“游戲曾經(jīng)是你生活中的一部分，現(xiàn)在你將成為游戲中的一部分”，用這句話來形容風靡世界的Wii游戲機再合適不過。Wii最大的特點是無線和動作感應，其以人體工學設計的遙控器還原了我們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N傳統(tǒng)動作。它可以在游戲中充當一把劍，又或者是你手中的畫筆和方向盤。這一切是如何實現(xiàn)的呢？嵌入其中的MEMS傳感器件功不可沒。Wii正是采用了以MEMS為基礎的三軸加速度感測器從而實現(xiàn)了游戲玩家的“身臨其境”，并一舉占領了市場。

MEMS到底能為我們做些什么？從iPhone手機里的游戲、計步器、測量氣壓及天氣預報等功能，到Nike運動鞋中的壓力傳感器，再到現(xiàn)在風靡市場的Wii游戲機的手持柄，幾乎所有流行前沿的新鮮物品都出現(xiàn)了MEMS的身影，更不用說傳統(tǒng)的汽車電子和其它消費電子產(chǎn)品。

1987年，美國利用集成電路制造工藝首次制作出直徑為100μm的硅靜電微電機，由此開創(chuàng)了采用微電子技術(shù)制造微機械的嶄新領域。微電子與微機械技術(shù)相結(jié)合，形成了今天的MEMS系統(tǒng)。MEMS技術(shù)本質(zhì)上是將機械、光學、電氣和電子的子元件融合成一個集成系統(tǒng)，在單個芯片上實現(xiàn)與宏觀世界一樣的功能。與半導體芯片相比，MEMS將遠遠超越電子學的范疇，使芯片承載更多的功能。

MEMS厲兵秣馬

MEMS即微電子機械系統(tǒng)，是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機械構(gòu)件、光學系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)。

MEMS雖然由來已久，但是其全面商品化也就是最近幾年的事情。不過MEMS驚人的發(fā)展速度、廣闊的市場前景和較高的利潤還是吸引了越來越多的目光。據(jù)Yole Development預測，在未來5年內(nèi)，MEMS將保持平均17%的增長率。在Wii和iPhone等高端電子消費品的拉動下，2008年MEMS的銷售額有望達到14%的增長，2010-2012年將達到18-19%。MEMS的主要市場推動者是麥克風、微型顯示器、RF MEMS器件、壓力傳感器以及加速度計等，僅麥克風和RF MEMS器件在2011年就將占到總制造量的45%。

目前，我國在壓力傳感器、加速度計、麥克風、慣性傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等產(chǎn)品方面，從理論研究、產(chǎn)品設計到批量生產(chǎn)技術(shù)方面都已日趨成熟，汽車電子的國產(chǎn)化率也在不斷增高。在高端消費品MEMS仍無法與國外競爭對手抗衡的情況下，保持傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)品，并積極開拓諸如汽車電子等領域?qū)⑹菄a(chǎn)MEMS產(chǎn)品切入市場的最佳策略。

MEMS高速發(fā)展的受益者不僅有廣大消費者，設備和材料廠商也將獲得較好的發(fā)展空間。圖1是MEMS設備和材料的發(fā)展預測，節(jié)節(jié)攀升的數(shù)字讓人們對未來的發(fā)展持樂觀態(tài)度。設備方面最為搶眼的當屬刻蝕設備，不僅所占份額最大，近12%的增長率也極其可觀。材料方面則是氣體與化學品、掩膜版和硅襯底“三分天下”。

從晶圓廠、設備廠、材料供應商到封裝廠和軟件開發(fā)工具，有大量的資源支持MEMS開發(fā)的快速上市和降低成本的需求。同時，巨大的市場需求也無形而有力的推動著MEMS制造的發(fā)展。繼 “代工雙雄” 臺積電和聯(lián)電加速升級8寸廠的MEMS制造后，中芯國際于不久前也宣布將在2009年第一季度開始采用200mm生產(chǎn)線投入MEMS的量產(chǎn)，這也許是國內(nèi)MEMS制造向8寸代工廠轉(zhuǎn)移的信號。

CMOS代工企業(yè)要從事千差萬別的MEMS代工服務并不容易，器件多樣性帶來的除了讓人眼花繚亂的產(chǎn)品外，更多的是制造的困難和特殊性。

多樣性帶來特殊性

使用廣泛的硅基MEMS工藝技術(shù)是在硅集成電路生產(chǎn)工藝，如CMOS基礎上發(fā)展而來的，它們之間有很多相似之處。但是與CMOS器件不同，MEMS器件的多樣性為工藝制造帶來了極大的困難?，F(xiàn)如今，MEMS借鑒CMOS的經(jīng)驗、向CMOS標準化制造靠攏是總的發(fā)展趨勢，許多的MEMS產(chǎn)品都是半導體技術(shù)的延伸和擴展。盡管已有相當部分的MEMS工藝可采用標準CMOS制造工藝，但是其還具有自身的一些特殊工藝，如深反應離子刻蝕（DRIE）、雙面光刻等，這些工藝的發(fā)展直接影響到MEMS的未來。

消費市場的需求是MEMS發(fā)展的巨大驅(qū)動力，它要求MEMS制造商不斷減小芯片的尺寸以提高產(chǎn)能、降低成本。這就對刻蝕提出了新的要求，因為MEMS器件對深寬比結(jié)構(gòu)的要求比一般的半導體器件更高。CMOS制造中的干法刻蝕對MEMS要求的垂直側(cè)壁的高深寬比結(jié)構(gòu)無能為力，由此誕生了DRIE技術(shù)。

根據(jù)反應機理不同，DRIE可分為低溫工藝和高溫工藝兩種。以SF6/O2為刻蝕氣體的低溫DRIE雖然可以使結(jié)構(gòu)側(cè)壁較為光滑，但由于采用低溫，光刻膠容易破裂。目前的主流工藝為分別以SF6和C4F8作為刻蝕和鈍化氣體的高溫DRIE，即Bosch技術(shù)（圖2）。該技術(shù)的重點是刻蝕與鈍化交替進行。鈍化層同時在槽的側(cè)壁和底部生長，由于等離子的方向性刻蝕，底部的鈍化層更容易被刻蝕掉，槽的側(cè)壁在刻蝕時由于有鈍化層的保護而不被刻蝕掉，從而得到垂直性很好的高深寬比結(jié)構(gòu)。

在6寸晶圓上，目前DRIE的刻蝕速率大約為30-50μm/min。根據(jù)Yole Development的預測，未來的發(fā)展趨勢是多腔刻蝕，并在未來2-3年內(nèi)達到大約100μm/min的刻蝕速率，同時減少昂貴的C4F8用量。Tegal的市場副總裁Paul Werbaneth認為，新興的MEMS領域，如3D MEMS（即MEMS與MEMS或MEMS與CMOS邏輯芯片疊加在一起），在很大程度上依賴于DRIE來實現(xiàn)其最終的制造。市場的需求推動著DRIE技術(shù)向前發(fā)展，與CMOS的發(fā)展軌跡類似，向更大尺寸的晶圓發(fā)展會是趨勢之一。Tegal未來的發(fā)展計劃中就包括與客戶一起進行300mm DRIE機臺的開發(fā)。

MEMS的特點是三維加工，除需要進行同平面的光刻外，還需要對硅片正反面進行圖形對準。雙面光刻也由此而來。早期的雙面光刻技術(shù)利用紅外線可以穿透硅片卻能被空氣和金屬吸收的特點進行雙面對準。但紅外線波長較長，對細線條的對準存在困難。此外，復雜的金屬布線和不平整的表面對紅外線的吸收將產(chǎn)生干擾。如今的雙面光刻技術(shù)是基于光學對準的，對準精度有很大提高。

MEMS制造中，對于光刻的主要要求有：大聚焦深度和厚光刻膠的曝光；相對結(jié)構(gòu)尺寸而言，極其嚴格的CD控制；用于襯底雙面處理的雙面校準工藝；在高深寬比結(jié)構(gòu)情況下的大聚焦-校準偏移；對大面積器件進行曝光時具有良好的接縫和對接控制；材料處理（小晶圓，甚至是材料片）的靈活性。目前大多數(shù)MEMS產(chǎn)品使用的是傳統(tǒng)的接觸式光刻機，產(chǎn)品線寬為2-5μm。根據(jù)Yole Development的報告，現(xiàn)有的步進式光刻設備可以使MEMS的線寬達到0.6μm，套準精度約為20nm。因為MEMS器件的形貌相比CMOS而言要求更高，所以未來MEMS光刻設備主要需要解決的問題就是更小的尺寸，特別是DOF問題。隨著線寬和套準精度要求的提高，光刻機從接觸式曝光向DUV轉(zhuǎn)變將是MEMS光刻工藝發(fā)展的方向。

MEMS與CMOS的集成

MEMS器件研究的發(fā)展和應用領域的拓寬推動著集成制造工藝的進步。器件研究與集成工藝的關系一般分為兩類：一類是根據(jù)不同器件開發(fā)相應的工藝方案，另一類是在器件設計時盡量選擇已經(jīng)成型的標準工藝方案。從MEMS的量產(chǎn)和走入市場的角度來說，顯然第二種選擇更為明智。雖然向成熟工藝靠攏會使器件的設計受到一定的限制，但因為無需開發(fā)新工藝，設計好的器件可以在CMOS等成熟的生產(chǎn)線上生產(chǎn)。

對于標準集成方案，能否與CMOS集成電路兼容是在不同工藝方案間取舍的重要參考指標。一般來說，與CMOS集成電路兼容的工藝方案可以實現(xiàn)MEMS器件與信號控制電路的單片集成，可以在提高器件性能的同時降低總的加工成本。根據(jù)MEMS工藝與CMOS工藝的順序不同，集成方案可分為Pre-CMOS、Intra-CMOS和Post-CMOS，即MEMS工藝在CMOS之前、中間或之后完成。從成本的角度考慮，CMOS之后完成MEMS是首選方案。因為在代工廠完成標準的CMOS電路，所制備的電路性能有所保證，而且成本也較低。
 
目前比較主流的Post-CMOS集成方法是表面犧牲層工藝，它可以制備較薄的MEMS結(jié)構(gòu)，通常厚度為0.2-150微米。圖3是表面犧牲刻蝕法制備薄型MEMS的示意圖。該方法是指通過在襯底表面淀積不同的薄膜并結(jié)合選擇性刻蝕得到懸浮微結(jié)構(gòu)的過程。以氧化硅為犧牲層的多晶硅表面犧牲層工藝是此類工藝的代表。

SiO2或多晶硅表面犧牲層淀積以后，通過光刻和刻蝕步驟定義出所需結(jié)構(gòu)，最后去除殘余的犧牲層。SUSS MicroTec中國區(qū)總經(jīng)理龔里博士介紹說，MEMS制造中的兩個關鍵問題就是應力和溫度。表面犧牲層工藝的結(jié)構(gòu)層和犧牲層多采用CVD和PVD方法制備，所制備的薄膜通常會有較大的殘余應力。因此，優(yōu)化工藝參數(shù)以減小殘余應力是保證其性能的關鍵。此外，由于金屬鋁不能承受多晶硅的淀積溫度，所以標準的多晶硅表面工藝無法實現(xiàn)Post-CMOS集成。所以，與電路集成時一般要先完成低溫多晶硅結(jié)構(gòu)的制備。也可以利用金屬鎢代替鋁做金屬連線，或者用多晶的鍺硅做結(jié)構(gòu)材料。

“CMOS與MEMS器件相結(jié)合是未來發(fā)展的大趨勢，”Paul Werbaneth說，“它可以融合MEMS與CMOS器件的功能，實現(xiàn)芯片的多功能性，未來的市場發(fā)展也相當樂觀。”

MEMS如何與傳統(tǒng)代工廠相融合？

圖4從各個方面分析了MEMS的現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢。顯而易見，就是設計的可制造性、生產(chǎn)的標準化、CMOS-MEMS的片上系統(tǒng)（SoC）集成、8寸生產(chǎn)線、占領市場時間的縮短以及成本的降低。

CMOS工藝已經(jīng)在芯片制造中廣泛采用，如果能用它來實現(xiàn)MEMS的量產(chǎn)，既不用更換設備，材料也是標準的，MEMS的制造就可以獲得低成本和高產(chǎn)出率的優(yōu)勢。使用標準技術(shù)生產(chǎn)出來的MEMS器件將很容易集成到其它系統(tǒng)中。同時，大批量的生產(chǎn)保證了所有設備和工藝都能夠按照規(guī)定進行測試，晶圓在整個制造過程中可以受到連續(xù)監(jiān)控，從而減少差異，提高良品率。

但是實際情況卻有些無奈。有些公司一直試圖建立MEMS代工業(yè)務，專門為其它公司生產(chǎn)MEMS器件，但是成功者寥寥。這是因為MEMS本質(zhì)上是一種專用器件，種類繁多，用途廣泛，從傳感器到汽車電子的各種產(chǎn)品中都能見到它的身影。而代工廠生產(chǎn)的是大批量的標準器件，這使MEMS似乎與生俱來與代工無緣。在集成電路業(yè)，有標準的設計技術(shù)、標準的工藝技術(shù)和標準的封裝技術(shù)。而MEMS卻與集成電路大不相同。MEMS采用特定方法設計，以適應其專有的制造工藝。與大部分芯片相比，MEMS器件要用到更多的材料和分層，并且常常需要專門的工藝，而這些工藝不容易集成到半導體制造中。由于這些原因，許多元器件廠商將其MEMS產(chǎn)品交由小批量代工廠和大學的樣機試驗室進行加工。由于批量小又缺乏工藝控制，會導致產(chǎn)品在工作特性、關鍵尺寸、材料性質(zhì)和良率等方面不盡如人意。

MEMS與IC芯片整合、封裝在一起是集成電路技術(shù)發(fā)展的新趨勢，也是傳統(tǒng)芯片廠商的新機遇。市場需求巨大，MEMS企業(yè)和晶圓代工廠都在提高生產(chǎn)制造水平，擴大自己的產(chǎn)能，而MEMS的制造也將從現(xiàn)在的4寸和6寸線向8寸線轉(zhuǎn)移。將生產(chǎn)線由6寸廠轉(zhuǎn)向8寸廠后，單位成本可以大幅降低33％以上，所以意法、飛思卡爾等MEMS大廠，已開始將6寸廠改建為8寸廠。

但是，MEMS的量產(chǎn)還處于起步階段，采用8寸和12寸生產(chǎn)線的成本還很高。4寸線上的每一個晶圓可生產(chǎn)合格的MEMS壓力傳感器Die 5-6K個，每個Die出售后可獲成本7-10倍的毛利。傳統(tǒng)半導體廠商的部分4寸、6寸生產(chǎn)線正面臨淘汰，如果能將其中一部分轉(zhuǎn)而生產(chǎn)MEMS則利潤十分可觀。目前的4寸線的大多數(shù)工藝可為MEMS生產(chǎn)所用，只是缺少一些特殊工藝和設備。“現(xiàn)在，MEMS器件的市場增長甚至超越了300mm CMOS IC，” Paul Werbaneth說，“盡管很多MEMS制造商仍在使用8寸或者更小的晶圓，但發(fā)展前景還是相當樂觀。設備制造商應該積極與MEMS廠商合作，給予他們更多的技術(shù)支持，幫助他們發(fā)展。”

龔里博士認為，中國發(fā)展MEMS制造的優(yōu)勢在于成本低廉，但是劣勢也相當明顯，即技術(shù)落后。也許借鑒CMOS代工成長的經(jīng)驗、積極引進先進技術(shù)會是一條可行之路。MEMS商用化最大的障礙是可制造性和可測試性方面的設計能力不足。因此，MEMS與CMOS結(jié)合的發(fā)展趨勢對設計人員也提出了更高的要求。“設計是MEMS在中國發(fā)展的瓶頸之一，”龔里博士坦言，“必須更加關注CMOS工藝技術(shù)的要求和限制，將可制造性設計作為MEMS發(fā)展的一個重要考量對象。”

MEMS的產(chǎn)業(yè)化道路很長，要想獲得發(fā)展機會，也許還要等待很長的時間。但是除了耐心等待之外，我們需要時刻準備著。