超越摩爾定律的新技術(shù)MEMS

半導體技術(shù)在摩爾定律上似乎走入了瓶頸期，而超越摩爾定律的新興技術(shù)卻受到了眾多公司的青睞，其中MEMS以無(wú)處不在的應用潛力攫取了業(yè)界大大小小公司的眼球。

　　MEMS設計，EDA先行

　　相對于CMOS工藝，MEMS的復雜性在于其涉及機械、聲學(xué)、光電、化學(xué)、生物等多學(xué)科，而兩者都離不開(kāi)EDA軟件工具的輔助設計來(lái)完成這些復雜工作，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低成本。MEMS設計工具供應商Coventor中國區MEMS產(chǎn)品經(jīng)理覃裕平在介紹其“MEMS+IC”的通用開(kāi)發(fā)平臺時(shí)指出，傳統面向CMOS ASIC的MEMS芯片總是單獨進(jìn)行設計，此外MEMS結構的設計采用三維CAD系統，當把MEMS設計轉移到半導體電路模擬器和驗證工具時(shí)，對工藝參數進(jìn)行繁瑣的手工翻譯會(huì )帶來(lái)諸多不便。MEMS與IC設計流程的割離導致了冗長(cháng)的開(kāi)發(fā)周期和高額成本。Coventor通過(guò)與Cadence合作，于今年10月推出了MEMS+設計平臺，集成Cadence Virtuoso IC設計環(huán)境，更好地實(shí)現了“MEMS結合IC”設計流程的整合與標準化。MEMS+參數化設計版式提供了新的標準，使得MEMS生態(tài)系統內的各個(gè)合作伙伴間的通訊更加便利。MEMS+涵蓋了目前MEMS設計所有動(dòng)作定義，并不斷更新定義庫如微流體等。

　　Cadence VCAD APAC模擬/混合信號設計經(jīng)理張劍云指出，混合信號和MEMS的集成有著(zhù)復雜的流程，需要保證MEMS設計與IC設計的無(wú)縫結合。傳統上，MEMS設計流程采用從建模到有限元模擬的自頂向下方法，Cadence SIMPLI提供了MEMS和IC設計者間的橋梁，可以幫助降低集成風(fēng)險和成本、加速混合信號/MEMS設計上市時(shí)間，如在發(fā)布MEMS IP同時(shí)保護設計詳情安全性、在CMOS設計集成時(shí)不改變IC流程，以及管理EDA流程中MEMS引起的寄生效應，復用并遷移MEMS設計IP等。他表示，EDA工具觸角很廣，利用在A(yíng)SIC的EDA經(jīng)驗，可幫助用戶(hù)將MEMS與ASIC很好地結合，而未來(lái)MEMS商機無(wú)限。

　　MEMS制造的兩面性

　　MEMS加工方法采用傳統的半導體制造工藝，如光刻、刻蝕、鍵合互連等，但由于MEMS器件結構的特殊性，其加工需要特殊的裝置。來(lái)自MEMS領(lǐng)域設備供應商SUSS MicroTec的中國總經(jīng)理龔里表示，對于MEMS的深溝槽工藝，涂膠往往不能保證很好的臺階覆蓋均勻性，需要采用噴膠方法;MEMS還要采用雙面光刻機和大景深光刻，雙面曝光的對準是MEMS光刻的關(guān)鍵，分立和大功率器件等分辨率要求較低的一般選用掩膜版與掩膜版調節/對準的機械方法，而目前更多則是采用雙聚焦顯微鏡方法對準。上海微電子裝備有限公司副總工程師周暢表示，隨著(zhù)MEMS/TSV對光刻工藝要求的不斷提高，步進(jìn)投影光刻機的優(yōu)勢逐漸顯現，公司也首次推出投影式光刻機SS B500系列，可處理200mm和300mm晶圓，希望藉平臺化的配置兼容MEMS和CMOS產(chǎn)品。龔里還指出，MEMS與CMOS集成鍵合時(shí)，溫度不能超過(guò)450oC，否則容易產(chǎn)生應力、破壞微結構和引起失效，但采用等離子體預處理后，無(wú)需高溫退火，也可牢固地鍵合兩片晶圓。

　　盡管借鑒了IC工藝，但由于MEMS器件的封裝工藝占據其大部分成本，因此器件需要在封裝之前進(jìn)行測試，在早期對產(chǎn)品進(jìn)行功能測試、可靠性分析及失效分析可以降低產(chǎn)品成本和加速上市時(shí)間。而MEMS器件的多樣性也使得測試成為一項極具挑戰的工作。龔里說(shuō)，MEMS除了電激勵外，還需測量聲、光、振動(dòng)、流體、壓力、溫度或化學(xué)等激勵的輸入輸出。MEMS的晶圓級測試需在真空或特殊氣體等可控的環(huán)境下進(jìn)行，通用的封閉平臺可以測試RF MEMS、諧振器等器件，以及像加速度計和陀螺儀之類(lèi)的慣性傳感器。

　　成品率是Fab的生命，對于MEMS也同樣重要，因此作為MEMS成品率提升的關(guān)鍵技術(shù)MVD(分子氣相沉積)倍受關(guān)注。來(lái)自宇燦股份有限公司的趙先忠在介紹Applied MicroStructures的MVD技術(shù)時(shí)表示，如MEMS傳感器的具有高深寬比的梳狀(Comb)結構和MEMS微麥克風(fēng)的薄膜等，容易出現結構間沾粘的問(wèn)題。使用MVD沉積抗粘薄膜涂層后，沾粘問(wèn)題將可迎刃而解，對于MEMS制造而言，成品率可提升約14%。MVD具有低成本、環(huán)境友好、高質(zhì)量薄膜沉積特點(diǎn)，目前全球各大MEMS大廠(chǎng)均已采用MVD設備。

　　Fabless與Fab模式

　　面對爆炸式成長(cháng)的MEMS市場(chǎng)，無(wú)論是Fabless或Fab都自然不會(huì )放過(guò)這個(gè)“蛋糕”，隨著(zhù)晶圓代工大廠(chǎng)TSMC、UMC和SMIC的強勢進(jìn)入，而諸如ASMC這樣特制化的代工廠(chǎng)也獨辟蹊徑，一場(chǎng)MEMS代工的“暗戰”拉開(kāi)帷幕。

　　耕耘于MEMS領(lǐng)域10年之久的美新半導體(MEMSIC)依靠Fab-lite模式成為國內MEMS成功的典范，MEMSIC RD經(jīng)理楊宏愿指出，將CMOS與MEMS集成是MEMSIC成功的重要因素。他表示，創(chuàng )新的運動(dòng)傳感器技術(shù)加速了MEMS價(jià)格的降低，MEMSIC的目標是將陽(yáng)春白雪的高端傳感器拉下神壇，成為普遍型的應用產(chǎn)品。MEMSIC目前正在開(kāi)發(fā)由3軸地磁傳感器和2軸加速計組成的5軸定位系統，未來(lái)將開(kāi)發(fā)6軸方案，而地磁傳感器將是下一個(gè)像加速計的產(chǎn)品。

　　TSMC主流技術(shù)事業(yè)發(fā)展處長(cháng)劉信生表示，成功的廠(chǎng)商需要在1年內推出產(chǎn)品，而目前近60億美元的MEMS產(chǎn)業(yè)已經(jīng)有相當多的高手，因此選好代工伙伴對于MEMS廠(chǎng)商非常關(guān)鍵。MEMS的進(jìn)一步成長(cháng)必須利用好現有CMOS的投資和基礎設施。他指出，目前工藝已從4、6寸轉向8寸，選擇的合作伙伴需要有長(cháng)遠的線(xiàn)路圖，而不僅僅是一兩代的產(chǎn)品計劃。

　　上海先進(jìn)半導體(ASMC)COO孫臻則認為，MEMS 產(chǎn)業(yè)有別于半導體(IC)產(chǎn)業(yè)引導下游終端產(chǎn)品邁向經(jīng)濟規模效益的發(fā)展模式，MEMS著(zhù)重在以客制化的微加工制程服務(wù)，來(lái)提升現有終端產(chǎn)品的附加價(jià)值，以維護產(chǎn)品在市場(chǎng)上的獨特競爭利基。他表示，ASMC推出自己業(yè)務(wù)模式，以量至上，快速達到一定經(jīng)濟規模，再以有競爭力的成本，結合其他MEMS技術(shù)，共同拓寬市場(chǎng)需求量。