10.11 改變未來世界的器件，不可不知的MEMS

MEMS技術是一個雖有歷史但充滿年輕活力的技術，誕生於半個世紀以前，興起於二十年前。小小的MEMS有著大大的玄機，與大家耳熟能詳的半導體技術息息相關，但其製造、設計、材料等工藝又獨樹一幟，迥異於傳統的半導體工藝。

1.什麼是MEMS

MEMS的概念於20世紀50年代被提出，它是利用集成電路製造技術和微加工技術把微結構、微傳感器、控制處理電路甚至接口、通信和電源等製造在一塊或多塊芯片上的微型集成系統，是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成，屬於微電子技術與機械工程結合的一種工業技術。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（Micro-systems）。此外，操作範圍在納米級的MEMS系統被稱為納機電系統（Nano- Electro- Mechanical System, 簡稱NEMS）。

2. 典型的MEMS系統

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

典型的MEMS系統結構圖

3.MEMS技術的重點發展方向

MEMS技術自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，其主要技術途徑有三種：

• 以美國為代表的、以集成電路加工技術為基礎的硅基微加工技術；
• 以德國為代表發展起來的LIGA技術；
• 以日本為代表發展的精密加工技術。

4.MEMS製造的關鍵技術

典型的MEMS加工技術主要劃分為：硅基MEMS加工技術和非硅基MEMS加工技術。

（1）硅基材料MEMS加工技術

目前主要的體硅工藝包括溼法SOG(玻璃上硅)工藝、幹法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構。

• 溼法SOG工藝

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

其結構層由濃硼層形成，對於各向異性的腐蝕液EDP、KOH或者TMAH，當硼摻雜原子濃度不小於1019原子/cm^-3時,KOH腐蝕速率下降5～100倍(相對同樣的單晶硅)，對於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。採用深反應離子刻蝕(DRIE)工藝在濃硼層上形成各種設計的MEMS結構再與玻璃鍵合,採用自停止腐蝕去除上層多餘的單晶硅完成加工。下圖是實物SEM照片。

• 幹法SOG工藝

基本工藝結構類似溼法SOG工藝，同溼法SOG工藝相比，幹法SOG工藝主要變化在於去掉了濃硼摻雜與溼法腐蝕步驟，而是採用磨拋減薄的工藝形成MEMS芯片的結構層省去高溫長時間硼摻雜會降低對結構層的損傷，也避免了有毒或者容易帶來工藝沾汙的溼法腐蝕步驟，這些也是幹法SOG加工技術的優點，與溼法SOG一樣幹法SOG同樣具有不利於與IC集成的缺點。幹法SOG加工技術適合多種MEMS芯片的加工，如MEMS陀螺儀、MEMS加速度計、MEMS光開關、MEMS衰減器等。幹法SOG加工技術採用了先鍵合後刻蝕(DRIE)結構的過程如下1-7所示。

（2）表面MEMS加工技術

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

5．MEMS與生活

MEMS技術正在全方位地改變我們的生產和生活，它是全球個人娛樂產業的幕後英雄，是汽車巨頭雄霸市場的撒手鐧工業，是全球工業4.0背後的隱形功臣，是智慧醫療不眠的守護神，更是各國之間航空航天角力的硬科技。

如果有人問，智能手機為什麼能快速替代傳統手機？答案肯定很多，但有一個原因非常關鍵，那就是智能手機的用戶體驗，要遠勝於傳統手機，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，相當一部分來自於MEMS技術在手機中的廣泛而深度地應用。

MEMS傳感器在個人娛樂領域的應用包括運動/墜落檢測、導航數據補償、遊戲/人機界面、電源管理、GPS增強/盲區消除、速度/距離計數等等，這些MEMS技術都在很大程度上提高了用戶體驗。

相應地，隨著消費電子領域大發展及產品創新不斷湧現，特別是受益於智能手機和平板電板的快速發展，消費電子已經取代汽車領域成為MEMS最大的應用市場。其中手機和平板電腦中的MEMS傳感器幾乎佔了消費類電子MEMS傳感器類市場的90%。

6.MEMS產業格局

MEMS產業曾是美國、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佔有重要的市場份額。

美國是MEMS技術、 產品和產業的發源地，其MEMS發展水平全球領先。美國在發展MEMS方面，充分發揮了軍、政、產、學、研協同效應。美國2016年、2017年、2018年MEMS產業規模分別為12.6億美元、14.5億美元、16.1億美元（估算）。

日本在MEMS領域具有與美國相當的實力。在全球前10 名MEMS巨頭中，日本佔有4席，數量與美國一樣，但企業規模略遜於美國；而2015年全球排名前30的MEMS企業，其中包括了10家日本廠商。特別值得一提的是，日本企業在汽車用MEMS、機器人用MEMS領域具有全球領先地位。

在歐洲，MEMS通常也被稱為微系統（Micro-systems）。歐盟擁有超過100 家的MEMS 芯片研發和生產機構，從事MEMS研究的技術人員近萬人，並擁有世界一流的MEMS 研發基地和環境設施。德國2016年、2017年、2018年MEMS產業規模分別為5.6億美元、6.4億美元、6.8億美元（估算）。

END

本文摘自《一砂一世界：一書讀懂MEMS產業的現狀與未來集成電路》