MEMS—超越摩尔定律的突破口.doc

MEMS，超越摩尔定律的突破口技术分类： EDA工具与服务 工业电子 模拟设计 汽车电子 消费电子设计 医疗电子 | 2009-11-20 王志华，半导体国际-EDN China 半导体技术在摩尔定律上似乎走入了瓶颈期，而超越摩尔定律的新兴技术却受到了众多公司的青睐，其中MEMS以无处不在的应用潜力攫取了业界大大小小公司的眼球。日前，在由上海微系统与信息技术研究所、传感技术国家重点实验室、半导体国际、EDN China主办的“MEMS设计制造技术与产业化高峰论坛”上，来自产业链和学术界的专家汇聚一堂，分享了MEMS设计制造技术的方案，探讨了MEMS产业未来的发展之道。 MEMS设计，EDA先行半导体国际、EDN China出版人张未名（左）与上海微系统所教授、传感技术国家重点实验室主任李昕欣博士（右）开启论坛。 相对于CMOS工艺，MEMS的复杂性在于其涉及机械、声学、光电、化学、生物等多学科，而两者都离不开EDA软件工具的辅助设计来完成这些复杂工作，缩短开发时间、降低成本。MEMS设计工具供应商Coventor中国区MEMS产品经理覃裕平在介绍其“MEMS+IC”的通用开发平台时指出，传统面向CMOS ASIC的MEMS芯片总是单独进行设计，此外MEMS结构的设计采用三维CAD系统，当把MEMS设计转移到半导体电路模拟器和验证工具时，对工艺参数进行繁琐的手工翻译会带来诸多不便。MEMS与IC设计流程的割离导致了冗长的开发周期和高额成本。Coventor通过与Cadence合作，于今年10月推出了MEMS+设计平台，集成Cadence Virtuoso IC设计环境，更好地实现了“MEMS结合IC”设计流程的整合与标准化。MEMS+参数化设计版式提供了新的标准，使得MEMS生态系统内的各个合作伙伴间的通讯更加便利。MEMS+涵盖了目前MEMS设计所有动作定义，并不断更新定义库如微流体等。 Cadence VCAD APAC模拟/混合信号设计经理张剑云指出，混合信号和MEMS的集成有着复杂的流程，需要保证MEMS设计与IC设计的无缝结合。传统上，MEMS设计流程采用从建模到有限元模拟的自顶向下方法，Cadence SIMPLI提供了MEMS和IC设计者间的桥梁，可以帮助降低集成风险和成本、加速混合信号/MEMS设计上市时间，如在发布MEMS IP同时保护设计详情安全性、在CMOS设计集成时不改变IC流程，以及管理EDA流程中MEMS引起的寄生效应，复用并迁移MEMS设计IP等。他表示，EDA工具触角很广，利用在ASIC的EDA经验，可帮助用户将MEMS与ASIC很好地结合，而未来MEMS商机无限。MEMS制造的两面性 MEMS加工方法采用传统的半导体制造工艺，如光刻、刻蚀、键合互连等，但由于MEMS器件结构的特殊性，其加工需要特殊的装置。来自MEMS领域设备供应商SUSS MicroTec的中国总经理龚里表示，对于MEMS的深沟槽工艺，涂胶往往不能保证很好的台阶覆盖均匀性，需要采用喷胶方法；MEMS还要采用双面光刻机和大景深光刻，双面曝光的对准是MEMS光刻的关键，分立和大功率器件等分辨率要求较低的一般选用掩膜版与掩膜版调节/对准的机械方法，而目前更多则是采用双聚焦显微镜方法对准。上海微电子装备有限公司副总工程师周畅表示，随着MEMS/TSV对光刻工艺要求的不断提高，步进投影光刻机的优势逐渐显现，公司也首次推出投影式光刻机SS B500系列，可处理200mm和300mm晶圆，希望藉平台化的配置兼容MEMS和CMOS产品。龚里还指出，MEMS与CMOS集成键合时，温度不能超过450oC，否则容易产生应力、破坏微结构和引起失效，但采用等离子体预处理后，无需高温退火，也可牢固地键合两片晶圆。 尽管借鉴了IC工艺，但由于MEMS器件的封装工艺占据其大部分成本，因此器件需要在封装之前进行测试，在早期对产品进行功能测试、可靠性分析及失效分析可以降低产品成本和加速上市时间。而MEMS器件的多样性也使得测试成为一项极具挑战的工作。龚里说，MEMS除了电激励外，还需测量声、光、振动、流体、压力、温度或化学等激励的输入输出。MEMS的晶圆级测试需在真空或特殊气体等可控的环境下进行，通用的封闭平台可以测试RF MEMS、谐振器等器件，以及像加速度计和陀螺仪之类的惯性传感器。上海微系统所教授、传感技术国家重点实验室主任李昕欣博士表示，MEMS设计、制造和封装都可以从CMOS IC借鉴，唯一难借鉴的是测试，测试将成为MEMS产业的瓶颈。 成品率是Fab的生命，对于MEMS也同样重要，因此作为MEMS成品率提升的关键技术MVD（分子气相沉积）倍受关注。来自宇灿股份有限公司的赵先忠在介绍Applied MicroStructures的MVD技术时表示，如MEMS传感器的具有高深宽比的梳状(Comb)结构和MEMS微麦克风的薄膜等，容易出现结构间沾粘的问题。使用MVD沉积抗粘薄膜涂层后，沾粘问题将可迎刃而解，对于MEMS制造而言，成品率可提升约14%。MVD具有低成本、环境友好、高质量薄膜沉积特点，目前全球各大MEMS大厂均已采用MVD设备。 Fabless与Fab模式 面对爆炸式成长的MEMS市场，无论是Fabless或Fab都自然不会放过这个“蛋糕”，随着晶圆代工大厂TSMC、UMC和SMIC的强势进入，而诸如ASMC这样特制化的代工厂也独辟蹊径，一场MEMS代工的“暗战”拉开帷幕。 耕耘于MEMS领域10年之久的美新半导体（MEMSIC）依靠Fab-lite模式成为国内MEMS成功的典范，MEMSIC R&D经理杨宏愿指出，将CMOS与MEMS集成是MEMSIC成功的重要因素。他表示，创新的运动传感器技术加速了MEMS价格的降低，MEMSIC的目标是将阳春白雪的高端传感器拉下神坛，成为普遍型的应用产品。MEMSIC目前正在开发由3轴地磁传感器和2轴加速计组成的5轴定位系统，未来将开发6轴方案，而地磁传感器将是下一个像加速计的产品。 TSMC主流技术事业发展处长刘信生表示，成功的厂商需要在1年内推出产品，而目前近60亿美元的MEMS产业已经有相当多的高手，因此选好代工伙伴对于MEMS厂商非常关键。MEMS的进一步成长必须利用好现有CMOS的投资和基础设施。他指出，目前工艺已从4、6寸转向8寸，选择的合作伙伴需要有长远的线路图，而不仅仅是一两代的产品计划。 上海先进半导体（ASMC）COO孙臻则认为，MEMS 产业有别于半导体(IC)产业引导下游终端产品迈向经济规模效益的发展模式，MEMS着重在以客制化的微加工制程服务，来提升现有终端产品的附加价值，以维护产品在市场上的独特竞争利基。他表示，ASMC推出自己业务模式，以量至上，快速达到一定经济规模，再以有竞争力的成本，结合其他MEMS技术，共同拓宽市场需求量。MEMS不走寻常路？ 据Yole Dveloppement预测，2010年及随后四年内MEMS市场将重启12%的年比净增长率，而MEMS代工将超过25%增长率。当前的经济衰退使得许多系统制造商停止内部制造，转向外包代工；晶圆级封装和采用TSV的3-D芯片堆叠也将驱动MEMS代工的成长。面对未来的巨大成长空间，MEMS是走CMOS IC的专业标准化合作之路还是走非标准的特殊工艺之路？来自学术界和产业界的专家也针对于此展开了激烈的辩论。专家辩论会现场，从左至右依次为：鲍敏航（复旦大学）、杨宏愿（MEMSIC）、覃裕平（Coventor）、张剑云（Cadence）、李昕欣（上海微系统所）、孙臻（ASMC）、龚里（SUSS）、李志宏（北京大学）和赵小林（上海交大）。 北京大学李志宏教授认为，“One MEMS, One Process”，MEMS的模式开始应该是从不标准到标准再到不标准。MEMS的机械部分是IC所没有的，起始之路是不标准的；然后由于制造成本昂贵， MEMS厂商可能寻求Foundry和标准的工艺，但无疑会牺牲MEMS器件本身的特点和性能，因此有一个阶段MEMS会向几个标准化方向靠近；但是最终，MEMS会出现很多不同的分支，呈现不标准化。SUSS的龚里表示，MEMS有硅基的、非硅的、氧化矾和氧化铁的等，材料不同，设计也不同，且客户对于MEMS产品的需求多样化，没有办法去标准化。上海交大微纳科学技术研究院赵小林教授表示，硅基MEMS可能走向标准化IC工艺，但还有很多非硅、流体或磁MEMS产品，这些要形成标准化非常困难。ASMC的孙臻表示，每个MEMS公司都有自己产品的竞争优势，而Foundry所做的更多是降低成本。因MEMS系统设计涉及光、机、电与材料等技术领域，量小品种多，不易发展出标准化的产出模式，因此产业链还需要一点时间酝酿。而目前MEMS大厂也以IDM居多。对于中国MEMS产业来说，更多的需要通过合作形成一个“虚拟MEMS IDM”。 上海复旦大学鲍敏航教授说，MEMS产业已有很多成功者，但是更多的还是在研发，要把产品进行量产，但很多公司没有太多资金去建立生产线，因此需要实现工艺的标准化，小公司就有机会通过Foundry去实现产品化，而MEMS产业也因此获得更多创新产品，未来表面硅工艺会慢慢取代体硅工艺。Coventor的覃裕平和Cadence的张剑云同时指出，需求是行业发展的最终动力，要走大众化消费品的路线，MEMS必须标准化，否则成本很难降低。MEMSIC的杨宏愿认为，MEMS必须标准化是个商业考量，它需要通过标准化来降低成本和获得利润。尽管市场上存在许多种MEMS，但最终市场会做出选择，如果有些不适合产业化，就会“慢慢死”。TSMC的刘信生表示，MEMS的发展离不开CMOS，对于MEMS产品，不仅要在实验室获得成果，更重要的是在市场上实现规模化并获得利润，与标准CMOS工艺的融合则是助其成功的最大利器。 MEMS市场机会均等 回顾主要的MEMS业者，部分公司已经完全或部分停止了其MEMS产品，如Delphi、Continental、Co