MEMS的“CMOS化”成长

“游戏曾经是你生活中的一部分，现在你将成为游戏中的一部分”，用这句话来形容风靡世界的Wii游戏机再合适不过。Wii最大的特点是无线和动作感应，其以人体工学设计的遥控器还原了我们日常生活中的各种传统动作。它可以在游戏中充当一把剑，又或者是你手中的画笔和方向盘。这一切是如何实现的呢？嵌入其中的MEMS传感器件功不可没。Wii正是采用了以MEMS为基础的三轴加速度感测器从而实现了游戏玩家的“身临其境”，并一举占领了市场。

MEMS到底能为我们做些什么？从iPhone手机里的游戏、计步器、测量气压及天气预报等功能，到Nike运动鞋中的压力传感器，再到现在风靡市场的Wii游戏机的手持柄，几乎所有流行前沿的新鲜物品都出现了MEMS的身影，更不用说传统的汽车电子和其它消费电子产品。

1987年，美国利用集成电路制造工艺首次制作出直径为100μm的硅静电微电机，由此开创了采用微电子技术制造微机械的崭新领域。微电子与微机械技术相结合，形成了今天的MEMS系统。MEMS技术本质上是将机械、光学、电气和电子的子元件融合成一个集成系统，在单个芯片上实现与宏观世界一样的功能。与半导体芯片相比，MEMS将远远超越电子学的范畴，使芯片承载更多的功能。

MEMS厉兵秣马

MEMS即微电子机械系统，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

MEMS虽然由来已久，但是其全面商品化也就是最近几年的事情。不过MEMS惊人的发展速度、广阔的市场前景和较高的利润还是吸引了越来越多的目光。据Yole Development预测，在未来5年内，MEMS将保持平均17%的增长率。在Wii和iPhone等高端电子消费品的拉动下，2008年MEMS的销售额有望达到14%的增长，2010-2012年将达到18-19%。MEMS的主要市场推动者是麦克风、微型显示器、RF MEMS器件、压力传感器以及加速度计等，仅麦克风和RF MEMS器件在2011年就将占到总制造量的45%。

目前，我国在压力传感器、加速度计、麦克风、惯性传感器、温度传感器、流量传感器等产品方面，从理论研究、产品设计到批量生产技术方面都已日趋成熟，汽车电子的国产化率也在不断增高。在高端消费品MEMS仍无法与国外竞争对手抗衡的情况下，保持传统优势产品，并积极开拓诸如汽车电子等领域将是国产MEMS产品切入市场的最佳策略。

MEMS高速发展的受益者不仅有广大消费者，设备和材料厂商也将获得较好的发展空间。图1是MEMS设备和材料的发展预测，节节攀升的数字让人们对未来的发展持乐观态度。设备方面最为抢眼的当属刻蚀设备，不仅所占份额最大，近12%的增长率也极其可观。材料方面则是气体与化学品、掩膜版和硅衬底“三分天下”。

从晶圆厂、设备厂、材料供应商到封装厂和软件开发工具，有大量的资源支持MEMS开发的快速上市和降低成本的需求。同时，巨大的市场需求也无形而有力的推动着MEMS制造的发展。继 “代工双雄” 台积电和联电加速升级8寸厂的MEMS制造后，中芯国际于不久前也宣布将在2009年第一季度开始采用200mm生产线投入MEMS的量产，这也许是国内MEMS制造向8寸代工厂转移的信号。

CMOS代工企业要从事千差万别的MEMS代工服务并不容易，器件多样性带来的除了让人眼花缭乱的产品外，更多的是制造的困难和特殊性。

多样性带来特殊性

使用广泛的硅基MEMS工艺技术是在硅集成电路生产工艺，如CMOS基础上发展而来的，它们之间有很多相似之处。但是与CMOS器件不同，MEMS器件的多样性为工艺制造带来了极大的困难。现如今，MEMS借鉴CMOS的经验、向CMOS标准化制造靠拢是总的发展趋势，许多的MEMS产品都是半导体技术的延伸和扩展。尽管已有相当部分的MEMS工艺可采用标准CMOS制造工艺，但是其还具有自身的一些特殊工艺，如深反应离子刻蚀（DRIE）、双面光刻等，这些工艺的发展直接影响到MEMS的未来。

消费市场的需求是MEMS发展的巨大驱动力，它要求MEMS制造商不断减小芯片的尺寸以提高产能、降低成本。这就对刻蚀提出了新的要求，因为MEMS器件对深宽比结构的要求比一般的半导体器件更高。CMOS制造中的干法刻蚀对MEMS要求的垂直侧壁的高深宽比结构无能为力，由此诞生了DRIE技术。

根据反应机理不同，DRIE可分为低温工艺和高温工艺两种。以SF6/O2为刻蚀气体的低温DRIE虽然可以使结构侧壁较为光滑，但由于采用低温，光刻胶容易破裂。目前的主流工艺为分别以SF6和C4F8作为刻蚀和钝化气体的高温DRIE，即Bosch技术（图2）。该技术的重点是刻蚀与钝化交替进行。钝化层同时在槽的侧壁和底部生长，由于等离子的方向性刻蚀，底部的钝化层更容易被刻蚀掉，槽的侧壁在刻蚀时由于有钝化层的保护而不被刻蚀掉，从而得到垂直性很好的高深宽比结构。

在6寸晶圆上，目前DRIE的刻蚀速率大约为30-50μm/min。根据Yole Development的预测，未来的发展趋势是多腔刻蚀，并在未来2-3年内达到大约100μm/min的刻蚀速率，同时减少昂贵的C4F8用量。Tegal的市场副总裁Paul Werbaneth认为，新兴的MEMS领域，如3D MEMS（即MEMS与MEMS或MEMS与CMOS逻辑芯片叠加在一起），在很大程度上依赖于DRIE来实现其最终的制造。市场的需求推动着DRIE技术向前发展，与CMOS的发展轨迹类似，向更大尺寸的晶圆发展会是趋势之一。Tegal未来的发展计划中就包括与客户一起进行300mm DRIE机台的开发。

MEMS的特点是三维加工，除需要进行同平面的光刻外，还需要对硅片正反面进行图形对准。双面光刻也由此而来。早期的双面光刻技术利用红外线可以穿透硅片却能被空气和金属吸收的特点进行双面对准。但红外线波长较长，对细线条的对准存在困难。此外，复杂的金属布线和不平整的表面对红外线的吸收将产生干扰。如今的双面光刻技术是基于光学对准的，对准精度有很大提高。

MEMS制造中，对于光刻的主要要求有：大聚焦深度和厚光刻胶的曝光；相对结构尺寸而言，极其严格的CD控制；用于衬底双面处理的双面校准工艺；在高深宽比结构情况下的大聚焦-校准偏移；对大面积器件进行曝光时具有良好的接缝和对接控制；材料处理（小晶圆，甚至是材料片）的灵活性。目前大多数MEMS产品使用的是传统的接触式光刻机，产品线宽为2-5μm。根据Yole Development的报告，现有的步进式光刻设备可以使MEMS的线宽达到0.6μm，套准精度约为20nm。因为MEMS器件的形貌相比CMOS而言要求更高，所以未来MEMS光刻设备主要需要解决的问题就是更小的尺寸，特别是DOF问题。随着线宽和套准精度要求的提高，光刻机从接触式曝光向DUV转变将是MEMS光刻工艺发展的方向。

MEMS与CMOS的集成

MEMS器件研究的发展和应用领域的拓宽推动着集成制造工艺的进步。器件研究与集成工艺的关系一般分为两类：一类是根据不同器件开发相应的工艺方案，另一类是在器件设计时尽量选择已经成型的标准工艺方案。从MEMS的量产和走入市场的角度来说，显然第二种选择更为明智。虽然向成熟工艺靠拢会使器件的设计受到一定的限制，但因为无需开发新工艺，设计好的器件可以在CMOS等成熟的生产线上生产。

对于标准集成方案，能否与CMOS集成电路兼容是在不同工艺方案间取舍的重要参考指标。一般来说，与CMOS集成电路兼容的工艺方案可以实现MEMS器件与信号控制电路的单片集成，可以在提高器件性能的同时降低总的加工成本。根据MEMS工艺与CMOS工艺的顺序不同，集成方案可分为Pre-CMOS、Intra-CMOS和Post-CMOS，即MEMS工艺在CMOS之前、中间或之后完成。从成本的角度考虑，CMOS之后完成MEMS是首选方案。因为在代工厂完成标准的CMOS电路，所制备的电路性能有所保证，而且成本也较低。
 
目前比较主流的Post-CMOS集成方法是表面牺牲层工艺，它可以制备较薄的MEMS结构，通常厚度为0.2-150微米。图3是表面牺牲刻蚀法制备薄型MEMS的示意图。该方法是指通过在衬底表面淀积不同的薄膜并结合选择性刻蚀得到悬浮微结构的过程。以氧化硅为牺牲层的多晶硅表面牺牲层工艺是此类工艺的代表。

SiO2或多晶硅表面牺牲层淀积以后，通过光刻和刻蚀步骤定义出所需结构，最后去除残余的牺牲层。SUSS MicroTec中国区总经理龚里博士介绍说，MEMS制造中的两个关键问题就是应力和温度。表面牺牲层工艺的结构层和牺牲层多采用CVD和PVD方法制备，所制备的薄膜通常会有较大的残余应力。因此，优化工艺参数以减小残余应力是保证其性能的关键。此外，由于金属铝不能承受多晶硅的淀积温度，所以标准的多晶硅表面工艺无法实现Post-CMOS集成。所以，与电路集成时一般要先完成低温多晶硅结构的制备。也可以利用金属钨代替铝做金属连线，或者用多晶的锗硅做结构材料。

“CMOS与MEMS器件相结合是未来发展的大趋势，”Paul Werbaneth说，“它可以融合MEMS与CMOS器件的功能，实现芯片的多功能性，未来的市场发展也相当乐观。”

MEMS如何与传统代工厂相融合？

图4从各个方面分析了MEMS的现状与未来发展趋势。显而易见，就是设计的可制造性、生产的标准化、CMOS-MEMS的片上系统（SoC）集成、8寸生产线、占领市场时间的缩短以及成本的降低。

CMOS工艺已经在芯片制造中广泛采用，如果能用它来实现MEMS的量产，既不用更换设备，材料也是标准的，MEMS的制造就可以获得低成本和高产出率的优势。使用标准技术生产出来的MEMS器件将很容易集成到其它系统中。同时，大批量的生产保证了所有设备和工艺都能够按照规定进行测试，晶圆在整个制造过程中可以受到连续监控，从而减少差异，提高良品率。

但是实际情况却有些无奈。有些公司一直试图建立MEMS代工业务，专门为其它公司生产MEMS器件，但是成功者寥寥。这是因为MEMS本质上是一种专用器件，种类繁多，用途广泛，从传感器到汽车电子的各种产品中都能见到它的身影。而代工厂生产的是大批量的标准器件，这使MEMS似乎与生俱来与代工无缘。在集成电路业，有标准的设计技术、标准的工艺技术和标准的封装技术。而MEMS却与集成电路大不相同。MEMS采用特定方法设计，以适应其专有的制造工艺。与大部分芯片相比，MEMS器件要用到更多的材料和分层，并且常常需要专门的工艺，而这些工艺不容易集成到半导体制造中。由于这些原因，许多元器件厂商将其MEMS产品交由小批量代工厂和大学的样机试验室进行加工。由于批量小又缺乏工艺控制，会导致产品在工作特性、关键尺寸、材料性质和良率等方面不尽如人意。

MEMS与IC芯片整合、封装在一起是集成电路技术发展的新趋势，也是传统芯片厂商的新机遇。市场需求巨大，MEMS企业和晶圆代工厂都在提高生产制造水平，扩大自己的产能，而MEMS的制造也将从现在的4寸和6寸线向8寸线转移。将生产线由6寸厂转向8寸厂后，单位成本可以大幅降低33％以上，所以意法、飞思卡尔等MEMS大厂，已开始将6寸厂改建为8寸厂。

但是，MEMS的量产还处于起步阶段，采用8寸和12寸生产线的成本还很高。4寸线上的每一个晶圆可生产合格的MEMS压力传感器Die 5-6K个，每个Die出售后可获成本7-10倍的毛利。传统半导体厂商的部分4寸、6寸生产线正面临淘汰，如果能将其中一部分转而生产MEMS则利润十分可观。目前的4寸线的大多数工艺可为MEMS生产所用，只是缺少一些特殊工艺和设备。“现在，MEMS器件的市场增长甚至超越了300mm CMOS IC，” Paul Werbaneth说，“尽管很多MEMS制造商仍在使用8寸或者更小的晶圆，但发展前景还是相当乐观。设备制造商应该积极与MEMS厂商合作，给予他们更多的技术支持，帮助他们发展。”

龚里博士认为，中国发展MEMS制造的优势在于成本低廉，但是劣势也相当明显，即技术落后。也许借鉴CMOS代工成长的经验、积极引进先进技术会是一条可行之路。MEMS商用化最大的障碍是可制造性和可测试性方面的设计能力不足。因此，MEMS与CMOS结合的发展趋势对设计人员也提出了更高的要求。“设计是MEMS在中国发展的瓶颈之一，”龚里博士坦言，“必须更加关注CMOS工艺技术的要求和限制，将可制造性设计作为MEMS发展的一个重要考量对象。”

MEMS的产业化道路很长，要想获得发展机会，也许还要等待很长的时间。但是除了耐心等待之外，我们需要时刻准备着。