MEMS的“CMOS化”成長

“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(fēng)靡世界的Wii游戲機(jī)再合適不過。Wii最大的特點(diǎn)是無線和動作感應(yīng)，其以人體工學(xué)設(shè)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(dāng)一把劍，又或者是你手中的畫筆和方向盤。這一切是如何實(shí)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(chǔ)的三軸加速度感測器從而實(shí)現(xiàn)了游戲玩家的“身臨其境”，并一舉占領(lǐng)了市場。

MEMS到底能為我們做些什么？從iPhone手機(jī)里的游戲、計步器、測量氣壓及天氣預(yù)報等功能，到Nike運(yùn)動鞋中的壓力傳感器，再到現(xiàn)在風(fēng)靡市場的Wii游戲機(jī)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(fèi)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(jī)，由此開創(chuàng)了采用微電子技術(shù)制造微機(jī)械的嶄新領(lǐng)域。微電子與微機(jī)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(jī)械、光學(xué)、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(shí)現(xiàn)與宏觀世界一樣的功能。與半導(dǎo)體芯片相比，MEMS將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越電子學(xué)的范疇，使芯片承載更多的功能。

MEMS厲兵秣馬

MEMS即微電子機(jī)械系統(tǒng)，是指對微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)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(jī)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(yù)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(fèi)品的拉動下，2008年MEMS的銷售額有望達(dá)到14%的增長，2010-2012年將達(dá)到18-19%。MEMS的主要市場推動者是麥克風(fēng)、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(fēng)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(fēng)、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(shè)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(fèi)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(lǐng)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(fèi)者，設(shè)備和材料廠商也將獲得較好的發(fā)展空間。圖1是MEMS設(shè)備和材料的發(fā)展預(yù)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(shè)備方面最為搶眼的當(dāng)屬刻蝕設(shè)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(xué)品、掩膜版和硅襯底“三分天下”。

從晶圓廠、設(shè)備廠、材料供應(yīng)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(wù)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(chǔ)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。現(xiàn)如今，MEMS借鑒CMOS的經(jīng)驗(yàn)、向CMOS標(biāo)準(zhǔn)化制造靠攏是總的發(fā)展趨勢，許多的MEMS產(chǎn)品都是半導(dǎo)體技術(shù)的延伸和擴(kuò)展。盡管已有相當(dāng)部分的MEMS工藝可采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造工藝，但是其還具有自身的一些特殊工藝，如深反應(yīng)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(fèi)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?yàn)镸EMS器件對深寬比結(jié)構(gòu)的要求比一般的半導(dǎo)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(yīng)機(jī)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(diǎn)是刻蝕與鈍化交替進(jìn)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(hù)而不被刻蝕掉，從而得到垂直性很好的高深寬比結(jié)構(gòu)。