MEMS的“CMOS化”成長(zhǎng)

“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(lái)形容風(fēng)靡世界的Wii游戲機(jī)再合適不過(guò)。Wii最大的特點(diǎn)是無(wú)線和動(dòng)作感應(yīng)，其以人體工學(xué)設(shè)計(jì)的遙控器還原了我們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N傳統(tǒng)動(dòng)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(méi)。Wii正是采用了以MEMS為基礎(chǔ)的三軸加速度感測(cè)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(chǎng)。

MEMS到底能為我們做些什么？從iPhone手機(jī)里的游戲、計(jì)步器、測(cè)量氣壓及天氣預(yù)報(bào)等功能，到Nike運(yùn)動(dòng)鞋中的壓力傳感器，再到現(xiàn)在風(fēng)靡市場(chǎng)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(shuō)傳統(tǒng)的汽車電子和其它消費(fèi)電子產(chǎn)品。

1987年，美國(guó)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(gè)集成系統(tǒng)，在單個(gè)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(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)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(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)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(dòng)。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(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)。

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(rùn)還是吸引了越來(lái)越多的目光。據(jù)Yole Development預(yù)測(cè)，在未來(lái)5年內(nèi)，MEMS將保持平均17%的增長(zhǎng)率。在Wii和iPhone等高端電子消費(fèi)品的拉動(dòng)下，2008年MEMS的銷售額有望達(dá)到14%的增長(zhǎng)，2010-2012年將達(dá)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(jì)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(guó)在壓力傳感器、加速度計(jì)、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(jì)到批量生產(chǎn)技術(shù)方面都已日趨成熟，汽車電子的國(guó)產(chǎn)化率也在不斷增高。在高端消費(fèi)品MEMS仍無(wú)法與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手抗衡的情況下，保持傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品，并積極開拓諸如汽車電子等領(lǐng)域?qū)⑹菄?guó)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(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(cè)，節(jié)節(jié)攀升的數(shù)字讓人們對(duì)未來(lái)的發(fā)展持樂(lè)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(zhǎng)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(shí)，巨大的市場(chǎng)需求也無(wú)形而有力的推動(dòng)著MEMS制造的發(fā)展。繼 “代工雙雄” 臺(tái)積電和聯(lián)電加速升級(jí)8寸廠的MEMS制造后，中芯國(guó)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(guó)內(nèi)MEMS制造向8寸代工廠轉(zhuǎn)移的信號(hào)。

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(chǔ)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(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(shì)，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(lái)。

消費(fèi)市場(chǎng)的需求是MEMS發(fā)展的巨大驅(qū)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(duì)刻蝕提出了新的要求，因?yàn)镸EMS器件對(duì)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(duì)MEMS要求的垂直側(cè)壁的高深寬比結(jié)構(gòu)無(wú)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(shí)在槽的側(cè)壁和底部生長(zhǎng)，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(shí)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)。

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(yù)測(cè)，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是多腔刻蝕，并在未來(lái)2-3年內(nèi)達(dá)到大約100μm/min的刻蝕速率，同時(shí)減少昂貴的C4F8用量。Tegal的市場(chǎng)副總裁Paul Werbaneth認(rèn)為，新興的MEMS領(lǐng)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(lái)實(shí)現(xiàn)其最終的制造。市場(chǎng)的需求推動(dòng)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(huì)是趨勢(shì)之一。Tegal未來(lái)的發(fā)展計(jì)劃中就包括與客戶一起進(jìn)行300mm DRIE機(jī)臺(tái)的開發(fā)。

MEMS的特點(diǎn)是三維加工，除需要進(jìn)行同平面的光刻外，還需要對(duì)硅片正反面進(jìn)行圖形對(duì)準(zhǔn)。雙面光刻也由此而來(lái)。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(diǎn)進(jìn)行雙面對(duì)準(zhǔn)。但紅外線波長(zhǎng)較長(zhǎng)，對(duì)細(xì)線條的對(duì)準(zhǔn)存在困難。此外，復(fù)雜的金屬布線和不平整的表面對(duì)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(xué)對(duì)準(zhǔn)的，對(duì)準(zhǔn)精度有很大提高。

MEMS制造中，對(duì)于光刻的主要要求有：大聚焦深度和厚光刻膠的曝光；相對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸而言，極其嚴(yán)格的CD控制；用于襯底雙面處理的雙面校準(zhǔn)工藝；在高深寬比結(jié)構(gòu)情況下的大聚焦-校準(zhǔn)偏移；對(duì)大面積器件進(jìn)行曝光時(shí)具有良好的接縫和對(duì)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(jī)，產(chǎn)品線寬為2-5μm。根據(jù)Yole Development的報(bào)告，現(xiàn)有的步進(jìn)式光刻設(shè)備可以使MEMS的線寬達(dá)到0.6μm，套準(zhǔn)精度約為20nm。因?yàn)镸EMS器件的形貌相比CMOS而言要求更高，所以未來(lái)MEMS光刻設(shè)備主要需要解決的問(wèn)題就是更小的尺寸，特別是DOF問(wèn)題。隨著線寬和套準(zhǔn)精度要求的提高，光刻機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域的拓寬推動(dòng)著集成制造工藝的進(jìn)步。器件研究與集成工藝的關(guān)系一般分為兩類：一類是根據(jù)不同器件開發(fā)相應(yīng)的工藝方案，另一類是在器件設(shè)計(jì)時(shí)盡量選擇已經(jīng)成型的標(biāo)準(zhǔn)工藝方案。從MEMS的量產(chǎn)和走入市場(chǎng)的角度來(lái)說(shuō)，顯然第二種選擇更為明智。雖然向成熟工藝靠攏會(huì)使器件的設(shè)計(jì)受到一定的限制，但因?yàn)闊o(wú)需開發(fā)新工藝，設(shè)計(jì)好的器件可以在CMOS等成熟的生產(chǎn)線上生產(chǎn)。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，與CMOS集成電路兼容的工藝方案可以實(shí)現(xiàn)MEMS器件與信號(hào)控制電路的單片集成，可以在提高器件性能的同時(shí)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?yàn)樵诖S完成標(biāo)準(zhǔn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guó)區(qū)總經(jīng)理龔里博士介紹說(shuō)，MEMS制造中的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是應(yīng)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(huì)有較大的殘余應(yīng)力。因此，優(yōu)化工藝參數(shù)以減小殘余應(yīng)力是保證其性能的關(guān)鍵。此外，由于金屬鋁不能承受多晶硅的淀積溫度，所以標(biāo)準(zhǔn)的多晶硅表面工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)Post-CMOS集成。所以，與電路集成時(shí)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(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)，”Paul Werbaneth說(shuō)，“它可以融合MEMS與CMOS器件的功能，實(shí)現(xiàn)芯片的多功能性，未來(lái)的市場(chǎng)發(fā)展也相當(dāng)樂(lè)觀。”

MEMS如何與傳統(tǒng)代工廠相融合？

圖4從各個(gè)方面分析了MEMS的現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。顯而易見，就是設(shè)計(jì)的可制造性、生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、CMOS-MEMS的片上系統(tǒng)（SoC）集成、8寸生產(chǎn)線、占領(lǐng)市場(chǎng)時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)MEMS的量產(chǎn)，既不用更換設(shè)備，材料也是標(biāo)準(zhǔn)的，MEMS的制造就可以獲得低成本和高產(chǎn)出率的優(yōu)勢(shì)。使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的MEMS器件將很容易集成到其它系統(tǒng)中。同時(shí)，大批量的生產(chǎn)保證了所有設(shè)備和工藝都能夠按照規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，晶圓在整個(gè)制造過(guò)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(shí)際情況卻有些無(wú)奈。有些公司一直試圖建立MEMS代工業(yè)務(wù)，專門為其它公司生產(chǎn)MEMS器件，但是成功者寥寥。這是因?yàn)镸EMS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(biāo)準(zhǔn)器件，這使MEMS似乎與生俱來(lái)與代工無(wú)緣。在集成電路業(yè)，有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的工藝技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)，以適應(yīng)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(dǎo)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(xué)的樣機(jī)試驗(yàn)室進(jìn)行加工。由于批量小又缺乏工藝控制，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在工作特性、關(guān)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(shì)，也是傳統(tǒng)芯片廠商的新機(jī)遇。市場(chǎng)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(kuò)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(gè)晶圓可生產(chǎn)合格的MEMS壓力傳感器Die 5-6K個(gè)，每個(gè)Die出售后可獲成本7-10倍的毛利。傳統(tǒng)半導(dǎo)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(rùn)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(shè)備。“現(xiàn)在，MEMS器件的市場(chǎng)增長(zhǎng)甚至超越了300mm CMOS IC，” Paul Werbaneth說(shuō)，“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(dāng)樂(lè)觀。設(shè)備制造商應(yīng)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(rèn)為，中國(guó)發(fā)展MEMS制造的優(yōu)勢(shì)在于成本低廉，但是劣勢(shì)也相當(dāng)明顯，即技術(shù)落后。也許借鑒CMOS代工成長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)、積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)會(huì)是一條可行之路。MEMS商用化最大的障礙是可制造性和可測(cè)試性方面的設(shè)計(jì)能力不足。因此，MEMS與CMOS結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)設(shè)計(jì)人員也提出了更高的要求。“設(shè)計(jì)是MEMS在中國(guó)發(fā)展的瓶頸之一，”龔里博士坦言，“必須更加關(guān)注CMOS工藝技術(shù)的要求和限制，將可制造性設(shè)計(jì)作為MEMS發(fā)展的一個(gè)重要考量對(duì)象。”

MEMS的產(chǎn)業(yè)化道路很長(zhǎng)，要想獲得發(fā)展機(jī)會(huì)，也許還要等待很長(zhǎng)的時(shí)間。但是除了耐心等待之外，我們需要時(shí)刻準(zhǔn)備著。