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，EDA先行

　　相對于CMOS工藝，MEMS的復(fù)雜性在于其涉及機械、聲學(xué)、光電、化學(xué)、生物等多學(xué)科，而兩者都離不開EDA軟件工具的輔助設(shè)計來完成這些復(fù)雜工作，縮短開發(fā)時間、降低成本。MEMS設(shè)計工具供應(yīng)商Coventor中國區(qū)MEMS產(chǎn)品經(jīng)理覃裕平在介紹其“MEMS+IC”的通用開發(fā)平臺時指出，傳統(tǒng)面向CMOS ASIC的MEMS芯片總是單獨進行設(shè)計，此外MEMS結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用三維CAD系統(tǒng)，當把MEMS設(shè)計轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)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(shè)計流程的割離導(dǎo)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(shè)計平臺，集成Cadence Virtuoso IC設(shè)計環(huán)境，更好地實現(xiàn)了“MEMS結(jié)合IC”設(shè)計流程的整合與標準化。MEMS+參數(shù)化設(shè)計版式提供了新的標準，使得MEMS生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的各個合作伙伴間的通訊更加便利。MEMS+涵蓋了目前MEMS設(shè)計所有動作定義，并不斷更新定義庫如微流體等。

　　Cadence VCAD APAC模擬/混合信號設(shè)計經(jīng)理張劍云指出，混合信號和MEMS的集成有著復(fù)雜的流程，需要保證MEMS設(shè)計與IC設(shè)計的無縫結(jié)合。傳統(tǒng)上，MEMS設(shè)計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)計者間的橋梁，可以幫助降低集成風(fēng)險和成本、加速混合信號/MEMS設(shè)計上市時間，如在發(fā)布MEMS IP同時保護設(shè)計詳情安全性、在CMOS設(shè)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(yīng)，復(fù)用并遷移MEMS設(shè)計IP等。他表示，EDA工具觸角很廣，利用在ASIC的EDA經(jīng)驗，可幫助用戶將MEMS與ASIC很好地結(jié)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(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。來自MEMS領(lǐng)域設(shè)備供應(yīng)商SUSS MicroTec的中國總經(jīng)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(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SS B500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(chǎn)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(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(chǎn)品進行功能測試、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(xué)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RF MEMS、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。

　　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(guān)鍵技術(shù)MVD(分子氣相沉積)倍受關(guān)注。來自宇燦股份有限公司的趙先忠在介紹Applied MicroStructures的MVD技術(shù)時表示，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(zhì)量薄膜沉積特點，目前全球各大MEMS大廠均已采用MVD設(shè)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(lǐng)域10年之久的美新半導(dǎo)體(MEMSIC)依靠Fab-lite模式成為國內(nèi)MEMS成功的典范，MEMSIC RD經(jīng)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(shù)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(yīng)用產(chǎn)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(chǎn)品。

　　TSMC主流技術(shù)事業(yè)發(fā)展處長劉信生表示，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)有相當多的高手，因此選好代工伙伴對于MEMS廠商非常關(guān)鍵。MEMS的進一步成長必須利用好現(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遠的線路圖，而不僅僅是一兩代的產(chǎn)品計劃。

　　上海先進半導(dǎo)體(ASMC)COO孫臻則認為，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)，來提升現(xiàn)有終端產(chǎn)品的附加價值，以維護產(chǎn)品在市場上的獨特競爭利基。他表示，ASMC推出自己業(yè)務(wù)模式，以量至上，快速達到一定經(jīng)濟規(guī)模，再以有競爭力的成本，結(jié)合其他MEMS技術(shù)，共同拓寬市場需求量。