谷雨

(美國加洲大學(xué)洛杉磯分校，洛杉磯)

MEMS是由半導(dǎo)體制造技術(shù)發(fā)展而來，采用類似集成電路技術(shù)制造的微型器件或系統(tǒng)。它的起源可追溯到20世紀(jì)50年代，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體Si的壓阻效應(yīng)后開始了對Si傳感器的研究工作。到1987年，馮龍生等人研制出可動的硅微型靜電電機(jī)，使人類從傳感器研究轉(zhuǎn)向真正的MEMS研究，引起了世界各國政府的高度關(guān)注，也掀開了MEMS領(lǐng)域的科技創(chuàng)新高潮。

微機(jī)電系統(tǒng)是精細(xì)加工的一種，它是建立在微米/納米技術(shù)（micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，MEMS本質(zhì)上是一種把微型機(jī)械元件（如傳感器、制動器等）與電子電路集成在同一顆芯片上的半導(dǎo)體技術(shù)。一般芯片只是利用了硅半導(dǎo)體的電氣特性，而MEMS則結(jié)合了芯片的電氣和機(jī)械可動結(jié)構(gòu)兩種特性，在微小尺度上實(shí)現(xiàn)了與外界電、熱、光、聲、磁信號的相互作用。MEMS是多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，它涉及微電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、材料科學(xué)與技術(shù)、自動控制技術(shù)、生物技術(shù)、物理與化學(xué)等學(xué)科與技術(shù)。

總體來講，MEMS大致經(jīng)歷了三輪商業(yè)化浪潮。第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀(jì)70年代末，通過大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作壓力傳感器，借助壓電效應(yīng)將壓力轉(zhuǎn)換成電信號。第二輪商業(yè)化浪潮出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，此時(shí)，信息技術(shù)已經(jīng)興起，MEMS紅外探測、Si加速度計(jì)、數(shù)字微鏡、射頻MEMS、生物MEMS等一大批新器件問世。第三輪商業(yè)化浪潮大致出現(xiàn)在2000年，微光學(xué)器件、微流體系統(tǒng)、MEMS三維微結(jié)構(gòu)、IT傳感等眾多MEMS產(chǎn)品進(jìn)入市場。近些年來，由于視頻、音頻、移動電話和微型醫(yī)療器械領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，MEMS產(chǎn)業(yè)獲得迅速增長，特別是智能手機(jī)和平板電腦的發(fā)展，推動了MEMS器件的持續(xù)創(chuàng)新和高速發(fā)展。

MEMS在工業(yè)、信息通信、國防、航空航天、航海、醫(yī)療、生物工程、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控和家庭服務(wù)等人們所接觸到的幾乎所有領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用前景，以傳感器為例，從飛機(jī)、大型設(shè)備、汽車到各種便攜設(shè)備及人體內(nèi)的心臟起搏器，MEMS運(yùn)動傳感器充滿了應(yīng)用機(jī)會，而MEMS運(yùn)動傳感器與數(shù)字芯片的集成也再次帶動了市場的發(fā)展。由于運(yùn)動無處不在，通過采用MEMS傳感器而帶來的系統(tǒng)創(chuàng)新業(yè)層出不窮，可以為市場帶來全新的功能和用戶體驗(yàn)。

MEMS器件最早批量應(yīng)用在汽車電子產(chǎn)業(yè)上，根據(jù)IHS iSuppli公司研究表明，2011年汽車MEMS銷售額達(dá)到22億美元，其中，壓力傳感器、加速計(jì)、陀螺儀和流量傳感器等四類產(chǎn)品幾乎占了整個汽車MEMS市場銷售額的99%。今后，汽車MEMS傳感器將圍繞智能化水平、成本降低、性能及穩(wěn)定性、能耗降低及無源化等方面發(fā)展。

軍事領(lǐng)域是MEMS技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一，對推動MEMS技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展起到了重大作用。當(dāng)前，世界各國都非常重視MEMS技術(shù)在軍用設(shè)備中的應(yīng)用研究，因?yàn)镸EMS技術(shù)被認(rèn)為是未來軍事裝備的關(guān)鍵技術(shù)和支撐技術(shù)，是保持軍隊(duì)技術(shù)優(yōu)勢、維護(hù)國家安全的重要戰(zhàn)略。美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）把MEMS技術(shù)確認(rèn)為美國急需發(fā)展的新興技術(shù)，并資助了大量MEMS項(xiàng)目。目前，MEMS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到武器平臺優(yōu)化、軍事電子信息系統(tǒng)、軍用微型機(jī)器人、軍用微型飛行器、軍用微納衛(wèi)星、軍事醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，使軍隊(duì)能夠更廣泛、更快速、更準(zhǔn)確地收集并處理軍事信息情報(bào)，使軍事武器更加靈敏、更加精確且更有殺傷力。

近年來，隨著消費(fèi)電子類產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展，消費(fèi)電子逐漸成為MEMS最大的應(yīng)用市場，幾乎以每年近20%的速度增長，成為MEMS傳感器新的應(yīng)用高潮。MEMS器件在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括運(yùn)動監(jiān)測、傾斜度測量、人機(jī)界面、導(dǎo)航等方面。其中，加速度計(jì)和陀螺儀是應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。

目前，被稱為高價(jià)值領(lǐng)域的醫(yī)療保健成為MEMS的新一輪應(yīng)用高潮，隨著人們對身體健康的更加重視，智能化、便攜式的各種醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入人們的視野，而用于遠(yuǎn)距離監(jiān)護(hù)和高精度治療的各種設(shè)備也相繼投入使用。伴隨人口老齡化的發(fā)展趨勢，MEMS醫(yī)療保健應(yīng)用市場將得到進(jìn)一步增長。

MEMS是多種學(xué)科交叉融合并具有戰(zhàn)略意義的前沿高新技術(shù)，是未來的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。MEMS以其微型化的優(yōu)勢，在汽車、電子、家電、機(jī)電等行業(yè)和軍事領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。

1 MEMS技術(shù)現(xiàn)狀

自1980年代末以來，MEMS技術(shù)越來越受到世界各國的廣泛重視。從MEMS發(fā)展的主要技術(shù)途徑來看，主要有以美國為代表的硅基微加工技術(shù)、德國為代表的LIGA技術(shù)和日本為代表的精密加工技術(shù)。

1987年，美國UC Berkeley大學(xué)發(fā)明了基于表面犧牲層技術(shù)的微電動機(jī)，引起國際學(xué)術(shù)界的轟動，人們看到了電路與執(zhí)行部件集成制作的可能性。20世紀(jì)90年代，發(fā)達(dá)國家先后投入巨資并設(shè)立國家重大項(xiàng)目來推動MEMS技術(shù)的發(fā)展。此后，MEMS技術(shù)發(fā)展迅速，特別是深槽刻蝕技術(shù)的出現(xiàn)，促進(jìn)了多種新型加工工藝的產(chǎn)生和發(fā)展。1993年，美國ADI公司采用該技術(shù)成功地將微型加速度計(jì)商品化，并大批量應(yīng)用于汽車防撞氣囊，標(biāo)志著MEMS技術(shù)商品化的開端。1996年，基于數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）的首臺投影儀問世。2003年至2005年，模擬輸出的Si麥克風(fēng)進(jìn)入移動電話市場。2006年，數(shù)字輸出的MEMS麥克風(fēng)進(jìn)入筆記本電腦市場。2007年，運(yùn)動傳感器開始應(yīng)用到許多消費(fèi)手持產(chǎn)品上，MEMS加速度計(jì)和應(yīng)用軟件的結(jié)合，代替了開關(guān)、按鍵和滾輪，解決了困擾人們的“小按鍵—大手指”問題。2010年，報(bào)道了單片集成多維數(shù)據(jù)記錄CMOS-MEMS噴墨頭，在打印頭芯片中結(jié)合了微機(jī)械和集成的多維數(shù)據(jù)記錄CMOS多路輸出選擇器驅(qū)動電路。2012年，報(bào)道了慣性導(dǎo)航級MEMS加速度計(jì)，通過充分釋放內(nèi)部結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，采用體Si微機(jī)械工藝的電容式結(jié)構(gòu)和封裝的機(jī)械去耦合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳感單元的高穩(wěn)定性。

截止目前，很多MEMS器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，如微型壓力傳感器、微型加速度計(jì)、微型陀螺儀、微型麥克風(fēng)、數(shù)字微鏡、噴墨頭等，而且應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。從專利角度來看，

近年來MEMS技術(shù)專利呈現(xiàn)迅猛增長趨勢，其中，以日本和美國掌握的專利技術(shù)最多。在MEMS傳感器技術(shù)專利數(shù)量上領(lǐng)先的全球前10家公司中，日本公司就占了5家，其中，日本精工愛普生公司和美國霍尼韋爾國際公司近年來專利數(shù)量處于高位且相對穩(wěn)定。

1.1 3D-MEMS

三維微電子機(jī)械系統(tǒng)（3D-MEMS），是將硅加工成三維結(jié)構(gòu)，由帶有金屬電容板的底座、帶有運(yùn)動感應(yīng)結(jié)構(gòu)的中間層和頂蓋3個不同的硅層用玻璃粘合在一起組成。其封裝和觸點(diǎn)便于安裝和裝配，用這種技術(shù)制作的傳感器具有極好的精度、極小的尺寸和極低的功耗。這種傳感器僅由一小片硅就能制作出來，并能測量3個互相垂直方向的加速度。例如為承受強(qiáng)烈震動的加速度傳感器和高分辨率的高度計(jì)提供合適的機(jī)械阻尼。這類傳感器的功率消耗非常低，這使它們在電池驅(qū)動設(shè)備中具有不可比擬的優(yōu)越性。

CMOS工藝已經(jīng)在芯片制造中廣泛采用，如果能用它來實(shí)現(xiàn)MEMS的量產(chǎn)，既不用更換設(shè)備，材料也是標(biāo)準(zhǔn)的，MEMS的制造就可以獲得低成本和高產(chǎn)出率的優(yōu)勢。使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)生產(chǎn)出來的MEMS器件將很容易集成到其它系統(tǒng)中。同時(shí)，大批量的生產(chǎn)保證了所有設(shè)備和工藝都能夠按照規(guī)定進(jìn)行測試，晶圓在整個制造過程中可以受到連續(xù)監(jiān)控，從而減少差異，提高良品率。

MEMS與IC芯片整合、封裝在一起是集成電路技術(shù)發(fā)展的新趨勢，也是傳統(tǒng)芯片廠商的新機(jī)遇。市場需求巨大，MEMS企業(yè)和晶圓代工廠都在提高生產(chǎn)制造水平，擴(kuò)大自己的產(chǎn)能，而MEMS的制造也將從現(xiàn)在的150 mm（6英寸）線向200 mm（8英寸）線轉(zhuǎn)移。將生產(chǎn)線由150 mm廠轉(zhuǎn)向200 mm廠后，單位成本可以大幅降低33%以上，所以意法、飛思卡爾等MEMS大廠，已將150 mm廠改建為200 mm廠。

MEMS與CMOS制程技術(shù)的整合，已成功帶動組件產(chǎn)品在消費(fèi)電子應(yīng)用綻放光芒，包括Intel、Samsung、TI、TSMC 等半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)大廠皆看好CMOS MEMS發(fā)展，而相繼投入相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)。而CMOS MEMS組件能否進(jìn)一步降低產(chǎn)品開發(fā)成本，3D MEMS封裝技術(shù)扮演了關(guān)鍵性的角色。

3D封裝技術(shù)除了可解決技術(shù)發(fā)展瓶頸，在異質(zhì)整合特性下，也可進(jìn)一步整合模擬RF、數(shù)字Logic、Memory、Sensor、混合訊號、MEMS 等各種組件，且此整合性組件不但可縮短訊號傳輸距離、減少電力損耗，也能大幅增加訊號傳遞速度。此外，由于采取3D立體堆棧方式，故在Form Factor方面，也能在固定單位體積下達(dá)到最高的芯片容量。

在看好相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展前景下，業(yè)界已開始加速布局CMOS MEMS+3D MEMS封裝的解決方案。由于以TSV方式將Chip堆棧成3D IC的發(fā)展備受看好，也可望帶動3D TSV Wafer出貨數(shù)的快速成長，以組件類別來區(qū)分，目前以CIS（CMOS Image Sensor）采用TSV與IC 3D化的速度最快，第二階段預(yù)計(jì)將由內(nèi)存（含F(xiàn)lash、SRAM、DRAM）扮演承接角色。3D MEMS從2011年開始興起，并在之后的3年逐步穩(wěn)定邁向商品化。

1.2 MEMS晶圓代工廠

美國在MEMS發(fā)展歷史上可說是最為悠久，原因在于美國一開始便有不少相當(dāng)好的大學(xué)投入MEMS的人才培訓(xùn)。由于當(dāng)時(shí)的MEMS商品屬于特殊的制程技術(shù)，且在封裝測試時(shí)需要特別的封裝測試方法，且更重要的是每家的封測標(biāo)準(zhǔn)均不一樣，因此MEMS公司可以收取較好價(jià)位與獲利。當(dāng)時(shí)美國的柏克萊、喬治亞理工、UCLA等知名大學(xué)均已投入不少的資源用在MEMS領(lǐng)域，也正因?yàn)槿绱俗屆绹鼣?shù)10年來成立了不少的MEMS新興公司，而近幾年以來美國也有幾家規(guī)模較小的晶圓代工廠，持續(xù)投入資源用于MEMS晶圓代工，這也是支撐美國MEMS產(chǎn)業(yè)歷久不衰的主要原因之一。

早在2008年，當(dāng)飛思卡爾（Freescale）把一項(xiàng)MEMS制程由日本仙臺轉(zhuǎn)化到其德州奧斯丁Oak Hill的工廠時(shí)，并未就公司新的業(yè)務(wù)戰(zhàn)略大張旗鼓地宣傳。Freescale奧斯汀工廠現(xiàn)在提供MEMS代工服務(wù)，將與產(chǎn)品開發(fā)者共同開展一系列的薄膜材料及工藝，以為特定應(yīng)用的MEMS器件進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)擁有MEMS標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的制造商進(jìn)入MEMS代工業(yè)務(wù)時(shí)，它們必須與IMT、APM、Dalsa等純粹的代工企業(yè)競爭。出現(xiàn)相當(dāng)一部分隱形的代工服務(wù)，比如ST承擔(dān)了HP近一半的打印頭制造，Sony為Knowles的麥克風(fēng)提供代工。Yole預(yù)計(jì)在2012年88億美元的MEMS代工市場上，通過傳統(tǒng)意義上的代工制造的不超過2億美金，但Magnella認(rèn)為這將很快在未來1～2年內(nèi)改變。

意法半導(dǎo)體作為MEMS領(lǐng)域龍頭企業(yè)，積累了豐富的MEMS傳感器量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)能力，并于2006年成為全球首家以200 mm晶圓生產(chǎn)MEMS傳感器的廠商。IHS iSuppli的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2012年全球MEMS芯片市場成長約5%，規(guī)模達(dá)到83億美元。意法半導(dǎo)體與博世并列全球第一大MEMS供應(yīng)商，其中意法半導(dǎo)體營收年成長率23%，博世年成長率為8%。2013年初，ST宣布其MEMS傳感器全球出貨量已突破30億顆大關(guān)，這證明了ST在消費(fèi)電子和便攜設(shè)備MEMS市場的領(lǐng)先地位。

2011年12家純MEMS代工廠商以及其它幾家廠商的總體營業(yè)收入為2.86億美元，比2010年的2.318億美元勁增23%。2011年臺積電是全球最大的純MEMS器件代工廠商，營業(yè)收入劇增201%，達(dá)到2 300萬美元，遠(yuǎn)高于2010年的1 760萬美元。該公司生產(chǎn)多種暢銷的MEMS傳感器和激勵器，包括3軸陀螺儀、加速計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、壓力傳感器、片上實(shí)驗(yàn)室和噴墨打印頭。

根據(jù)Yole Developpement最新公布的消息，2012年全球前20大MEMS晶圓代工廠中（如表1所示），共有7家獨(dú)立元件制造商（IDM）和13家專業(yè)晶圓代工廠入榜。其中，ST仍然以2.03億美元營收高居榜首。與2011年相比，MEMS晶圓代工廠中增長最為迅速的當(dāng)屬臺積電，其2012年MEMS晶圓代工業(yè)務(wù)營收達(dá)4 200萬美元，排名由第7位躍升至第3位。

2 全球MEMS市場

據(jù)法國著名市場研究公司Yole Developpement報(bào)道，2011年，前4大MEMS制造商——德州儀器（TI）、惠普（HP）、博世（Bosch）和意法半導(dǎo)體（ST）MEMS的總銷售額增加了40%，達(dá)到了33.2億美元。

在MEMS產(chǎn)業(yè)中，前30家公司約占80%的銷售額。2011年，該領(lǐng)域的公司銷售額要達(dá)到5 200萬美元才能擠進(jìn)前30名，2010年這個門檻是3 100萬美元。該領(lǐng)域中有5家新進(jìn)業(yè)者達(dá)到了1億美元及以上的銷售額，促使21～30名的廠商更需要在消費(fèi)或汽車業(yè)務(wù)上維持競爭力。

根據(jù)IHS iSuppli最新調(diào)查顯示，2012年到2014年MEMS都將維持兩位數(shù)的增長。該機(jī)構(gòu)認(rèn)為iPhone 4是MEMS擴(kuò)大手機(jī)市場的重要因素，因?yàn)樵撌謾C(jī)采用陀螺儀及兩個MEMS麥克風(fēng)以抑制噪聲。2013年6月，ST宣布通過增加傳感器種類來保持競爭力，致力于運(yùn)動MEMS、環(huán)境MEMS、聲音MEMS、觸摸面板控制器IC、微致動器、低電力RF等產(chǎn)品群，同時(shí)，將進(jìn)一步推動多個傳感器的集成組合，提高產(chǎn)品的功能。在平板電腦領(lǐng)域，MEMS加速度計(jì)和陀螺儀已經(jīng)成為關(guān)鍵的部件；在移動電話領(lǐng)域，MEMS器件獲得了大量的應(yīng)用，而移動電話業(yè)已成為規(guī)模最大的MEMS應(yīng)用終端市場。據(jù)Yole預(yù)測，MEMS應(yīng)用于手機(jī)和平板裝置的市場份額，將從2012年的22億美元攀升到2018年的64億美元，這是因?yàn)樾滦透袘?yīng)器的市場需求日益強(qiáng)勁。MEMS業(yè)界今后幾年內(nèi)將以兩位數(shù)的速度穩(wěn)定增長。由于系統(tǒng)廠商比以前更加關(guān)注能以低成本輕松封裝的硅傳感器及致動器的利用價(jià)值，因此MEMS的需求數(shù)量正以20%的年增長率增加。但Yole的預(yù)測結(jié)果顯示，消費(fèi)電子產(chǎn)品用MEMS的價(jià)格將繼續(xù)快速下滑，今后6年內(nèi)的平均收益增長率僅為13%。預(yù)計(jì)2017年之前MEMS市場規(guī)模將達(dá)到210億美元，與2011年的102億美元相比將會翻倍。

表1 2012年全球前20大MEMS晶圓代工廠排名

2012年，由于智能手機(jī)傳感器的快速增長，使得Yole公布的MEMS市場占行業(yè)主導(dǎo)地位前30名的MEMS公司的年度排名供應(yīng)商的排序重新洗牌。慣性傳感器供應(yīng)商第一次已經(jīng)超過了微反射鏡和噴墨頭供應(yīng)商。

根據(jù)法國的市場研究機(jī)構(gòu)Yole Developpement預(yù)測，全球微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）組件市場將在2012年達(dá)到115億美元規(guī)模，較2011年增長12.7%。MEMS市場將在接下來6年持續(xù)呈現(xiàn)穩(wěn)定的兩位數(shù)字增長，期間出貨量的復(fù)合平均年增長率為20%，營收的復(fù)合平均年增長率則為13%。

根據(jù)Yole的統(tǒng)計(jì)，意法半導(dǎo)體的MEMS銷售額在2012年增加了10%，成為第一家MEMS營業(yè)收入達(dá)10億美元的公司。超過了德州儀器，成為業(yè)內(nèi)最大的公司。博世公司的MEMS營業(yè)收入增長了14%，達(dá)8.42億美元，超越德州儀器和惠普公司，首次成為排名第二的MEMS公司。ST和博世一直積極擴(kuò)大自己的消費(fèi)類產(chǎn)品線，為客戶提供范圍廣泛的傳感器，并越來越多地將傳感器集成在單獨(dú)的封裝內(nèi)，從而使產(chǎn)品有了更低的成本優(yōu)勢。意法半導(dǎo)體，博世和其他主要的慣性傳感器供應(yīng)商看到了強(qiáng)勁的收入增長，而加速度計(jì)和陀螺儀由于產(chǎn)品單價(jià)更大的滑坡，其平均銷售價(jià)格比上年下降20%～30%。表2所示為2012年前10名MEMS公司收入排名。

杰克提前走了，蘇穆武和票友收拾好胡琴。一票友突然問：蘇大哥，你女婿住什么地方？蘇穆武回答：東苑陽光小區(qū)。票友驚訝地：不錯呀，多少錢買的？蘇穆武鼻子一哼：狗屁買的，租的。票友不相信地：不對吧，美國人那么有錢，怎么會租房呢？蘇穆武說：你以為美國人個個都是大老板呀？和中國一樣，也有窮的。婷婷說杰克的父母是什么薩斯州的農(nóng)民，能有啥錢呀？票友感嘆道：有道理。你們見過杰克的父母嗎？蘇穆武說：沒有，杰克說，他父母這兩天就要來中國看媳婦了。票友忙說：那可得招待好美國親家，這是兩國邦交呀！蘇穆武點(diǎn)點(diǎn)頭：那沒問題。

3 MEMS材料與加工技術(shù)

一種MEMS器件，往往對應(yīng)一種工藝，這說明了MEMS的天然屬性。MEMS的微機(jī)械可動結(jié)構(gòu)是IC不具備的，由于這種專用性和特殊性，導(dǎo)致MEMS最初的發(fā)展模式是非標(biāo)準(zhǔn)化的。為了降低成本，MEMS廠商可能會犧牲MEMS器件本身的一部分性能來尋求標(biāo)準(zhǔn)化工藝。因此，MEMS廠商會依據(jù)不同器件的共同特點(diǎn)進(jìn)行分類，朝著共用性強(qiáng)的幾個標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。由于MEMS器件種類繁多，從某個局部或類別來講，MEMS工藝是標(biāo)準(zhǔn)化的；但是從整體來講，MEMS工藝是無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

表2 2012年全球前10名MEMS公司收入排名

盡管MEMS標(biāo)準(zhǔn)化永遠(yuǎn)難以實(shí)現(xiàn)，但企業(yè)通過優(yōu)化自己的技術(shù)平臺，例如借助工藝創(chuàng)新來推動MEMS設(shè)備和材料在2012～2018年間以超過7%的年復(fù)合增長率發(fā)展。在MEMS制造工藝創(chuàng)新的驅(qū)動下，刺激了MEMS設(shè)備及材料市場的發(fā)展。預(yù)計(jì)，MEMS相關(guān)設(shè)備在未來5年間（2013～2018年）的需求將以5.2%的復(fù)合年增長率從2012年3.78億美元增長到2018年的5.10億美元。材料及相關(guān)MEMS耗材的需求將從2012年1.36億美元增長到2018年的2.48億美元，在未來5年的復(fù)合年增長率為10.5%。

微電子只是利用了硅片的維特性和半導(dǎo)體特性，而微系統(tǒng)還利用了硅材料的其它特性：如各向異性、低熱膨脹系數(shù)、高比強(qiáng)度等，甚至也像硅IC工業(yè)引入化合物半導(dǎo)體一樣，引入了玻璃、聚合物、生物等其它材料。

MEMS材料有硅基、非硅、氧化礬和氧化鐵等，材料不同，設(shè)計(jì)也不同，且客戶對于MEMS產(chǎn)品的需求多樣化，沒有辦法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。硅基MEMS可能走向標(biāo)準(zhǔn)化IC工藝，但還有很多非硅、流體或磁MEMS產(chǎn)品，這些要形成標(biāo)準(zhǔn)化非常困難。

據(jù)2013年5月報(bào)道，英特爾（Intel）、高通（Qualcomm）等廠商正在共同推動MEMS組件接口的標(biāo)準(zhǔn)化，簡化MEMS組件整合到產(chǎn)品中的過程，方便在系統(tǒng)中添加來自不同供貨商的MEMS傳感器。

MEMS表面微機(jī)械加工工藝，是采用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）方法獲得薄膜，通過若干沉積薄膜來制作結(jié)構(gòu)，然后釋放相應(yīng)部件。最常見的表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)材料是采用LPCVD法沉積的多晶硅，因?yàn)槎嗑Ч栊阅芊€(wěn)定且具備各向同性。另外，表面微機(jī)械加工工藝與集成電路生產(chǎn)工藝具有兼容性，而且集成度較高。

用于MEMS封裝的材料主要有陶瓷、金屬、鑄模塑料等數(shù)種。其中，高可靠性產(chǎn)品的殼體大多采用陶瓷-金屬、陶瓷-玻璃、金屬-玻璃等結(jié)構(gòu)。為了滿足MEMS封裝的特殊信號界面，其外殼性能較IC封裝要求又有所不同。

對于MEMS的加工方法，既有傳統(tǒng)性，也有特殊性。比如，MEMS加工采用了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝，如光刻、刻蝕、鍵合等。鑒于MEMS器件結(jié)構(gòu)的特殊性，MEMS加工與傳統(tǒng)IC加工又有很大不同。如在光刻環(huán)節(jié)，MEMS要采用雙面光刻機(jī)和大景深光刻，其中，雙面曝光的對準(zhǔn)是MEMS光刻的關(guān)鍵步驟。在涂膠環(huán)節(jié)，對于MEMS的深溝道工藝，涂膠往往無法實(shí)現(xiàn)完美的臺階覆蓋均勻性，因此需要采用噴膠方法。

隨著MEMS加工硅通孔（TSV）結(jié)構(gòu)對光刻工藝要求的不斷提高，步進(jìn)投影光刻機(jī)的優(yōu)勢愈加明顯，希望借平臺化的配置兼容MEMS和CMOS產(chǎn)品。特別是當(dāng)MEMS與CMOS集成鍵合時(shí)，溫度不能超過450℃，否則容易產(chǎn)生應(yīng)力，從而破壞微結(jié)構(gòu)，甚至引起器件失效，但采用等離子體預(yù)處理后，無需高溫退火即可牢固地實(shí)現(xiàn)晶圓鍵合。

圖1 MEMS工藝流程

4 MEMS器件封裝和檢測技術(shù)

MEMS器件封裝技術(shù)是在微電子封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，雖然MEMS封裝技術(shù)與微電子封裝技術(shù)具有相似之處，但是，基于MEMS器件通常包含微可動結(jié)構(gòu)，以及對應(yīng)力隔離、真空、氣密性等方面的要求，MEMS封裝技術(shù)具有自身的特殊性和復(fù)雜性。而且，由于MEMS器件的不同特點(diǎn)和要求，相應(yīng)的封裝方法往往具有專用性，無法獲得標(biāo)準(zhǔn)化的封裝方法。因此，MEMS的封裝成本往往占到整個MEMS器件成本的70%～80%，成為MEMS技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵步驟。

目前，MEMS的主流封裝技術(shù)包括圓片級（WLP）、器件級和系統(tǒng)級（SIP）封裝技術(shù)等三個層次（如圖2所示）。不同級別的封裝，其封裝目的、內(nèi)容以及方法都有所差異。圓片級封裝是以圓片為加工對象，是器件從設(shè)計(jì)到封裝的所有工藝步驟，都是以晶圓為單位統(tǒng)一進(jìn)行，同時(shí)對眾多芯片進(jìn)行封裝、老化、測試，最后切割成單個器件，大幅降低了封裝尺寸和生產(chǎn)成本，極大提高了生產(chǎn)率，使高密度、低成本成為可能，從而獲得廣泛關(guān)注和迅速發(fā)展。器件級封裝通常由MEMS器件、信號處理補(bǔ)償以及與系統(tǒng)的各種接口等組成。器件級封裝旨在提高和確保器件的性能，減小封裝尺寸，降低封裝成本。與電子器件相比，MEMS接口更加復(fù)雜，涉及范圍更加廣泛，這是器件級封裝面臨的巨大挑戰(zhàn)。系統(tǒng)級封裝減少了連線距離，降低了寄生效應(yīng)，提高了系統(tǒng)的電學(xué)性能和集成度，而且由于可直接采用現(xiàn)有IC工藝制造元件，降低了生產(chǎn)成本，使得SIP技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，市場潛力巨大。目前，SIP技術(shù)在通信系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，通過MEMS系統(tǒng)級封裝技術(shù)制作的無源器件使系統(tǒng)集成度和電性能獲得提高，使成本變得更低。

另外，球柵陣列封裝技術(shù)（BGA）、倒裝芯片技術(shù)（FC）、芯片尺寸封裝技術(shù)（CSP）和多芯片模塊封裝技術(shù)（MCM）也逐漸成為MEMS封裝技術(shù)的主流。

5 MEMS技術(shù)發(fā)展前景

隨著我國汽車電子、新型數(shù)字消費(fèi)類和醫(yī)療電子等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對微系統(tǒng)傳感器的各種新需求和基于該技術(shù)的創(chuàng)新將不斷涌現(xiàn)。在各種新的應(yīng)用需求和MEMS器件廠商技術(shù)創(chuàng)新的推動下，我國傳感器產(chǎn)業(yè)將迎來一輪新的機(jī)遇。

圖2 MEMS模塊封裝工藝

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)接近極限，MEMS技術(shù)在消費(fèi)電子應(yīng)用領(lǐng)域快速崛起，通過TSV技術(shù)整合MEMS與CMOS制程，IC的3D化備受矚目。由于3D MEMS隱含了異質(zhì)整合特性，具備低成本、小尺寸、多功能、高效能等多重優(yōu)勢，因此有望在未來掀起另一波技術(shù)應(yīng)用革命，并為CMOS MEMS的發(fā)展帶來更大商機(jī)。

據(jù)美國模擬器件公司（ADI）預(yù)測，先進(jìn)、高性能的MEMS加速度計(jì)及陀螺儀將轉(zhuǎn)換成各種不同的新型應(yīng)用。因此，我們正在迎來第三次應(yīng)用MEMS的新浪潮，驅(qū)動這股浪潮的是人們對MEMS運(yùn)動傳感器能力的認(rèn)識獲得了提高（第一次浪潮是20世紀(jì)90年代由汽車安全系統(tǒng)驅(qū)動；第二次浪潮是21世紀(jì)由消費(fèi)類產(chǎn)品推動）。目前的MEMS產(chǎn)品大多以150～200 mm的晶圓生產(chǎn)，在未來6年有望逐步轉(zhuǎn)進(jìn)300 mm的工廠生產(chǎn)，以便使產(chǎn)能利用最佳化。

5.1 MEMS將成為超越摩爾定律的新技術(shù)

當(dāng)前，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)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)界公司的眼球。

近年來，MEMS作為微傳感器與執(zhí)行器的發(fā)展主流，推動著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)"超越摩爾定律"的變革，MEMS產(chǎn)品在汽車、工業(yè)控制、航天航空、醫(yī)療健康、智能移動電話、平板電腦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2012年，全球MEMS市場已突破100億美元，但是，MEMS仍然是全球新興市場，具有十分巨大的市場潛力。隨著MEMS感應(yīng)器和致動器在視覺體驗(yàn)、音質(zhì)改良、全新觸覺界面、通信性能、導(dǎo)航性能、環(huán)境感測等方面的改進(jìn)，將會從不同層次帶來強(qiáng)勁的市場增長。

5.2 MEMS技術(shù)面臨的問題

顯然，MEMS已在我們今天日常生活中的各種應(yīng)用中扎下根基。其普及的主要動力來自于成本低與體積小，從而能夠做出更小、更輕和更廉價(jià)的最終產(chǎn)品。但是，在MEMS前方并非一片光明，因?yàn)镸EMS器件的多樣性且往往與環(huán)境緊密銜接，封裝成為一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。封裝加上測試，很容易就將成本增加1倍。在不影響產(chǎn)品性能的情況下，研究出標(biāo)準(zhǔn)化和更廉價(jià)的封裝已成為MEMS設(shè)計(jì)的主要關(guān)注目標(biāo)。當(dāng)今的MEMS制造商投入了大量研發(fā)力量，試圖加強(qiáng)自己在封裝制程中的地位，為各種新封裝開發(fā)新的專用設(shè)備。

由于IC平臺的共享，很多MEMS企業(yè)會采取Fabless模式或Semi Fabless模式，利用代工來完成產(chǎn)品的制造。目前知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，大多還是依靠代工廠的聲譽(yù)來保證的。一旦代工廠有意進(jìn)入MEMS產(chǎn)業(yè)以填充產(chǎn)能、提高利潤，知識產(chǎn)權(quán)就很難得到實(shí)質(zhì)性的保護(hù)。因此，知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)成為MEMS行業(yè)亟待解決的問題。

盡管MEMS行業(yè)存在著種種亟待解決的問題，然而其市場潛力巨大，前景非常看好。隨著中國在政策支持、工藝研發(fā)、融資渠道、生產(chǎn)管理、投入產(chǎn)出等方面的不斷努力，國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)化新的春天很快就會到來。

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