浅谈MEMS技术工艺的发展及未来

MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变 形，会影响其表面的压敏电阻走线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。

第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。

第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。

推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的‘片上实验室’生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。

工艺的发展

近来对MEMS关注的提高部分来自于表面微加工技术，它把牺牲层（结构制作时使其它层分开的材料）在最后一步溶解，生成悬浮式薄移动谐振结构。

欧洲一所MEMS研究机构、法国格勒诺布尔TIMA实验室的Bernard Courtois指出：‘有两种方法制造微系统，即专门为微系统开发的工艺或者使用为微电子开发的工艺。后一种工艺中有些可用于微系统，有些则要为它增加 一些特殊的工艺步骤以适用于集成电路中的微系统。’

很多MEMS应用要求与传统的电子制造不同，如包含更多步骤、背面工艺、特殊金属和非常奇特的材料以及晶圆键合等等。确实，许多场合尤其是在生物和医疗领域，都不把硅片作为基底使用，很多地方选用玻璃和塑料，出于降低成本原因经常用塑料制成一次性医疗器械。

但对众多公司和研究机构来说，微电子中现有的CMOS、SiGe和GaAs等工艺是开发MEMS的出发点。从理论上讲，将电路部分和MEMS集成在同一芯片上可以提高整个电路的性能、效率和可靠性，并降低制造和封装成本。

提高集成度的一个主要途径是通过表面微加工方法，在微电子裸片顶部的保留区域进行MEMS结构后处理。但是必须考虑温度对前面已制造完成的微电子部分的破坏，所以对单片集成来讲，在低温下进行MEMS制造是一个关键。

针对这一点，比利时Interuniversity微电子中心（IMEC）开发了一种多晶锗化硅沉积技术，其临界温度为450℃，而多晶硅为 800℃。不过温度低沉积速度也要慢，因此又开发了第二种沉积速度更高、温度为520℃的方法。选择SiGe是希望切入事实上的高频电子标准工艺，但也有 很多其它公司在寻求以主流数字CMOS作为出发点。

今年早些时候，IBM宣布它利用BiCMOS工艺技术的标准生产材料在低于400℃温度下开发了RF MEMS元件，它开发的MEMS谐振器和滤波器可以在无线设备中替代分立无源元件。

MEMS与微系统顾问Roger Grace表示：‘多年来人们一直在讨论CMOS和MEMS集成的问题，但目前唯一批量生产的集成工艺只有美国模拟器件公司（ADI）的ADXL-50加 速器。同样的功能摩托罗拉要用两个芯片完成，其中一个是MEMS，另一个是封装好的集成微电子器件。’

这些争论经常在微电子业中提起。值得注意的是模拟和混合信号在微电子中常常放于不同的裸片上作为电路集成到一个封装里，同样，智能功率电子经常 采用多芯片解决方案实现，尽管其他人极力吹捧智能功率工艺技术的好处。此外赞成与反对将机械结构和大量电子装置集成在一起的理由也都非常复杂。

这主要是因为微电子的标准封装开发很快，引脚数和连接方法的变化在本质上也是标准的。而MEMS则不同，其环境参数各种各样，某些封装不能透光而另一些必须让光照到芯片表面，某些封装必须在芯片上方或后面保持真空，而另一些则要在芯片周围送入气体或液体。

人们认识到不可能给各种MEMS应用开发一种标准封装，但也非常需要业界对每种应用确定一种标准封装及其发展方向。 Roger Grace指出：‘MEMS设计师喜欢先把电路做出来，然后再考虑测试和封装。’元件成本95%以上是花费在测试、封装和最后装配中，对这部分进行优化应 该比制作最精巧的MEMS结构更重要。同时，行业组织SEMI正开始着手封装和制造工艺的标准化工作。

因此Sandia国家实验室开发了包括5层多晶硅的Summit V工艺技术，并把该技术及相关设计工具的使用许可发放给诸如Coventor和Ardesta LLC之类的企业（后者是一家风险投资公司）。Sandia还把其4层Summit IV工艺技术使用许可发放给了飞兆（Fairchild）半导体公司。

这是Sandia承担的基础研究商业化政策的一部分，最近一次MEMS研讨会上Sandia工作人员把它称为‘幻想家的困境’或‘如何将最初的演示转变为工业标准’。

Roger Grace认为：‘Sandia的政策是把技术许可发放给业界以得到大批量应用，这样他们就能证明他们自己过去小批量应用时的可靠性。’在制造齿轮、链条和微机械时Summit工艺也许能显示出非常好的优势。

但Grace也有些疑问：‘Summit V是个很贵的工艺，是否有足够的应用来支持Summit V？因为工程师仍然希望把制造工艺技术与应用对应起来。’ 按照Grace的说法，迄今只有几种MEMS达到大批量生产，即使像成功用于桌面投影仪市场的TI移动镜视频投影芯片，每年产量也不到100万只。他说： ‘我们会看到不断出现定制工艺和定制解决方案，我不认为他们（工程师）会妥协。’

那么现在说MEMS是一个繁荣市场是否还为时过早吗？ 据In-Stat MDR高级分析员Marlene Bourne预测，世界MEMS市场将从2001年的39亿美元增长到2006年的95亿美元，平均增长率为19.5%。相比之下，世界半导体芯片市场自 1996年以来一直徘徊在1，500亿美元，尽管预计到2003年会有20%的增长。

欧洲工业组织Nexus预测，微系统市场在2001年已经是300亿美元，到2005年将上升到680亿美元。这与In-Stat数字之间的差 异主要是因为Nexus使用的‘微系统’定义更广泛，它还包括整机系统，如心脏起搏器，并延伸到聚合物、玻璃、金属和以陶瓷为材料的器件。

Bourne解释说：‘我是根据尺寸来定义MEMS，指一般制作在硅片上并带有机械功能的器件，虽然它不是专用的。更多要做的事情是在工艺技术上，它可能起源于表面微细机械加工或LIGA。我估算的是向OEM付运的元件数，而没有估算芯片级或最终用户产品的价值。’