來(lái)源：機(jī)工電子電氣
MEMS技術(shù)是一個(gè)雖有歷史但充滿年輕活力的技術(shù)，誕生于半個(gè)世紀(jì)以前，興起于二十年前。小小的MEMS有著大大的玄機(jī)，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(jì)、材料等工藝又獨(dú)樹(shù)一幟，迥異于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝。
1.什么是MEMS
MEMS的概念于20世紀(jì)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(jī)械按功能要求在芯片上的集成，屬于微電子技術(shù)與機(jī)械工程結(jié)合的一種工業(yè)技術(shù)。在日本MEMS被稱為微機(jī)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(jí)的MEMS系統(tǒng)被稱為納機(jī)電系統(tǒng)（Nano- Electro- Mechanical System, 簡(jiǎn)稱NEMS）。
2. 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(hào)，通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為能夠被電子系統(tǒng)識(shí)別、處理的電信號(hào)，由執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)外部介質(zhì)的操作。
典型的MEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.MEMS技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向
MEMS技術(shù)自20世紀(jì)80年代末開(kāi)始受到世界各國(guó)的廣泛重視，從初始研究的重點(diǎn)方向看，其主要技術(shù)途徑有三種：
- 以美國(guó)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(guó)為代表發(fā)展起來(lái)的LIGA技術(shù)；
- 以日本為代表發(fā)展的精密加工技術(shù)。
4.MEMS制造的關(guān)鍵技術(shù)
典型的MEMS加工技術(shù)主要?jiǎng)澐譃椋汗杌鵐EMS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(diǎn)是對(duì)硅襯底材料的深刻蝕，可得到較大縱向尺寸可動(dòng)微結(jié)構(gòu)。
SOG工藝是通過(guò)陽(yáng)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。
其結(jié)構(gòu)層由濃硼層形成，對(duì)于各向異性的腐蝕液EDP、KOH或者TMAH，當(dāng)硼摻雜原子濃度不小于1019原子/cm-3時(shí),KOH腐蝕速率下降5～100倍(相對(duì)同樣的單晶硅)，對(duì)于EDP腐蝕液,腐蝕速率下降250倍，利用各向異性腐蝕液對(duì)高摻雜層的低腐蝕速率特性達(dá)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(jì)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(shí)物SEM照片。
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(zhǎng)時(shí)間硼摻雜會(huì)降低對(duì)結(jié)構(gòu)層的損傷，也避免了有毒或者容易帶來(lái)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(diǎn)，與濕法SOG一樣干法SOG同樣具有不利于與IC集成的缺點(diǎn)。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(jì)、MEMS光開(kāi)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(guò)程如下1-7所示。
（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(lái)的一種MEMS工藝技術(shù)。主要通過(guò)在硅片上生長(zhǎng)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(jī)械”部分，然后使其局部與硅體部分分離，呈現(xiàn)可運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。分離主要依靠犧牲層技術(shù)。來(lái)完成MEMS器件的制作。利用表面工藝得到的可動(dòng)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(shí)現(xiàn)單片集成。
5．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(gè)人娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)的幕后英雄，是汽車巨頭雄霸市場(chǎng)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(hù)神，更是各國(guó)之間航空航天角力的硬科技。
如果有人問(wèn)，智能手機(jī)為什么能快速替代傳統(tǒng)手機(jī)？答案肯定很多，但有一個(gè)原因非常關(guān)鍵，那就是智能手機(jī)的用戶體驗(yàn)，要遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)手機(jī)，這也是諾基亞無(wú)可奈何花落去的必然。而這種遠(yuǎn)勝的用戶體檢，相當(dāng)一部分來(lái)自于MEMS技術(shù)在手機(jī)中的廣泛而深度地應(yīng)用。
MEMS傳感器在個(gè)人娛樂(lè)領(lǐng)域的應(yīng)用包括運(yùn)動(dòng)/墜落檢測(cè)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)補(bǔ)償、游戲/人機(jī)界面、電源管理、GPS增強(qiáng)/盲區(qū)消除、速度/距離計(jì)數(shù)等等，這些MEMS技術(shù)都在很大程度上提高了用戶體驗(yàn)。
相應(yīng)地，隨著消費(fèi)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(jī)和平板電板的快速發(fā)展，消費(fèi)電子已經(jīng)取代汽車領(lǐng)域成為MEMS最大的應(yīng)用市場(chǎng)。其中手機(jī)和平板電腦中的MEMS傳感器幾乎占了消費(fèi)類電子MEMS傳感器類市場(chǎng)的90%。
6.MEMS產(chǎn)業(yè)格局
MEMS產(chǎn)業(yè)曾是美國(guó)、歐盟、日本三分天下之勢(shì)，且各有千秋。美國(guó)以軍（用）促民（用），具有無(wú)可比擬的MEMS技術(shù)綜合實(shí)力；日本則在汽車電子用MEMS、機(jī)器人用MEMS等方向能力突出；歐盟在汽車電子用MEMS、消費(fèi)電子用MEMS占有重要的市場(chǎng)份額。
美國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)相當(dāng)?shù)膶?shí)力。在全球前10 名MEMS巨頭中，日本占有4席，數(shù)量與美國(guó)一樣，但企業(yè)規(guī)模略遜于美國(guó)；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(jī)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(guò)100 家的MEMS 芯片研發(fā)和生產(chǎn)機(jī)構(gòu)，從事MEMS研究的技術(shù)人員近萬(wàn)人，并擁有世界一流的MEMS 研發(fā)基地和環(huán)境設(shè)施。德國(guó)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）。
END
本文摘自《一砂一世界：一書(shū)讀懂MEMS產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與未來(lái)集成電路》
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