静态和移动器件工艺：推动第四轮商业化的另一种应用方式

MEMS第一轮商业化浪潮源于20世纪70年代末80年代初，那时用小型刻蚀晶片结构和背刻蚀阀座制做压力传感。因为薄晶片震动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电感走线，这些变化可以把压力转化成联通号。之后的电路则包括电感感应联通品质加快计，适于触发车辆安全气帘和定位陀螺仪。 #

第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要紧扣着PC和信息技术的盛行。TI公司按照静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨复印头今天依然大行其道。

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第四轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学元件通过全光继电器及相关元件而成为光纤通信的补充。虽然该市场目前冷清，但微光学元件从常年看来将是MEMS一个下降强悍的领域。

促进第三轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源器件、在晶圆上制做的音频、生物和血管元探针，以及何谓的‘片上试验室’生化药械开发系统和微型药械输送系统的静态和联通元件。 #

工艺的发展

最近对MEMS关注的增加部份来自于表面微加工技术，它把牺牲层（结构制做时使其它层分开的材料）在最后一步溶化，生成漂浮式薄联通移相结构。

英国一所MEMS研究机构、法国格勒诺布尔TIMA试验室的强调：‘有两种方式制造微系统，即专门为微系统开发的工艺或则使用为微电子开发的工艺。后一种工艺中有些可适于微系统，有些则要为它提高一些特殊的工艺流程以适用于集成电路中的微系统。’ #

这些MEMS应用要求与传统的电子制造不同，如包含更多方法、背面工艺、特殊金属和十分独特的材料以及晶片键合等等。确实，许多场合尤其是在生物和医疗领域，都不把晶片作为基底使用，这些地方采用玻璃和塑胶，出于减轻费用成因一直用塑胶制成一次性医疗器械。

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但对诸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，将电路部份和MEMS集成在同一芯片上可以减少整个电路的功耗、效率和牢靠性，并增加制造和封装费用。 #

增加集成度的一个主要途径是通过表面微加工方式，在微电子裸片顶端的保留区域进行MEMS结构后处理。并且应当考虑湿度对上面已制造完成的微电子部份的破坏，因此对单片集成来讲，在高温下进行MEMS制造是一个关键。 #

针对这一点，法国微电子中心（IMEC）开发了一种多晶锗化硅沉积技术，其临界水温为450℃，而砷化镓为800℃。不过气温低沉积速率也要慢，所以又开发了第二种沉积速率更高、温度为520℃的办法。选择SiGe是希望发力事实上的低频电子标准工艺，但还有这些其它公司在寻找以主流数字CMOS作为出发点。

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去年早先时侯，IBM宣布它运用工艺技术的标准生产材料在高于400℃温度下开发了RFMEMS器件，它开发的MEMS移相器和混频器可以在无线设备中代替分立无源器件。 #

MEMS与微系统顾问RogerGrace表示：‘多年来人们经常在讨论CMOS和MEMS集成的问题，但现在惟一批量生产的集成工艺只有中国模拟元件公司（ADI）的ADXL-50加速器。同样的功能诺基亚要用两个芯片完成，其中一个是MEMS，另一个是封装好的集成微电子元件。’

这种争辩一直在微电子业中提起。值得留意的是模拟和混和讯号在微电子中经常放于不同的裸片上作为电路集成到一个封装里，同样，智能功率电子一直选用多芯片解决方案实现，虽然其他人竭力鼓吹智能功率工艺技术的弊端。因此赞同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十分复杂。 #

这主要是由于微电子的标准封装开发很快，引脚数和连结方式的变化在本质上只是标准的。而MEMS则不同，其环境参数各式各样，个别封装不能透光而另一些应当让光照到芯片表面，这些封装应当在芯片底部或旁边保持真空，而另一些则要在芯片周围送入二氧化碳或液体。

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人们认识到不或许给各类MEMS应用开发一种标准封装，但也十分还要业界对每种应用确定一种标准封装及其发展方向。RogerGrace强调：‘MEMS设计师喜欢先把电路做下来，之后再考虑检测和封装。’元件费用95%以上是耗费在检测、封装和最后组装中，对这部份进行优化应该比制做最精美的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焦化作。 #

然而国家试验室开发了包括5层砷化镓的V工艺技术，并把该技术及相关设计工具的使用许可领取给例如和LLC之类的企业（前者是一家风险投资公司）。还把其4层IV工艺技术使用许可领取给了英飞凌（）砷化镓公司。 #

这是承当的基础研究商业化新政的一部份陶瓷制造技术与工艺，近期一次MEMS座谈会上工作人员把它称为‘幻想家的窘境’或‘如何将最初的演示转变为工业标准’。 #

RogerGrace觉得：‘的新政是把技术许可领取给业界以得到大批量应用，那样它们能够证明它们自己过去小批量应用时的牢靠性。’在制造蜗轮、链条和微机械时工艺虽然能显示出特别好的优势。

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但Grace还有些疑惑：‘V是个很贵的工艺，是否有足够的应拿来支持V？由于安装工程师一直希望把制造工艺技术与应用对应上去。’按照Grace的说法，至今只有几种MEMS达到大批量生产，但是像成功适于桌面投影仪市场的TI联通镜视频投影芯片，每年产值也不到100万只。他说：‘我们会听到不断出现订制工艺和订制解决方案，我不觉得她们（安装工程师）会退让。’ #

这么目前说MEMS是一个繁荣市场是否还为时太早吗？据In-StatMDR初级剖析员预测，世界MEMS市场将从2001年的39亿港元下降到2006年的95亿港元，平均下降率为19.5%。相比之下，世界砷化镓芯片市场自1996年以来经常游荡在1，500亿港元，虽然预计到2003晚会有20%的下降。 #

英国工业组织Nexus预测，微系统市场在2001年早已是300亿港元，到2005年将上升到680亿港元。这与In-Stat数字之间的差异主要是由于Nexus使用的‘微系统’定义更广泛，它还包括整机系统，如血管除颤器，并延展到聚合物、玻璃、金属和以陶瓷为材料的元件。

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解释说：‘我是依照规格来定义MEMS，指通常制做在晶片上并带有机械功能的元件，但是它不是专用的。更多要做的事情是在工艺技术上，它或许起源于表面微细机械加工或LIGA。我计算的是向OEM付运的器件数，而没有计算芯片级或最终用户产品的价值。’

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商业方式 #

表示：‘MEMS产业呈波浪式发展，我们看见已涌现出压力传感、加速计和镜光学元件，下一波将是RF、微型开关和继电器。他们需求量巨大，而且售价压力也巨大。’

她觉得晶片麦克风只是一个新兴领域。在这类元件中，传统麦克风震动膜由一个薄晶片膜制成。早已有公司如和英国的A/S正在进行这方面的开发，同时也在研究硅发声装置的或许性。即使规格小会限制输0出功率，但这类器件能挺好适用于助听应用领域。比如把255只这些硅麦克风放在一个裸片上除了能提升耳机的音调，并且还可以对这些微型麦克风进行8位数字选址。同样，多个麦克风和麦克风阵列配置也能开发出新的应用领域，这些有方向的麦克风可以顺着一个空间排列，如车辆或家庭内部，那样捕获到的声音还带有位置信息。 #

表示：‘我们所看到的是MEMS领域界定得十分清晰。’的确，新兴公司和老牌芯片及整机公司都在货运、医疗、电信和消费类电子等领域竞争，新兴公司只专注于其中一个应用部份。至于微电子方面，MEMS正成为一种可以服务于多个平行市场的水平技术。 #

她还强调：‘传统砷化镓制造商表现出巨大的兴趣，并且这可能也是对其领域所出现问题的’膝跳反应‘。虽然工艺技术完全不同。’

但真的不同吗？TIMA及其他一些机构强调，倘若能使用标准工艺，但是是改进的最基本IC工艺还有好多特点，所以晶片MEMS、MOEMS（微光电气系统）和常规IC制造之间的差别仅仅程度不同。

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状况确实就是这么，涉足MEMS对小的芯片制造商来讲更具吸引力，由于它们正遭到上游集成元件制造商（IDM）和美国地区代车间的冲击。因为某些小芯片公司难以承当深亚微米工艺技术开发和成立新车间，它们应当找到市场发力点或完全舍弃制造。 #

值得留意的是英飞凌砷化镓和美国微系统公司已把MEMS加入到其能生产的元件范围，坐落加利福尼亚的Xicor6英寸晶片厂被MEMS公司竞购而转向生产MEMS，而卓联砷化镓把在印度普里茅斯的晶片厂借给了日本X-Fab公司，前者声称是一家混和讯号和MEMS元件代车间。

虽然还应见到至今为止所转卖的绝大多数MEMS都是由主要的砷化镓公司如诺基亚、模拟元件和TI所生产的，意法砷化镓也正在扩大在该领域的研究。 #

对于能负担深亚微米CMOS工艺技术研究的小型芯片制造商来说，MEMS的吸引力在于能使旧的工艺技术和经多年制造已折旧完了的晶片厂形成更多收益。换言之，微电子领域快淘汰的工艺在晶片MEMS制造中可以成为领先技术。

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对此表示赞成，却说：‘是的，这些常规IC车间说她们能否做。但这也并不容易，还要特别专业同时又很短缺的技术，这种技术主要都在中学和新兴公司里。’ #

她补充道，贴牌商贸方式的发展帮助了无晶片厂元元件开发商，促使了专用MEMS代车间的发展，如MEMS、和等公司。因此‘50%的新兴公司拥有自己的车间设备，但还须要有了解工艺技术的人才。’由此也突出了对轮训的需求。

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意法砷化镓公司MEMS事业部总监Vigna介绍说：‘意法对MEMS的研究是战略性的，主要成因是我们要通过开发硅的不同特点来规避新的市场。由于MEMS可以用1微米工艺制造，这就是说我们能运用现有的生产设施。’ #

该公司仍然是戴尔公司热式喷墨复印头的供应商，因此它开发了系列惯性传感，包括视角和线性加快计，并为安捷伦开发了热式光继电器。意法砷化镓在阐明晶片MEMS市场开发方向的同时，还与一家有雄厚财力支持的新泽西新兴公司Onix进行合作。2001年7月两家公司同意共同开发制造带有MEMS和ASIC的芯片组，适于Onix公司的光继电器引擎，意法的批量产能将满足Onix对芯片组的需求。

Vigna表示：‘射频MEMS的优先级没这么高，因此我们没有进行商业开发，但是我们感兴趣的重要领域之一是用机械继电器代替半导体固态继电器。’ #

根据Vigna的说法，业界演示的产品还存在靠谱性问题。‘如果是在相机中应用，你须要很低的启动电流，希望是5V以下，但是相机制造商或许容许12～15V，假如它们再须要40V适于有机发光显示器，我们或许就不用这么低的电流。’ #

有一些新兴公司如宣称已为市场打算好了RF继电器，但这种元件是分立的还是与SoC集成在一起甚或待观察。

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等候标准

Vigna说：‘我还是没有见到像CMOS这样的通用MEMS工艺出现，因此目前还存在各式工艺，但今后会迈向统一，包括在EDA、设计、测试等各方面。标准即便出现能够使得出现一些简化工艺，我们倘若能固定到2～3个工艺平台上，将可以降低MEMS步入市场的时间，由于通过经验积累他们将显得更牢靠。我坚信最成功的方式是在封装级集成CMOS和MEMS模块，你可以销售带激凸的MEMS裸片从而进行倒装焊集成。’

他介绍说：‘我们正在推动两三个主流工艺，最主要的是（微加快计厚外延层），这是一个0.8微米工艺，带有厚砷化镓层结构和薄砷化镓互连。’

该技术容许通过几个‘锚点’（point）将晶片结构铆接在基底上，但可以在与基底原本垂直的平面上自由联通。为了与传统塑封技术兼容，在传感器器件下部放置一个封帽以防止成形时对联通部件导致污染。 #

微驱动部件也使用类似的工艺，但没有封帽，而是降低一个灵活的钝化层。Onix在微镜部件上则使用第三种工艺，这是由于的砷化镓没有制造镜面研磨的单晶好。

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这么MEMS的设计手动焦化具将怎样发展？Vigna的回答是‘很慢’。他觉得：‘当设计成为一门科学时EDA工具很有用，而且目前MEMS更像模拟电路，首先你还要标准工艺，于是才会得到标准的设计工具。’尽管目前的工艺技术有好多种，但在这方面还是涌现了一些第三方EDA工具供应商，如Ansys和等公司。

正如砷化镓设备制造商一样，主要的EDA供应商如等正开始把MEMS当成一门迥然不同的安装工程学科来对待。 #

原本是已一家MEMS设计手动焦化具供应商，它还把自己转变成为一家新一代专用MEMS制造商。该公司主要从事RF和光学应用，开发了一些支持那些应用的工艺。更引人注目的是它在欧洲格勒诺布尔本部附近建设了一个专门的MEMS晶片厂，并通过许可合同捐助香港地区的华新丽华公司建设晶片厂。

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总裁兼首席执行官Jean-Karam表示：‘我们和华新丽华的关系十分密切。我们帮助她们建设晶片厂，由我们做光学部份，它们做无线部份，那样我们可以得到双方的技术很快进入市场，我们两家就会有第二供应商。’ #

Karam觉得建设晶片厂是启动MEMS市场所需投资的一部份。他说：‘很多公司都说她们有RFMEMS继电器，但在摩托罗拉开始应用RFMEMS之前，他要了解的是你是否有每年供应一亿只的能力，你还要为大批量做好打算。’Karam觉得业界会得到标准化。他解释说：‘赚钱的最佳办法是尽量降低工艺数目，改动是在设计中而不是在工艺中，从技术上讲那样并不容易。’

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他强调，其结果是在每位工业领域都有一些工艺弄成‘标准的’用于不同的大批量应用，即便工艺标准化以后，经济压力将驱动MEMS设计师不加更改地应用这种工艺。

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灵活与稳定

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人们虽然会期望意法砷化镓的Vigna预测主要的砷化镓公司之后将在MEMS上获取利润，虽然意法有批量生产的经验，在全世界都有晶片厂可以插入MEMS工艺，同时与多家主要顾客有紧密的联系。

他表示：‘大公司喜欢与大公司打交道，倘若出了问题，这家大公司会指控另一家公司，因此通常不会出问题。其实新兴公司愈发敏捷，格外灵活并完全专注在MEMS上。’他也给MEMS企业提出了另一种方式，正式大公司的批量生产能力与新兴公司的灵活与专注结合上去。 #

他坚信：‘第一个将MEMS部委分离下来的大公司一定会成功。’不过他证实意法砷化镓有让MEMS部委独立的计划。 #

1999年从模拟元件公司分下来的就是一个挺好的实例，虽然模拟元件公司还保留了自己的MEMS业务。事实上，还显示出另一发展趋势，即美国台湾和大陆地区的崛起。台湾与大陆 #

由上海高校研究生结业的赵阳创立，他于1993～1999年间任职于模拟元件公司微加工产品部。 #

赵阳对热加快计非常感兴趣，然后劝说模拟元件公司让他带走该技术进行开发，作为收益模拟元件公司可在新公司里持有一定股份。他对于在MEMS上应用CMOS工艺技术坚信不疑，现已作出高集成度加快计并嵌入到一个芯片的复杂逻辑里。 #

他介绍说：‘我们把精力全部集中在CMOSMEMS上，成功的惟一途径是依赖现有技术，开始发明之前应尽或许多地进行仿造。’利用高通作为代车间生产0.6微米逻辑电路，于是将6英寸晶片拿回去放在上海的分公司制做MEMS结构。这么做的确限制了，没法选用高温后道CMOS加工以防止破坏晶片上的电路，但这正是开发的技术。

赵阳表示：‘这就是说我们可以把设计领到任何一个代车间，但是应当更改设计能够符合工艺我们也乐意去做。高通没有MEMS工艺，因此这部份我们自己做。’

但高通是的投资方之一，它会常年都没有MEMS部委吗？

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在北京有几家8英寸晶片代车间正在建设，投资上百亿港元，然而美国将成为芯片生产的中心之一。大陆地区的代车间虽然会开发愈发专业化的工艺，包括支持MEMS的工艺陶瓷制造技术与工艺，从而在它们的旧车间里运行。高通技术主管胡正明在近期一次接受EETimes专访时说道：‘我们有兴趣牵涉更多MEMS业务，前提是所须要的技术与我们基本砷化镓制造技术合拍。。..。..我把CMOS技术看成是一种上面能放光元件、MEMS并且碳奈米管的平台。’

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RogerGrace觉得：‘中国台湾和大陆地区都在加紧发展MEMS，她们想在MEMS上作出微电子这样的成就来，我们还要紧密凝视这一现象。’ #

未来富有不确定性诱因 #

安装工程师们将继续研究数百个MEMS概念的工艺技术和封装方案，标准化将使人们舍弃一些在晶圆制造中喜欢使用的技术。在台湾，反应敏捷充满创意的新兴公司将把MEMS应用推向前进；在英国，几个分离下来的公司也不甘人后；而美国台湾和大陆地区则将在MEMS上重复它们在微电子制造领域所取得的成功。 #

虽然不要奢望MEMS会像微电子在20世纪60和70年代这样忽然兴盛上去，MEMS领域一直变化多端且困难重重。MEMS是微电子加微机械，在所有工业领域具备上百种应用。从这点来看可以期望MEMS市场的常年发展台比‘纯粹的’微电子要好，随着贴牌服务的发展，安装工程师将越来越多地使它们的设计适应工艺技术。虽然MEMS目前能起飞最重要的成因是微机械剖析的复杂性随着百兆赫兹处理器的出现在安装工程师桌面才能解决，留下的一个问题将是MEMS技术有无足够的时间在其享受胜利果实之前把‘纳米技术’远远抛在前面。