MEMS的“CMOS化”成長(cháng)

“游戲曾經(jīng)是你生活中的一部分，現在你將成為游戲中的一部分”，用這句話(huà)來(lái)形容風(fēng)靡世界的Wii游戲機再合適不過(guò)。Wii最大的特點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)和動(dòng)作感應，其以人體工學(xué)設計的遙控器還原了我們日常生活中的各種傳統動(dòng)作。它可以在游戲中充當一把劍，又或者是你手中的畫(huà)筆和方向盤(pán)。這一切是如何實(shí)現的呢？嵌入其中的MEMS傳感器件功不可沒(méi)。Wii正是采用了以MEMS為基礎的三軸加速度感測器從而實(shí)現了游戲玩家的“身臨其境”，并一舉占領(lǐng)了市場(chǎng)。

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(dòng)鞋中的壓力傳感器，再到現在風(fēng)靡市場(chǎng)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了MEMS的身影，更不用說(shuō)傳統的汽車(chē)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(kāi)創(chuàng )了采用微電子技術(shù)制造微機械的嶄新領(lǐng)域。微電子與微機械技術(shù)相結合，形成了今天的MEMS系統。MEMS技術(shù)本質(zhì)上是將機械、光學(xué)、電氣和電子的子元件融合成一個(gè)集成系統，在單個(gè)芯片上實(shí)現與宏觀(guān)世界一樣的功能。與半導體芯片相比，MEMS將遠遠超越電子學(xué)的范疇，使芯片承載更多的功能。

MEMS厲兵秣馬

MEMS即微電子機械系統，是指對微米/納米材料進(jìn)行設計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機械構件、光學(xué)系統、驅動(dòng)部件、電控系統集成為一個(gè)整體單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠采集、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外部的指令采取行動(dòng)。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)相結合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動(dòng)器和微系統。

MEMS雖然由來(lái)已久，但是其全面商品化也就是最近幾年的事情。不過(guò)MEMS驚人的發(fā)展速度、廣闊的市場(chǎng)前景和較高的利潤還是吸引了越來(lái)越多的目光。據Yole Development預測，在未來(lái)5年內，MEMS將保持平均17%的增長(cháng)率。在Wii和iPhone等高端電子消費品的拉動(dòng)下，2008年MEMS的銷(xiāo)售額有望達到14%的增長(cháng)，2010-2012年將達到18-19%。MEMS的主要市場(chǎng)推動(dòng)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)品設計到批量生產(chǎn)技術(shù)方面都已日趨成熟，汽車(chē)電子的國產(chǎn)化率也在不斷增高。在高端消費品MEMS仍無(wú)法與國外競爭對手抗衡的情況下，保持傳統優(yōu)勢產(chǎn)品，并積極開(kāi)拓諸如汽車(chē)電子等領(lǐng)域將是國產(chǎn)MEMS產(chǎn)品切入市場(chǎng)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(chǎng)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，節節攀升的數字讓人們對未來(lái)的發(fā)展持樂(lè )觀(guān)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(cháng)率也極其可觀(guān)。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(chǎng)、設備廠(chǎng)、材料供應商到封裝廠(chǎng)和軟件開(kāi)發(fā)工具，有大量的資源支持MEMS開(kāi)發(fā)的快速上市和降低成本的需求。同時(shí)，巨大的市場(chǎng)需求也無(wú)形而有力的推動(dòng)著(zhù)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(chǎng)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(kāi)始采用200mm生產(chǎn)線(xiàn)投入MEMS的量產(chǎn)，這也許是國內MEMS制造向8寸代工廠(chǎng)轉移的信號。

CMOS代工企業(yè)要從事千差萬(wàn)別的MEMS代工服務(wù)并不容易，器件多樣性帶來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)了極大的困難?，F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(lái)。

消費市場(chǎng)的需求是MEMS發(fā)展的巨大驅動(dòng)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器件對深寬比結構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要求的垂直側壁的高深寬比結構無(wú)能為力，由此誕生了DRIE技術(shù)。

根據反應機理不同，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雖然可以使結構側壁較為光滑，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(shí)在槽的側壁和底部生長(cháng)，由于等離子的方向性刻蝕，底部的鈍化層更容易被刻蝕掉，槽的側壁在刻蝕時(shí)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構。