超越摩爾定律的新技術(shù)MEMS

半導(dǎo)體技術(shù)在摩爾定律上似乎走入了瓶頸期，而超越摩爾定律的新興技術(shù)卻受到了眾多公司的青睞，其中MEMS以無(wú)處不在的應(yīng)用潛力攫取了業(yè)界大大小小公司的眼球。

　　MEMS設(shè)計(jì)，EDA先行
 

　　相對(duì)于CMOS工藝，MEMS的復(fù)雜性在于其涉及機(jī)械、聲學(xué)、光電、化學(xué)、生物等多學(xué)科，而兩者都離不開(kāi)EDA軟件工具的輔助設(shè)計(jì)來(lái)完成這些復(fù)雜工作，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低成本。MEMS設(shè)計(jì)工具供應(yīng)商Coventor中國(guó)區(qū)MEMS產(chǎn)品經(jīng)理覃裕平在介紹其“MEMS+IC”的通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)時(shí)指出，傳統(tǒng)面向CMOS ASIC的MEMS芯片總是單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此外MEMS結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用三維CAD系統(tǒng)，當(dāng)把MEMS設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體電路模擬器和驗(yàn)證工具時(shí)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行繁瑣的手工翻譯會(huì)帶來(lái)諸多不便。MEMS與IC設(shè)計(jì)流程的割離導(dǎo)致了冗長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期和高額成本。Coventor通過(guò)與Cadence合作，于今年10月推出了MEMS+設(shè)計(jì)平臺(tái)，集成Cadence Virtuoso IC設(shè)計(jì)環(huán)境，更好地實(shí)現(xiàn)了“MEMS結(jié)合IC”設(shè)計(jì)流程的整合與標(biāo)準(zhǔn)化。MEMS+參數(shù)化設(shè)計(jì)版式提供了新的標(biāo)準(zhǔn)，使得MEMS生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)合作伙伴間的通訊更加便利。MEMS+涵蓋了目前MEMS設(shè)計(jì)所有動(dòng)作定義，并不斷更新定義庫(kù)如微流體等。

　　Cadence VCAD APAC模擬/混合信號(hào)設(shè)計(jì)經(jīng)理張劍云指出，混合信號(hào)和MEMS的集成有著復(fù)雜的流程，需要保證MEMS設(shè)計(jì)與IC設(shè)計(jì)的無(wú)縫結(jié)合。傳統(tǒng)上，MEMS設(shè)計(jì)流程采用從建模到有限元模擬的自頂向下方法，Cadence SIMPLI提供了MEMS和IC設(shè)計(jì)者間的橋梁，可以幫助降低集成風(fēng)險(xiǎn)和成本、加速混合信號(hào)/MEMS設(shè)計(jì)上市時(shí)間，如在發(fā)布MEMS IP同時(shí)保護(hù)設(shè)計(jì)詳情安全性、在CMOS設(shè)計(jì)集成時(shí)不改變IC流程，以及管理EDA流程中MEMS引起的寄生效應(yīng)，復(fù)用并遷移MEMS設(shè)計(jì)IP等。他表示，EDA工具觸角很廣，利用在ASIC的EDA經(jīng)驗(yàn)，可幫助用戶將MEMS與ASIC很好地結(jié)合，而未來(lái)MEMS商機(jī)無(wú)限。

　　MEMS制造的兩面性

　　MEMS加工方法采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝，如光刻、刻蝕、鍵合互連等，但由于MEMS器件結(jié)構(gòu)的特殊性，其加工需要特殊的裝置。來(lái)自MEMS領(lǐng)域設(shè)備供應(yīng)商SUSS MicroTec的中國(guó)總經(jīng)理龔里表示，對(duì)于MEMS的深溝槽工藝，涂膠往往不能保證很好的臺(tái)階覆蓋均勻性，需要采用噴膠方法;MEMS還要采用雙面光刻機(jī)和大景深光刻，雙面曝光的對(duì)準(zhǔn)是MEMS光刻的關(guān)鍵，分立和大功率器件等分辨率要求較低的一般選用掩膜版與掩膜版調(diào)節(jié)/對(duì)準(zhǔn)的機(jī)械方法，而目前更多則是采用雙聚焦顯微鏡方法對(duì)準(zhǔn)。上海微電子裝備有限公司副總工程師周暢表示，隨著MEMS/TSV對(duì)光刻工藝要求的不斷提高，步進(jìn)投影光刻機(jī)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，公司也首次推出投影式光刻機(jī)SS B500系列，可處理200mm和300mm晶圓，希望藉平臺(tái)化的配置兼容MEMS和CMOS產(chǎn)品。龔里還指出，MEMS與CMOS集成鍵合時(shí)，溫度不能超過(guò)450oC，否則容易產(chǎn)生應(yīng)力、破壞微結(jié)構(gòu)和引起失效，但采用等離子體預(yù)處理后，無(wú)需高溫退火，也可牢固地鍵合兩片晶圓。

　　盡管借鑒了IC工藝，但由于MEMS器件的封裝工藝占據(jù)其大部分成本，因此器件需要在封裝之前進(jìn)行測(cè)試，在早期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能測(cè)試、可靠性分析及失效分析可以降低產(chǎn)品成本和加速上市時(shí)間。而MEMS器件的多樣性也使得測(cè)試成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的工作。龔里說(shuō)，MEMS除了電激勵(lì)外，還需測(cè)量聲、光、振動(dòng)、流體、壓力、溫度或化學(xué)等激勵(lì)的輸入輸出。MEMS的晶圓級(jí)測(cè)試需在真空或特殊氣體等可控的環(huán)境下進(jìn)行，通用的封閉平臺(tái)可以測(cè)試RF MEMS、諧振器等器件，以及像加速度計(jì)和陀螺儀之類(lèi)的慣性傳感器。

　　成品率是Fab的生命，對(duì)于MEMS也同樣重要，因此作為MEMS成品率提升的關(guān)鍵技術(shù)MVD(分子氣相沉積)倍受關(guān)注。來(lái)自宇燦股份有限公司的趙先忠在介紹Applied MicroStructures的MVD技術(shù)時(shí)表示，如MEMS傳感器的具有高深寬比的梳狀(Comb)結(jié)構(gòu)和MEMS微麥克風(fēng)的薄膜等，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)間沾粘的問(wèn)題。使用MVD沉積抗粘薄膜涂層后，沾粘問(wèn)題將可迎刃而解，對(duì)于MEMS制造而言，成品率可提升約14%。MVD具有低成本、環(huán)境友好、高質(zhì)量薄膜沉積特點(diǎn)，目前全球各大MEMS大廠均已采用MVD設(shè)備。

　　Fabless與Fab模式

　　面對(duì)爆炸式成長(zhǎng)的MEMS市場(chǎng)，無(wú)論是Fabless或Fab都自然不會(huì)放過(guò)這個(gè)“蛋糕”，隨著晶圓代工大廠TSMC、UMC和SMIC的強(qiáng)勢(shì)進(jìn)入，而諸如ASMC這樣特制化的代工廠也獨(dú)辟蹊徑，一場(chǎng)MEMS代工的“暗戰(zhàn)”拉開(kāi)帷幕。

　　耕耘于MEMS領(lǐng)域10年之久的美新半導(dǎo)體(MEMSIC)依靠Fab-lite模式成為國(guó)內(nèi)MEMS成功的典范，MEMSIC R&D經(jīng)理?xiàng)詈暝钢赋?，將CMOS與MEMS集成是MEMSIC成功的重要因素。他表示，創(chuàng)新的運(yùn)動(dòng)傳感器技術(shù)加速了MEMS價(jià)格的降低，MEMSIC的目標(biāo)是將陽(yáng)春白雪的高端傳感器拉下神壇，成為普遍型的應(yīng)用產(chǎn)品。MEMSIC目前正在開(kāi)發(fā)由3軸地磁傳感器和2軸加速計(jì)組成的5軸定位系統(tǒng)，未來(lái)將開(kāi)發(fā)6軸方案，而地磁傳感器將是下一個(gè)像加速計(jì)的產(chǎn)品。

　　TSMC主流技術(shù)事業(yè)發(fā)展處長(zhǎng)劉信生表示，成功的廠商需要在1年內(nèi)推出產(chǎn)品，而目前近60億美元的MEMS產(chǎn)業(yè)已經(jīng)有相當(dāng)多的高手，因此選好代工伙伴對(duì)于MEMS廠商非常關(guān)鍵。MEMS的進(jìn)一步成長(zhǎng)必須利用好現(xiàn)有CMOS的投資和基礎(chǔ)設(shè)施。他指出，目前工藝已從4、6寸轉(zhuǎn)向8寸，選擇的合作伙伴需要有長(zhǎng)遠(yuǎn)的線路圖，而不僅僅是一兩代的產(chǎn)品計(jì)劃。

　　上海先進(jìn)半導(dǎo)體(ASMC)COO孫臻則認(rèn)為，MEMS 產(chǎn)業(yè)有別于半導(dǎo)體(IC)產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)下游終端產(chǎn)品邁向經(jīng)濟(jì)規(guī)模效益的發(fā)展模式，MEMS著重在以客制化的微加工制程服務(wù)，來(lái)提升現(xiàn)有終端產(chǎn)品的附加價(jià)值，以維護(hù)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的獨(dú)特競(jìng)爭(zhēng)利基。他表示，ASMC推出自己業(yè)務(wù)模式，以量至上，快速達(dá)到一定經(jīng)濟(jì)規(guī)模，再以有競(jìng)爭(zhēng)力的成本，結(jié)合其他MEMS技術(shù)，共同拓寬市場(chǎng)需求量。MEMS不走尋常路

　　據(jù)Yole Développement預(yù)測(cè)，2010年及隨后四年內(nèi)MEMS市場(chǎng)將重啟12%的年比凈增長(zhǎng)率，而MEMS代工將超過(guò)25%增長(zhǎng)率。當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)衰退使得許多系統(tǒng)制造商停止內(nèi)部制造，轉(zhuǎn)向外包代工;晶圓級(jí)封裝和采用TSV的3-D芯片堆疊也將驅(qū)動(dòng)MEMS代工的成長(zhǎng)。面對(duì)未來(lái)的巨大成長(zhǎng)空間，MEMS是走CMOS IC的專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化合作之路還是走非標(biāo)準(zhǔn)的特殊工藝之路?來(lái)自學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的專(zhuān)家也針對(duì)于此展開(kāi)了激烈的辯論。

　　北京大學(xué)李志宏教授認(rèn)為，“One MEMS, One Process”，MEMS的模式開(kāi)始應(yīng)該是從不標(biāo)準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)再到不標(biāo)準(zhǔn)。MEMS的機(jī)械部分是IC所沒(méi)有的，起始之路是不標(biāo)準(zhǔn)的;然后由于制造成本昂貴， MEMS廠商可能尋求Foundry和標(biāo)準(zhǔn)的工藝，但無(wú)疑會(huì)犧牲MEMS器件本身的特點(diǎn)和性能，因此有一個(gè)階段MEMS會(huì)向幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化方向靠近;但是最終，MEMS會(huì)出現(xiàn)很多不同的分支，呈現(xiàn)不標(biāo)準(zhǔn)化。SUSS的龔里表示，MEMS有硅基的、非硅的、氧化礬和氧化鐵的等，材料不同，設(shè)計(jì)也不同，且客戶對(duì)于MEMS產(chǎn)品的需求多樣化，沒(méi)有辦法去標(biāo)準(zhǔn)化。上海交大微納科學(xué)技術(shù)研究院趙小林教授表示，硅基MEMS可能走向標(biāo)準(zhǔn)化IC工藝，但還有很多非硅、流體或磁MEMS產(chǎn)品，這些要形成標(biāo)準(zhǔn)化非常困難。ASMC的孫臻表示，每個(gè)MEMS公司都有自己產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而Foundry所做的更多是降低成本。因MEMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及光、機(jī)、電與材料等技術(shù)領(lǐng)域，量小品種多，不易發(fā)展出標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)出模式，因此產(chǎn)業(yè)鏈還需要一點(diǎn)時(shí)間醞釀。而目前MEMS大廠也以IDM居多。對(duì)于中國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，更多的需要通過(guò)合作形成一個(gè)“虛擬MEMS IDM”。

　　上海復(fù)旦大學(xué)鮑敏航教授說(shuō)，MEMS產(chǎn)業(yè)已有很多成功者，但是更多的還是在研發(fā)，要把產(chǎn)品進(jìn)行量產(chǎn)，但很多公司沒(méi)有太多資金去建立生產(chǎn)線，因此需要實(shí)現(xiàn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，小公司就有機(jī)會(huì)通過(guò)Foundry去實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，而MEMS產(chǎn)業(yè)也因此獲得更多創(chuàng)新產(chǎn)品，未來(lái)表面硅工藝會(huì)慢慢取代體硅工藝。Coventor的覃裕平和Cadence的張劍云同時(shí)指出，需求是行業(yè)發(fā)展的最終動(dòng)力，要走大眾化消費(fèi)品的路線，MEMS必須標(biāo)準(zhǔn)化，否則成本很難降低。MEMSIC的楊宏愿認(rèn)為，MEMS必須標(biāo)準(zhǔn)化是個(gè)商業(yè)考量，它需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)降低成本和獲得利潤(rùn)。盡管市場(chǎng)上存在許多種MEMS，但最終市場(chǎng)會(huì)做出選擇，如果有些不適合產(chǎn)業(yè)化，就會(huì)“慢慢死”。TSMC的劉信生表示，MEMS的發(fā)展離不開(kāi)CMOS，對(duì)于MEMS產(chǎn)品，不僅要在實(shí)驗(yàn)室獲得成果，更重要的是在市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)規(guī)?；@得利潤(rùn)，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的融合則是助其成功的最大利器。