[導讀]相對于CMOS工藝，MEMS的復雜性在于其涉及機械、聲學、光電、化學、生物等多學科，而兩者都離不開EDA軟件工具的輔助設計來完成這些復雜工作，縮短開發(fā)時間、降低成本。MEMS設計工具供應商Coventor中國區(qū)MEMS產品經理覃
相對于CMOS工藝，MEMS的復雜性在于其涉及機械、聲學、光電、化學、生物等多學科，而兩者都離不開EDA軟件工具的輔助設計來完成這些復雜工作，縮短開發(fā)時間、降低成本。MEMS設計工具供應商Coventor中國區(qū)MEMS產品經理覃裕平在介紹其“MEMSIC”的通用開發(fā)平臺時指出，傳統(tǒng)面向CMOSASIC的MEMS芯片總是單獨進行設計，此外MEMS結構的設計采用三維CAD系統(tǒng)，當把MEMS設計轉移到半導體電路模擬器和驗證工具時，對工藝參數(shù)進行繁瑣的手工翻譯會帶來諸多不便。MEMS與IC設計流程的割離導致了冗長的開發(fā)周期和高額成本。Coventor通過與Cadence合作，于今年10月推出了MEMS設計平臺，集成CadenceVirtuosoIC設計環(huán)境，更好地實現(xiàn)了“MEMS結合IC”設計流程的整合與標準化。MEMS參數(shù)化設計版式提供了新的標準，使得MEMS生態(tài)系統(tǒng)內的各個合作伙伴間的通訊更加便利。MEMS涵蓋了目前MEMS設計所有動作定義，并不斷更新定義庫如微流體等。
CadenceVCADAPAC模擬/混合信號設計經理張劍云指出，混合信號和MEMS的集成有著復雜的流程，需要保證MEMS設計與IC設計的無縫結合。傳統(tǒng)上，MEMS設計流程采用從建模到有限元模擬的自頂向下方法，CadenceSIMPLI提供了MEMS和IC設計者間的橋梁，可以幫助降低集成風險和成本、加速混合信號/MEMS設計上市時間，如在發(fā)布MEMSIP同時保護設計詳情安全性、在CMOS設計集成時不改變IC流程，以及管理EDA流程中MEMS引起的寄生效應，復用并遷移MEMS設計IP等。他表示，EDA工具觸角很廣，利用在ASIC的EDA經驗，可幫助用戶將MEMS與ASIC很好地結合，而未來MEMS商機無限。
MEMS制造的兩面性
MEMS加工方法采用傳統(tǒng)的半導體制造工藝，如光刻、刻蝕、鍵合互連等，但由于MEMS器件結構的特殊性，其加工需要特殊的裝置。來自MEMS領域設備供應商SUSSMicroTec的中國總經理龔里表示，對于MEMS的深溝槽工藝，涂膠往往不能保證很好的臺階覆蓋均勻性，需要采用噴膠方法；MEMS還要采用雙面光刻機和大景深光刻，雙面曝光的對準是MEMS光刻的關鍵，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節(jié)/對準的機械方法，而目前更多則是采用雙聚焦顯微鏡方法對準。上海微電子裝備有限公司副總工程師周暢表示，隨著MEMS/TSV對光刻工藝要求的不斷提高，步進投影光刻機的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，公司也首次推出投影式光刻機SSB500系列，可處理200mm和300mm晶圓，希望藉平臺化的配置兼容MEMS和CMOS產品。龔里還指出，MEMS與CMOS集成鍵合時，溫度不能超過450oC，否則容易產生應力、破壞微結構和引起失效，但采用等離子體預處理后，無需高溫退火，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行測試，在早期對產品進行功能測試、可靠性分析及失效分析可以降低產品成本和加速上市時間。而MEMS器件的多樣性也使得測試成為一項極具挑戰(zhàn)的工作。龔里說，MEMS除了電激勵外，還需測量聲、光、振動、流體、壓力、溫度或化學等激勵的輸入輸出。MEMS的晶圓級測試需在真空或特殊氣體等可控的環(huán)境下進行，通用的封閉平臺可以測試RFMEMS、諧振器等器件，以及像加速度計和陀螺儀之類的慣性傳感器。上海微系統(tǒng)所教授、傳感技術國家重點實驗室主任李昕欣博士表示，MEMS設計、制造和封裝都可以從CMOSIC借鑒，唯一難借鑒的是測試，測試將成為MEMS產業(yè)的瓶頸。
成品率是Fab的生命，對于MEMS也同樣重要，因此作為MEMS成品率提升的關鍵技術MVD（分子氣相沉積）倍受關注。來自宇燦股份有限公司的趙先忠在介紹AppliedMicroStructures的MVD技術時表示，如MEMS傳感器的具有高深寬比的梳狀(Comb)結構和MEMS微麥克風的薄膜等，容易出現(xiàn)結構間沾粘的問題。使用MVD沉積抗粘薄膜涂層后，沾粘問題將可迎刃而解，對于MEMS制造而言，成品率可提升約14%。MVD具有低成本、環(huán)境友好、高質量薄膜沉積特點，目前全球各大MEMS大廠均已采用MVD設備。
Fabless與Fab模式
面對爆炸式成長的MEMS市場，無論是Fabless或Fab都自然不會放過這個“蛋糕”，隨著晶圓代工大廠TSMC、UMC和SMIC的強勢進入，而諸如ASMC這樣特制化的代工廠也獨辟蹊徑，一場MEMS代工的“暗戰(zhàn)”拉開帷幕。
耕耘于MEMS領域10年之久的美新半導體（MEMSIC）依靠Fab-lite模式成為國內MEMS成功的典范，MEMSICR&D經理楊宏愿指出，將CMOS與MEMS集成是MEMSIC成功的重要因素。他表示，創(chuàng)新的運動傳感器技術加速了MEMS價格的降低，MEMSIC的目標是將陽春白雪的高端傳感器拉下神壇，成為普遍型的應用產品。MEMSIC目前正在開發(fā)由3軸地磁傳感器和2軸加速計組成的5軸定位系統(tǒng)，未來將開發(fā)6軸方案，而地磁傳感器將是下一個像加速計的產品。
TSMC主流技術事業(yè)發(fā)展處長劉信生表示，成功的廠商需要在1年內推出產品，而目前近60億美元的MEMS產業(yè)已經有相當多的高手，因此選好代工伙伴對于MEMS廠商非常關鍵。MEMS的進一步成長必須利用好現(xiàn)有CMOS的投資和基礎設施。他指出，目前工藝已從4、6寸轉向8寸，選擇的合作伙伴需要有長遠的線路圖，而不僅僅是一兩代的產品計劃。
上海先進半導體（ASMC）COO孫臻則認為，MEMS產業(yè)有別于半導體(IC)產業(yè)引導下游終端產品邁向經濟規(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，來提升現(xiàn)有終端產品的附加價值，以維護產品在市場上的獨特競爭利基。他表示，ASMC推出自己業(yè)務模式，以量至上，快速達到一定經濟規(guī)模，再以有競爭力的成本，結合其他MEMS技術，共同拓寬市場需求量。
MEMS不走尋常路？
據(jù)YoleDéveloppement預測，2010年及隨后四年內MEMS市場將重啟12%的年比凈增長率，而MEMS代工將超過25%增長率。當前的經濟衰退使得許多系統(tǒng)制造商停止內部制造，轉向外包代工；晶圓級封裝和采用TSV的3-D芯片堆疊也將驅動MEMS代工的成長。面對未來的巨大成長空間，MEMS是走CMOSIC的專業(yè)標準化合作之路還是走非標準的特殊工藝之路？來自學術界和產業(yè)界的專家也針對于此展開了激烈的辯論。
北京大學李志宏教授認為，“OneMEMS,OneProcess”，MEMS的模式開始應該是從不標準到標準再到不標準。MEMS的機械部分是IC所沒有的，起始之路是不標準的；然后由于制造成本昂貴，MEMS廠商可能尋求Foundry和標準的工藝，但無疑會犧牲MEMS器件本身的特點和性能，因此有一個階段MEMS會向幾個標準化方向靠近；但是最終，MEMS會出現(xiàn)很多不同的分支，呈現(xiàn)不標準化。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，設計也不同，且客戶對于MEMS產品的需求多樣化，沒有辦法去標準化。上海交大微納科學技術研究院趙小林教授表示，硅基MEMS可能走向標準化IC工藝，但還有很多非硅、流體或磁MEMS產品，這些要形成標準化非常困難。ASMC的孫臻表示，每個MEMS公司都有自己產品的競爭優(yōu)勢，而Foundry所做的更多是降低成本。因MEMS系統(tǒng)設計涉及光、機、電與材料等技術領域，量小品種多，不易發(fā)展出標準化的產出模式，因此產業(yè)鏈還需要一點時間醞釀。而目前MEMS大廠也以IDM居多。對于中國MEMS產業(yè)來說，更多的需要通過合作形成一個“虛擬MEMSIDM”。[!--empirenews.page--]
上海復旦大學鮑敏航教授說，MEMS產業(yè)已有很多成功者，但是更多的還是在研發(fā)，要把產品進行量產，但很多公司沒有太多資金去建立生產線，因此需要實現(xiàn)工藝的標準化，小公司就有機會通過Foundry去實現(xiàn)產品化，而MEMS產業(yè)也因此獲得更多創(chuàng)新產品，未來表面硅工藝會慢慢取代體硅工藝。Coventor的覃裕平和Cadence的張劍云同時指出，需求是行業(yè)發(fā)展的最終動力，要走大眾化消費品的路線，MEMS必須標準化，否則成本很難降低。MEMSIC的楊宏愿認為，MEMS必須標準化是個商業(yè)考量，它需要通過標準化來降低成本和獲得利潤。盡管市場上存在許多種MEMS，但最終市場會做出選擇，如果有些不適合產業(yè)化，就會“慢慢死”。TSMC的劉信生表示，MEMS的發(fā)展離不開CMOS，對于MEMS產品，不僅要在實驗室獲得成果，更重要的是在市場上實現(xiàn)規(guī)?；@得利潤，與標準CMOS工藝的融合則是助其成功的最大利器。
MEMS市場機會均等
回顧主要的MEMS業(yè)者，部分公司已經完全或部分停止了其MEMS產品，如Delphi、Continental、Colibrys、SystronDonnerAutomotive，而另外一些則獲得了巨大的業(yè)務成長，如InvenSense、Kionix、STMicroelectronics、SiTime。對于迅速膨脹、尚未探明方向的MEMS市場，未來一切都是未知數(shù)。就像傳感技術國家重點實驗室主任李昕欣教授所說，“現(xiàn)在是MEMS的戰(zhàn)國時代，沒有英雄可以崇拜，人人都有機會”。在MEMS產業(yè)成為下一個市場熱點之際，找準自己的方向也許才是突出重圍之道。
CadenceVCADAPAC模擬/混合信號設計經理張劍云指出，混合信號和MEMS的集成有著復雜的流程，需要保證MEMS設計與IC設計的無縫結合。傳統(tǒng)上，MEMS設計流程采用從建模到有限元模擬的自頂向下方法，CadenceSIMPLI提供了MEMS和IC設計者間的橋梁，可以幫助降低集成風險和成本、加速混合信號/MEMS設計上市時間，如在發(fā)布MEMSIP同時保護設計詳情安全性、在CMOS設計集成時不改變IC流程，以及管理EDA流程中MEMS引起的寄生效應，復用并遷移MEMS設計IP等。他表示，EDA工具觸角很廣，利用在ASIC的EDA經驗，可幫助用戶將MEMS與ASIC很好地結合，而未來MEMS商機無限。
MEMS制造的兩面性
MEMS加工方法采用傳統(tǒng)的半導體制造工藝，如光刻、刻蝕、鍵合互連等，但由于MEMS器件結構的特殊性，其加工需要特殊的裝置。來自MEMS領域設備供應商SUSSMicroTec的中國總經理龔里表示，對于MEMS的深溝槽工藝，涂膠往往不能保證很好的臺階覆蓋均勻性，需要采用噴膠方法；MEMS還要采用雙面光刻機和大景深光刻，雙面曝光的對準是MEMS光刻的關鍵，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節(jié)/對準的機械方法，而目前更多則是采用雙聚焦顯微鏡方法對準。上海微電子裝備有限公司副總工程師周暢表示，隨著MEMS/TSV對光刻工藝要求的不斷提高，步進投影光刻機的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，公司也首次推出投影式光刻機SSB500系列，可處理200mm和300mm晶圓，希望藉平臺化的配置兼容MEMS和CMOS產品。龔里還指出，MEMS與CMOS集成鍵合時，溫度不能超過450oC，否則容易產生應力、破壞微結構和引起失效，但采用等離子體預處理后，無需高溫退火，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行測試，在早期對產品進行功能測試、可靠性分析及失效分析可以降低產品成本和加速上市時間。而MEMS器件的多樣性也使得測試成為一項極具挑戰(zhàn)的工作。龔里說，MEMS除了電激勵外，還需測量聲、光、振動、流體、壓力、溫度或化學等激勵的輸入輸出。MEMS的晶圓級測試需在真空或特殊氣體等可控的環(huán)境下進行，通用的封閉平臺可以測試RFMEMS、諧振器等器件，以及像加速度計和陀螺儀之類的慣性傳感器。上海微系統(tǒng)所教授、傳感技術國家重點實驗室主任李昕欣博士表示，MEMS設計、制造和封裝都可以從CMOSIC借鑒，唯一難借鑒的是測試，測試將成為MEMS產業(yè)的瓶頸。
成品率是Fab的生命，對于MEMS也同樣重要，因此作為MEMS成品率提升的關鍵技術MVD（分子氣相沉積）倍受關注。來自宇燦股份有限公司的趙先忠在介紹AppliedMicroStructures的MVD技術時表示，如MEMS傳感器的具有高深寬比的梳狀(Comb)結構和MEMS微麥克風的薄膜等，容易出現(xiàn)結構間沾粘的問題。使用MVD沉積抗粘薄膜涂層后，沾粘問題將可迎刃而解，對于MEMS制造而言，成品率可提升約14%。MVD具有低成本、環(huán)境友好、高質量薄膜沉積特點，目前全球各大MEMS大廠均已采用MVD設備。
Fabless與Fab模式
面對爆炸式成長的MEMS市場，無論是Fabless或Fab都自然不會放過這個“蛋糕”，隨著晶圓代工大廠TSMC、UMC和SMIC的強勢進入，而諸如ASMC這樣特制化的代工廠也獨辟蹊徑，一場MEMS代工的“暗戰(zhàn)”拉開帷幕。
耕耘于MEMS領域10年之久的美新半導體（MEMSIC）依靠Fab-lite模式成為國內MEMS成功的典范，MEMSICR&D經理楊宏愿指出，將CMOS與MEMS集成是MEMSIC成功的重要因素。他表示，創(chuàng)新的運動傳感器技術加速了MEMS價格的降低，MEMSIC的目標是將陽春白雪的高端傳感器拉下神壇，成為普遍型的應用產品。MEMSIC目前正在開發(fā)由3軸地磁傳感器和2軸加速計組成的5軸定位系統(tǒng)，未來將開發(fā)6軸方案，而地磁傳感器將是下一個像加速計的產品。
TSMC主流技術事業(yè)發(fā)展處長劉信生表示，成功的廠商需要在1年內推出產品，而目前近60億美元的MEMS產業(yè)已經有相當多的高手，因此選好代工伙伴對于MEMS廠商非常關鍵。MEMS的進一步成長必須利用好現(xiàn)有CMOS的投資和基礎設施。他指出，目前工藝已從4、6寸轉向8寸，選擇的合作伙伴需要有長遠的線路圖，而不僅僅是一兩代的產品計劃。
上海先進半導體（ASMC）COO孫臻則認為，MEMS產業(yè)有別于半導體(IC)產業(yè)引導下游終端產品邁向經濟規(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，來提升現(xiàn)有終端產品的附加價值，以維護產品在市場上的獨特競爭利基。他表示，ASMC推出自己業(yè)務模式，以量至上，快速達到一定經濟規(guī)模，再以有競爭力的成本，結合其他MEMS技術，共同拓寬市場需求量。
MEMS不走尋常路？
據(jù)YoleDéveloppement預測，2010年及隨后四年內MEMS市場將重啟12%的年比凈增長率，而MEMS代工將超過25%增長率。當前的經濟衰退使得許多系統(tǒng)制造商停止內部制造，轉向外包代工；晶圓級封裝和采用TSV的3-D芯片堆疊也將驅動MEMS代工的成長。面對未來的巨大成長空間，MEMS是走CMOSIC的專業(yè)標準化合作之路還是走非標準的特殊工藝之路？來自學術界和產業(yè)界的專家也針對于此展開了激烈的辯論。
北京大學李志宏教授認為，“OneMEMS,OneProcess”，MEMS的模式開始應該是從不標準到標準再到不標準。MEMS的機械部分是IC所沒有的，起始之路是不標準的；然后由于制造成本昂貴，MEMS廠商可能尋求Foundry和標準的工藝，但無疑會犧牲MEMS器件本身的特點和性能，因此有一個階段MEMS會向幾個標準化方向靠近；但是最終，MEMS會出現(xiàn)很多不同的分支，呈現(xiàn)不標準化。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，設計也不同，且客戶對于MEMS產品的需求多樣化，沒有辦法去標準化。上海交大微納科學技術研究院趙小林教授表示，硅基MEMS可能走向標準化IC工藝，但還有很多非硅、流體或磁MEMS產品，這些要形成標準化非常困難。ASMC的孫臻表示，每個MEMS公司都有自己產品的競爭優(yōu)勢，而Foundry所做的更多是降低成本。因MEMS系統(tǒng)設計涉及光、機、電與材料等技術領域，量小品種多，不易發(fā)展出標準化的產出模式，因此產業(yè)鏈還需要一點時間醞釀。而目前MEMS大廠也以IDM居多。對于中國MEMS產業(yè)來說，更多的需要通過合作形成一個“虛擬MEMSIDM”。[!--empirenews.page--]
上海復旦大學鮑敏航教授說，MEMS產業(yè)已有很多成功者，但是更多的還是在研發(fā)，要把產品進行量產，但很多公司沒有太多資金去建立生產線，因此需要實現(xiàn)工藝的標準化，小公司就有機會通過Foundry去實現(xiàn)產品化，而MEMS產業(yè)也因此獲得更多創(chuàng)新產品，未來表面硅工藝會慢慢取代體硅工藝。Coventor的覃裕平和Cadence的張劍云同時指出，需求是行業(yè)發(fā)展的最終動力，要走大眾化消費品的路線，MEMS必須標準化，否則成本很難降低。MEMSIC的楊宏愿認為，MEMS必須標準化是個商業(yè)考量，它需要通過標準化來降低成本和獲得利潤。盡管市場上存在許多種MEMS，但最終市場會做出選擇，如果有些不適合產業(yè)化，就會“慢慢死”。TSMC的劉信生表示，MEMS的發(fā)展離不開CMOS，對于MEMS產品，不僅要在實驗室獲得成果，更重要的是在市場上實現(xiàn)規(guī)?；@得利潤，與標準CMOS工藝的融合則是助其成功的最大利器。
MEMS市場機會均等
回顧主要的MEMS業(yè)者，部分公司已經完全或部分停止了其MEMS產品，如Delphi、Continental、Colibrys、SystronDonnerAutomotive，而另外一些則獲得了巨大的業(yè)務成長，如InvenSense、Kionix、STMicroelectronics、SiTime。對于迅速膨脹、尚未探明方向的MEMS市場，未來一切都是未知數(shù)。就像傳感技術國家重點實驗室主任李昕欣教授所說，“現(xiàn)在是MEMS的戰(zhàn)國時代，沒有英雄可以崇拜，人人都有機會”。在MEMS產業(yè)成為下一個市場熱點之際，找準自己的方向也許才是突出重圍之道。
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