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MEM开始打破沉默,在各应用领域崭露头角

菜鸟
2003-04-07 02:47:00    评分
MEMS即指微机电系统,在欧洲有时也被称作微系统技术(MST),但定义范围稍宽一点, 不过在本质上两种说法是可以互换的。尽管已有四十年的研究和商用历史,MEMS只是到 了最近才显示出与微电子分家的迹象。它看上去具有很大潜在的市场,所以有很多新兴 公司在该领域投资,而一些老公司也越来越多地参与其中。 有迹象表明,大学在这方面研究的广度和深度促使了很多新兴公司的创建,并重新引起 主流芯片制造商的兴趣,或许最值得注意的是半导体设备制造商也开始有所反应,使非 专用设备能适用于不同类型的MEMS制造。 一个全功能硅片MEMS晶圆厂投资仅为6~8千万美元,显然进入MEMS的门槛要低于微电子 ,后者一个大规模“经济型”数字芯片晶圆厂将耗资20亿美元。这么低的成本似乎是一 件好事情,但由于投资成本过低使得MEMS制造产能过剩的风险要高于微电子。 今后几年,影响增长的因素可能是元件结构、工艺技术和材料越来越多种多样。MEMS设 计、制造和封装之间很强的相互依赖性表明,另一个影响增长的原因很可能是接受过复 杂MEMS技术培训的工程师不足,这些工程师需要对工艺、材料、机械和电子设计等方面 都有广泛的了解。 目前针对积极参与MEMS的机构业界有很多疑问,如硅片作为一种基底选择是否因为已在 很多设备和材料结构中使用就一定胜出?它由此能实现规模经济并击退玻璃和塑封基底 材料吗?即使在硅片上也有很多不同的MEMS制造工艺技术,那么哪种工艺技术会成功呢 ?不同的场合存在各自最优的制造技术吗?如果这些工艺必须共存,是否需要很多专用 生产线?难道MEMS技术的开发注定要跟在微电子30年成就的后面(虽然是在加速前进)? 机械、光学、流体和生物器件及其应用环境要求的不同必将使各类MEMS走上完全不同的 开发道路吗? 另外从商业角度来讲,代工厂和无晶圆厂设计公司这种模式有意义吗?还是那些具有自 身制造能力的大批反应敏捷的新兴公司主导MEMS市场?或者是几个半导体巨头(也许就是 目前MEMS元件产量最大的公司)在恰当的时候只要并购这些新兴公司,或凭借更深的客户 关系和雄厚的财力就能占领市场?哪一种技术和商业模式将得到更多的认可并扎根下来 ?经过40年的发展,MEMS为什么在21世纪之初会显示出巨大的商机? 在业界试图回答这些问题的同时,必须记住“纳米技术”已包含在MEMS技术里,几乎毫 无疑问它将逐渐成长以补充MEMS,并最终将其替代。 MEMS技术的发展历史 根据定义,MEMS包含有微米大小的元件,通常还带一个移动部件,有时是固体机械装置 ,有时是流体,一般至少要与某个电路集成在一起。电路部分可以只是一个压敏电阻网 络或电容元件以把机械运动转换成电信号,但也可能有更多东西,带全集成电子器件的 MEMS可以成为真正的完整“系统级芯片”。MEMS包括多种传感器,不过光学传感器如多 像素CCD或CMOS图像转换芯片通常都不包括在内。 MEMS制造方法一般与集成电路类似,要用到照相和刻蚀等方式。虽然硅片因此而成为一 个受欢迎的基底,但有时也会选用玻璃、石英或塑料基底。MEMS已发展成微电子的自然 补充产品,作为传感器-变换器为电子处理提供信号,或作为变换器-驱动器响应该处理 产生移动或影响后面的机械部分,典型运动如静电操纵的线性和旋转电机等。 微电子利用了硅片的半导体特性,MEMS和更加精确的微机械还利用了结构特性:低热膨 胀系数、高热导率以及更高的强度(同等质量下比铝大)。压电材料可以起补充作用,变 形时产生电荷,或者相反在电压下变形,得到精确的电控运动和驱动。 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Summ it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68 0亿美元。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 。” 商业模式 Bourne表示:“MEMS产业呈波浪式发展,我们看到已涌现出压力传感器、加速计和镜光 学器件,下一波将是RF、微型继电器和开关。它们需求量很大,但是价格压力也很大。 ” 她认为硅片扩音器也是一个新兴领域。在这类器件中,传统扩音器振动膜由一个薄硅片 膜制成。已经有公司如Akustica和丹麦的SonionMEMS A/S正在进行这方面的开发,Akus tica同时也在研究硅发声装置的可能性。虽然尺寸小会限制输0出功率,但这类元件能很 好适用于助听应用领域。例如把255只这种硅扬声器放到一个裸片上不仅能提高扬声器的 响度,而且还可以对这种微型扬声器进行8位数字选址。同样,多个扩音器和扩音器阵列 配置也能开发出新的应用领域,这种有方向的扩音器可以沿着一个空间排列,如汽车或 家庭内部,这样捕捉到的声音还带有位置信息。 Bourne表示:“我们所见到的是MEMS领域划分得非常清晰。”的确,新兴公司和老牌芯 片及整机公司都在运输、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 一个应用部分。至于微电子方面,MEMS正成为一种可以服务于多个垂直市场的水平技术 。 她还指出:“传统半导体制造商表现出很大的兴趣,但是这或许只是对其领域所出现问 题的‘膝跳反应’。毕竟工艺技术完全不同。” 但真的不同吗?TIMA及其他一些机构指出,如果能使用标准工艺,即使是改进的最基本 IC工艺也有很多优点,因此硅片MEMS、MOEMS(微光机电系统)和常规IC制造之间的区别只 是程度不同。 情况确实就是这样,进军MEMS对小的芯片制造商来讲更具吸引力,因为他们正受到上游 集成器件制造商(IDM)和台湾地区代工厂的冲击。由于这些小芯片公司无法承担深亚微米 工艺技术开发和设立新工厂,他们必须找到市场切入点或完全放弃制造。 值得注意的是飞兆半导体和奥地利微系统公司已把MEMS加入到其能生产的器件范围,位 于加利福尼亚的Xicor 6英寸晶圆厂被Standard MEMS公司收购而转向生产MEMS,而卓联 半导体把在英国普里茅斯的晶圆厂卖给了德国X-Fab Foundries公司,后者自称是一家混 合信号和MEMS器件代工厂。 但是还应看到迄今为止所出售的绝大多数MEMS都是由主要的半导体公司如摩托罗拉、模 拟器件和TI所生产的,意法半导体也正在扩大在该领域的研究。 对于能负担深亚微米CMOS工艺技术研究的大型芯片制造商来说,MEMS的吸引力在于能使 旧的工艺技术和经多年制造已摊销完了的晶圆厂产生更多利润。换言之,微电子领域快 淘汰的工艺在硅片MEMS制造中可以成为领先技术。 Bourne对此表示赞同,她说:“是的,很多常规IC工厂说他们能够做。但这也并不容易 ,需要非常专业同时又很紧缺的技术,这些技术主要都在大学和新兴公司里。” 她补充道,代工贸易模式的发展帮助了无晶圆厂元器件开发商,促进了专用MEMS代工厂 的发展,如Standard MEMS、Intellisense和Cronos等公司。此外“50%的新兴公司拥有 自己的工厂设备,但还需要有了解工艺技术的人才。”由此也突出了对培训的需求。 意法半导体公司MEMS事业部经理Benedetto Vigna介绍说:“意法对MEMS的研究是战略性 的,主要原因是我们要通过开发硅的不同特性来应对新的市场。因为MEMS可以用1微米工 艺制造,这就是说我们能利用现有的生产设施。” 该公司一直是惠普公司热式喷墨打印头的供应商,此外它开发了系列惯性传感器,包括 角度和线性加速计,并为安捷伦开发了热式光开关。意法半导体在表明硅片MEMS市场开 发方向的同时,还与一家有雄厚财力支持的加州新兴公司Onix Microsystems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,用于Onix公司的光开关 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的优先级没那么高,所以我们没有进行商业开发,虽然我们感兴 趣的重要领域之一是用机械开关取代砷化镓固态开关。” 按照Vigna的说法,业界演示的产品还存在可靠性问题。“如果是在手机中应用,你需要 很低的启动电压,希望是5V以下,虽然手机制造商可能允许12~15V,如果他们再需要4 0V用于有机发光显示器,我们可能就不用那么低的电压。” 有一些新兴公司如MicroLab声称已为市场准备好了RF开关,但这些器件是分立的还是与 SoC集成在一起尚有待观察。 等待标准 Vigna说:“我还是没有看到像CMOS那样的通用MEMS工艺出现,所以现在还存在各种工艺 ,但将来会走向统一,包括在EDA、设计、测试等各方面。标准一旦出现就能促使出现一 些简化工艺,我们如果能固定到2~3个工艺平台上,将可以缩短MEMS进入市场的时间, 因为通过经验积累它们将变得更可靠。我相信最成功的方法是在封装级集成CMOS和MEMS 模块,你可以销售带凸点的MEMS裸片以便进行倒装焊集成。” 他介绍说:“我们正在推进两三个主流工艺,最主要的是Thelma(微加速计厚外延层), 这是一个0.8微米工艺,带有厚多晶硅层结构和薄多晶硅互连。” 该技术允许通过几个“锚点”(anchor point)将硅片结构焊接在基底上,但可以在与基 底本身平行的平面上自由移动。为了与传统塑封技术兼容,在传感元件上部放置一个封 帽以避免成型时对移动部件造成污染。 微驱动部件也使用类似的工艺,但没有封帽,而是增加一个灵活的钝化层。Onix在微镜 部件上则使用第三种工艺,这是因为Thelma的多晶硅没有制造镜面抛光的单晶硅好。 那么MEMS的设计自动化工具将如何发展?Vigna的回答是“很慢”。他认为:“当设计成 为一门科学时EDA工具很有用,但是现在MEMS更像模拟电路,首先你需要标准工艺,然后 才能得到标准的设计工具。”尽管现在的工艺技术有很多种,但在这方面还是涌现了一 些第三方EDA工具供应商,如Ansys和Coventor等公司。 正如半导体设备制造商一样,主要的EDA供应商如Cadence等正开始把MEMS当作一门截然 不同的工程学科来对待。 Memscap本身是已一家MEMS设计自动化工具供应商,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,开发了一些支持这些应用的工艺。更引人 注目的是它在法国格勒诺布尔本部附近建设了一个专门的MEMS晶圆厂,并通过许可协议 资助台湾地区的华新丽华公司建设晶圆厂。 Memscap总裁兼首席执行官Jean-Michel Karam表示:“我们和华新丽华的关系非常紧密 。我们帮助他们建设晶圆厂,由我们做光学部分,他们做无线部分,这样我们可以得到 双方的技术很快进入市场,我们两家都会有第二供应商。” Karam认为建设晶圆厂是启动MEMS市场所需投资的一部分。他说:“很多公司都说他们有 RF MEMS开关,但在诺基亚开始应用RF MEMS之前,他要了解的是你是否有每年供应一亿 只的能力,你需要为大批量做好准备。” Karam认为业界会得到标准化。他解释说:“ 赚钱的最佳方法是尽量减少工艺数量,改动是在设计中而不是在工艺中,从技术上讲这 样并不容易。” 他指出,其结果是在每个工业领域都有一些工艺变成“标准的”用于不同的大批量应用 ,一旦工艺标准化之后,经济压力将驱动MEMS设计师不加修改地应用这些工艺。 灵活与稳定 人们也许会期望意法半导体的Vigna预测主要的半导体公司以后将在MEMS上获取收益,毕 竟意法有批量生产的经验,在全世界都有晶圆厂可以插入MEMS工艺,同时与多家主要客 户有密切的联系。 他表示:“大公司喜欢与大公司打交道,如果出了问题,这家大公司会控告另一家公司 ,所以一般不会出问题。当然新兴公司更加敏捷,更加灵活并完全专注在MEMS上。”他 也给MEMS企业提出了另一种方法,即将大公司的批量生产能力与新兴公司的灵活与专注 结合起来。 他相信:“第一个将MEMS部门分离出来的大公司一定会成功。”不过他否认意法半导体 有让MEMS部门独立的计划。 1999年从模拟器件公司分出来的Memsic就是一个很好的例子,尽管模拟器件公司还保留 了自己的MEMS业务。事实上,Memsic还显示出另一发展趋势,即中国大陆和台湾地区的 崛起。大陆与台湾 Memsic由北京大学研究生毕业的赵阳创办,他于1993~1999年间任职于模拟器件公司微 加工产品部。 赵阳对热加速计特别感兴趣,于是说服模拟器件公司让他带走该技术进行开发,作为回 报模拟器件公司可在新公司里持有一定股份。他对于在MEMS上应用CMOS工艺技术深信不 疑,现已做出高集成度加速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CMOS MEMS上,成功的唯一途径是依赖现有技术,开 始发明之前应尽可能多地进行仿制。”Memsic利用台积电作为代工厂生产0.6微米逻辑电 路,然后将6英寸晶圆拿回来放到无锡的分公司制作MEMS结构。这样做的确限制了Memsi c,无法采用低温后道CMOS加工以避免破坏晶圆上的电路,但这正是Memsic开发的技术。 赵阳表示:“这就是说我们可以把设计拿到任何一个代工厂,即使必须修改设计才能符 合工艺我们也愿意去做。台积电没有MEMS工艺,所以这部分我们自己做。” 但台积电是Memsic的投资方之一,它会长期都没有MEMS部门吗? 在上海有几家8英寸晶圆代工厂正在建设,投资上百亿美元,因此中国将成为芯片生产的 中心之一。台湾地区的代工厂也许会开发更加专业化的工艺,包括支持MEMS的工艺,以 便在他们的旧工厂里运行。台积电技术总监胡正明在最近一次接受EE Times采访时说道 :“我们有兴趣涉入更多MEMS业务,前提是所需要的技术与我们基本半导体制造技术合 拍。......我把CMOS技术看成是一种上面能放光器件、MEMS甚至碳纳米管的平台。” Roger Grace认为:“中国大陆和台湾地区都在加紧发展MEMS,他们想在MEMS上做出微电 子那样的成就来,我们需要密切注视这一现象。” 未来充满不确定性因素 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,标准化将使人们抛弃一些 在硅片制造中喜欢使用的技术。在美国,反应敏捷富有创意的新兴公司将把MEMS应用推 向前进;在欧洲,几个分离出来的公司也不甘人后;而中国大陆和台湾地区则将在MEMS 上重复他们在微电子制造领域所取得的成功。 但是不要指望MEMS会像微电子在20世纪60和70年代那样突然兴旺起来,MEMS领域仍然变 化多端且困难重重。MEMS是微电子加微机械,在所有工业领域具有上百种应用。从这点 来看可以期望MEMS市场的长期发展会比“纯粹的”微电子要好,随着代工服务的发展, 工程师将越来越多地使他们的设计适应工艺技术。也许MEMS现在能起飞最重要的原因是 微机械分析的复杂性随着千兆赫兹处理器的出现在工程师桌面就能解决,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”远远抛在后面。 作者:Peter Clarke -- ※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn



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