MEMS技術(shù)的發(fā)展歷史

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(shí)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(dòng)膜在壓力下變形，會(huì )影響其表面的壓敏電阻走線(xiàn)，這種變化可以把壓力轉換成電信號。后來(lái)的電路則包括電容感應移動(dòng)質(zhì)量加速計，用于觸發(fā)汽車(chē)安全氣囊和定位陀螺儀。

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

第三輪商業(yè)化可以說(shuō)出現于世紀之交，微光學(xué)器件通過(guò)全光開(kāi)關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場(chǎng)現在蕭條，但微光學(xué)器件從長(cháng)期看來(lái)將是MEMS一個(gè)增長(cháng)強勁的領(lǐng)域。

推動(dòng)第四輪商業(yè)化的其它應用包括一些面向射頻無(wú)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(shí)驗室'生化藥品開(kāi)發(fā)系統和微型藥品輸送系統的靜態(tài)和移動(dòng)器件。

工藝的發(fā)展

近來(lái)對MEMS關(guān)注的提高部分來(lái)自于表面微加工技術(shù)，它把犧牲層(結構制作時(shí)使其它層分開(kāi)的材料)在最后一步溶解，生成懸浮式薄移動(dòng)諧振結構。

歐洲一所MEMS研究機構、法國格勒諾布爾TIMA實(shí)驗室的Bernard Courtois指出：'有兩種方法制造微系統，即專(zhuān)門(mén)為微系統開(kāi)發(fā)的工藝或者使用為微電子開(kāi)發(fā)的工藝。后一種工藝中有些可用于微系統，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。'

很多MEMS應用要求與傳統的電子制造不同，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(shí)，許多場(chǎng)合尤其是在生物和醫療領(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療器械。

但對眾多公司和研究機構來(lái)說(shuō)，微電子中現有的CMOS、SiGe和GaAs等工藝是開(kāi)發(fā)MEMS的出發(fā)點(diǎn)。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(gè)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(gè)主要途徑是通過(guò)表面微加工方法，在微電子裸片頂部的保留區域進(jìn)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(lái)講，在低溫下進(jìn)行MEMS制造是一個(gè)關(guān)鍵。

針對這一點(diǎn)，比利時(shí)Interuniversity微電子中心(IMEC)開(kāi)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(guò)溫度低沉積速度也要慢，因此又開(kāi)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(shí)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字CMOS作為出發(fā)點(diǎn)。

今年早些時(shí)候，IBM宣布它利用BiCMOS工藝技術(shù)的標準生產(chǎn)材料在低于400℃溫度下開(kāi)發(fā)了RF MEMS元件，它開(kāi)發(fā)的MEMS諧振器和濾波器可以在無(wú)線(xiàn)設備中替代分立無(wú)源元件。

MEMS與微系統顧問(wèn)Roger Grace表示：'多年來(lái)人們一直在討論CMOS和MEMS集成的問(wèn)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(gè)芯片完成，其中一個(gè)是MEMS，另一個(gè)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(gè)封裝里，同樣，智能功率電子經(jīng)常采用多芯片解決方案實(shí)現，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(kāi)發(fā)很快，引腳數和連接方法的變化在本質(zhì)上也是標準的。而MEMS則不同，其環(huán)境參數各種各樣，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?chē)腿霘怏w或液體。

人們認識到不可能給各種MEMS應用開(kāi)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(lái)，然后再考慮測試和封裝。'元件成本95%以上是花費在測試、封裝和最后裝配中，對這部分進(jìn)行優(yōu)化應該比制作最精巧的MEMS結構更重要。同時(shí)，行業(yè)組織SEMI正開(kāi)始著(zhù)手封裝和制造工藝的標準化工作。

因此Sandia國家實(shí)驗室開(kāi)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)設計工具的使用許可發(fā)放給諸如Coventor和Ardesta LLC之類(lèi)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(huì )上Sandia工作人員把它稱(chēng)為'幻想家的困境'或'如何將最初的演示轉變?yōu)楣I(yè)標準'。

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

但Grace也有些疑問(wèn)：'Summit V是個(gè)很貴的工藝，是否有足夠的應用來(lái)支持Summit V?因為工程師仍然希望把制造工藝技術(shù)與應用對應起來(lái)。' 按照Grace的說(shuō)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(chǎng)的TI移動(dòng)鏡視頻投影芯片，每年產(chǎn)量也不到100萬(wàn)只。他說(shuō)：'我們會(huì )看到不斷出現定制工藝和定制解決方案，我不認為他們(工程師)會(huì )妥協(xié)。'

那么現在說(shuō)MEMS是一個(gè)繁榮市場(chǎng)是否還為時(shí)過(guò)早嗎? 據In-Stat MDR高級分析員Marlene Bourne預測，世界MEMS市場(chǎng)將從2001年的39億美元增長(cháng)到2006年的95億美元，平均增長(cháng)率為19.5%。相比之下，世界半導體芯片市場(chǎng)自1996年以來(lái)一直徘徊在1,500億美元，盡管預計到2003年會(huì )有20%的增長(cháng)。

歐洲工業(yè)組織Nexus預測，微系統市場(chǎng)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數字之間的差異主要是因為Nexus使用的'微系統'定義更廣泛，它還包括整機系統，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(shuō)：'我是根據尺寸來(lái)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(zhuān)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機械加工或LIGA。我估算的是向OEM付運的元件數，而沒(méi)有估算芯片級或最終用戶(hù)產(chǎn)品的價(jià)值。'