改變未來世界的器件―不可不知的MEMS

MEMS技術(shù)是一個雖有歷史但充滿年輕活力的技術(shù)，誕生于半個世紀以前，興起于二十年前。小小的MEMS有著大大的玄機，與大家耳熟能詳?shù)陌雽?dǎo)體技術(shù)息息相關(guān)，但其制造、設(shè)計、材料等工藝又獨樹一幟，迥異于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝。

一、什么是MEMS

MEMS的概念于20世紀50年代被提出，它是利用集成電路制造技術(shù)和微加工技術(shù)把微結(jié)構(gòu)、微傳感器、控制處理電路甚至接口、通信和電源等制造在一塊或多塊芯片上的微型集成系統(tǒng)，是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成，屬于微電子技術(shù)與機械工程結(jié)合的一種工業(yè)技術(shù)。在日本MEMS被稱為微機械(Micro-machines)，歐洲更多地將其定義為微系統(tǒng)(Micro-systems)。此外，操作范圍在納米級的MEMS系統(tǒng)被稱為納機電系統(tǒng)(Nano- Electro- Mechanical System, 簡稱NEMS)。

二、典型的MEMS系統(tǒng)

典型的MEMS系統(tǒng)如下圖所示，由傳感器、信息處理單元、執(zhí)行器以及通訊/接口單元等組成。MEMS輸入端獲取力、聲、光等物理信號，通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為能夠被電子系統(tǒng)識別、處理的電信號，由執(zhí)行器實現(xiàn)對外部介質(zhì)的操作。

圖1典型的MEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三.MEMS技術(shù)的重點發(fā)展方向

MEMS技術(shù)自20世紀80年代末開始受到世界各國的廣泛重視，從初始研究的重點方向看，其主要技術(shù)途徑有三種：

● 以美國為代表的、以集成電路加工技術(shù)為基礎(chǔ)的硅基微加工技術(shù);

● 以德國為代表發(fā)展起來的LIGA技術(shù);

● 以日本為代表發(fā)展的精密加工技術(shù)。

四.MEMS制造的關(guān)鍵技術(shù)

典型的MEMS加工技術(shù)主要劃分為：硅基MEMS加工技術(shù)和非硅基MEMS加工技術(shù)。

(1)硅基材料MEMS加工技術(shù)

目前主要的體硅工藝包括濕法SOG(玻璃上硅)工藝、干法SOG工藝、正面體硅工藝、SOI(絕緣體上硅)工藝等。體硅MEMS加工技術(shù)的主要特點是對硅襯底材料的深刻蝕，可得到較大縱向尺寸可動微結(jié)構(gòu)。

濕法SOG工藝

SOG工藝是通過陽極鍵合技術(shù)形成牢固的硅—氧鍵將硅圓片與玻璃圓片粘在一起硅作為MEMS器件的結(jié)構(gòu)層玻璃作為MEMS器件的襯底層，如下圖所示。

濕法SOG工藝圖

其結(jié)構(gòu)層由濃硼層形成，對于各向異性的腐蝕液EDP、KOH或者TMAH，當硼摻雜原子濃度不小于1019原子/cm-3時,KOH腐蝕速率下降5～100倍(相對同樣的單晶硅)，對于EDP腐蝕液,腐蝕速率下降250倍，利用各向異性腐蝕液對高摻雜層的低腐蝕速率特性達到腐蝕停止的目的。采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝在濃硼層上形成各種設(shè)計的MEMS結(jié)構(gòu)再與玻璃鍵合,采用自停止腐蝕去除上層多余的單晶硅完成加工。下圖是實物SEM照片。

濕法SOG工藝制作的MEMS陀螺儀

干法SOG工藝

基本工藝結(jié)構(gòu)類似濕法SOG工藝，同濕法SOG工藝相比，干法SOG工藝主要變化在于去掉了濃硼摻雜與濕法腐蝕步驟，而是采用磨拋減薄的工藝形成MEMS芯片的結(jié)構(gòu)層省去高溫長時間硼摻雜會降低對結(jié)構(gòu)層的損傷，也避免了有毒或者容易帶來工藝沾污的濕法腐蝕步驟，這些也是干法SOG加工技術(shù)的優(yōu)點，與濕法SOG一樣干法SOG同樣具有不利于與IC集成的缺點。干法SOG加工技術(shù)適合多種MEMS芯片的加工，如MEMS陀螺儀、MEMS加速度計、MEMS光開關(guān)、MEMS衰減器等。干法SOG加工技術(shù)采用了先鍵合后刻蝕(DRIE)結(jié)構(gòu)的過程如下圖4所示。

圖4 干法SOG工藝

(2)表面MEMS加工技術(shù)

表面MEMS加工技術(shù)又叫表面犧牲層腐蝕技術(shù)，是在集成電路平面工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種MEMS工藝技術(shù)。主要通過在硅片上生長氧化硅、氮化硅、多晶硅等多層薄膜，并將其制作加工成MEMS的“機械”部分，然后使其局部與硅體部分分離，呈現(xiàn)可運動的機構(gòu)。分離主要依靠犧牲層技術(shù)。來完成MEMS器件的制作。利用表面工藝得到的可動微結(jié)構(gòu)的縱向尺寸較小，但與IC工藝的兼容性更好，易與電路實現(xiàn)單片集成。

MEMS表面加工技術(shù)

五.MEMS與生活

MEMS技術(shù)正在全方位地改變我們的生產(chǎn)和生活，它是全球個人娛樂產(chǎn)業(yè)的幕后英雄，是汽車巨頭雄霸市場的撒手锏工業(yè)，是全球工業(yè)4.0背后的隱形功臣，是智慧醫(yī)療不眠的守護神，更是各國之間航空航天角力的硬科技。

如果有人問，智能手機為什么能快速替代傳統(tǒng)手機?答案肯定很多，但有一個原因非常關(guān)鍵，那就是智能手機的用戶體驗，要遠勝于傳統(tǒng)手機，這也是諾基亞無可奈何花落去的必然。而這種遠勝的用戶體檢，相當一部分來自于MEMS技術(shù)在手機中的廣泛而深度地應(yīng)用。

MEMS傳感器在個人娛樂領(lǐng)域的應(yīng)用包括運動/墜落檢測、導(dǎo)航數(shù)據(jù)補償、游戲/人機界面、電源管理、GPS增強/盲區(qū)消除、速度/距離計數(shù)等等，這些MEMS技術(shù)都在很大程度上提高了用戶體驗。

相應(yīng)地，隨著消費電子領(lǐng)域大發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，特別是受益于智能手機和平板電板的快速發(fā)展，消費電子已經(jīng)取代汽車領(lǐng)域成為MEMS最大的應(yīng)用市場。其中手機和平板電腦中的MEMS傳感器幾乎占了消費類電子MEMS傳感器類市場的90%。

六.MEMS產(chǎn)業(yè)格局

MEMS產(chǎn)業(yè)曾是美國、歐盟、日本三分天下之勢，且各有千秋。美國以軍(用)促民(用)，具有無可比擬的MEMS技術(shù)綜合實力;日本則在汽車電子用MEMS、機器人用MEMS等方向能力突出;歐盟在汽車電子用MEMS、消費電子用MEMS占有重要的市場份額。

美國是MEMS技術(shù)、 產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地，其MEMS發(fā)展水平全球領(lǐng)先。美國在發(fā)展MEMS方面，充分發(fā)揮了軍、政、產(chǎn)、學(xué)、研協(xié)同效應(yīng)。美國2016年、2017年、2018年MEMS產(chǎn)業(yè)規(guī)模分別為12.6億美元、14.5億美元、16.1億美元(估算)。

日本在MEMS領(lǐng)域具有與美國相當?shù)膶嵙ΑＴ谌蚯?0 名MEMS巨頭中，日本占有4席，數(shù)量與美國一樣，但企業(yè)規(guī)模略遜于美國;而2015年全球排名前30的MEMS企業(yè)，其中包括了10家日本廠商。特別值得一提的是，日本企業(yè)在汽車用MEMS、機器人用MEMS領(lǐng)域具有全球領(lǐng)先地位。

在歐洲，MEMS通常也被稱為微系統(tǒng)(Micro-systems)。歐盟擁有超過100 家的MEMS 芯片研發(fā)和生產(chǎn)機構(gòu)，從事MEMS研究的技術(shù)人員近萬人，并擁有世界一流的MEMS 研發(fā)基地和環(huán)境設(shè)施。德國2016年、2017年、2018年MEMS產(chǎn)業(yè)規(guī)模分別為5.6億美元、6.4億美元、6.8億美元(估算)。

本文摘自《一砂一世界：一書讀懂MEMS產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與未來集成電路》僅代表作者觀點，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者