS結構后處理。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，在低溫下進行MEMS制造是一個關鍵。

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，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準工藝，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工藝技術的標準生產(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。’

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的好處。此外贊成與反對將機械結構和大量電子裝置集成在一起的理由也都非常復雜。

這主要是因為微電子的標準封裝開發(fā)很快，引腳數(shù)和連接方法的變化在本質上也是標準的。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。

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

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，并把該技術及相關設計工具的使用許可發(fā)放給諸如Coventor和Ardesta LLC之類的企業(yè)（后者是一家風險投資公司）。Sandia還把其4層Summit IV工藝技術使用許可發(fā)放給了飛兆（Fairchild）半導體公司。

這是Sandia承擔的基礎研究商業(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變?yōu)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/" target="_blank">工業(yè)標準’。

Roger Grace認為：‘Sandia的政策是把技術許可發(fā)放給業(yè)界以得到大批量應用，這樣他們就能證明他們自己過去小批量應用時的可靠性?！谥圃忑X輪、鏈條和微機械時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，是否有足夠的應用來支持Summit V？因為工程師仍然希望把制造工藝技術與應用對應起來?！?按照Grace的說法，迄今只有幾種MEMS達到大批量生產(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，我不認為他們（工程師）會妥協(xié)。’

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，世界半導體芯片市場自 1996年以來一直徘徊在1，500億美元，盡管預計到2003年會有20%的增長。

歐洲工業(yè)組織Nexus預測，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上，它可能起源于表面微細機械加工或LIGA。我估算的是向OEM付運的元件數(shù)，而沒有估算芯片級或最終用戶產(chǎn)品的價值?！?br />