MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初,其时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制造压力传感器。由于薄硅片振荡膜在压力下变 形,会影响其外表的压敏电阻走线,这种改变能够把压力转换成电信号。后来的电路则包含电容感应移动质量加快计,用于触发轿车安全气囊和定位陀螺仪。
第二轮商业化呈现于20世纪90年代,首要围绕着PC和信息技能的鼓起。TI公司依据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪,而热式喷墨打印头现在依然大行其道。
第三轮商业化能够说呈现于世纪之交,微光学器材经过全光开关及相关器材而成为光纤通讯的弥补。尽管该商场现在惨淡,但微光学器材从长时间看来将是MEMS一个添加微弱的范畴。
推进第四轮商业化的其它运用包含一些面向射频无源元件、在硅片上制造的音频、生物和神经元探针,以及所谓的‘片上实验室’生化药品开发体系和微型药品运送体系的静态和移动器材。
工艺的开展
近来对MEMS重视的进步部分来自于外表微加工技能,它把献身层(结构制造时使其它层分隔的资料)在最终一步溶解,生成悬浮式薄移动谐振结构。
欧洲一所MEMS研究机构、法国格勒诺布尔TIMA实验室的Bernard Courtois指出:‘有两种办法制造微体系,即专门为微体系开发的工艺或许运用为微电子开发的工艺。后一种工艺中有些可用于微体系,有些则要为它添加 一些特别的工艺过程以适用于集成电路中的微体系。’
许多MEMS运用要求与传统的电子制造不同,如包含更多过程、反面工艺、特别金属和十分独特的资料以及晶圆键合等等。的确,许多场合尤其是在生物和医疗范畴,都不把硅片作为基底运用,许多当地选用玻璃和塑料,出于下降本钱原因常常用塑料制成一次性医疗器械。
但对许多公司和研究机构来说,微电子中现有的CMOS、SiGe和GaAs等工艺是开发MEMS的起点。从理论上讲,将电路部分和MEMS集成在同一芯片上能够进步整个电路的功用、功率和可靠性,并下降制造和封装本钱。
进步集成度的一个首要途径是经过外表微加工办法,在微电子裸片顶部的保存区域进行MEMS结构后处理。可是有必要考虑温度对前面已制造完结的微电子部分的损坏,所以对单片集成来讲,在低温下进行MEMS制造是一个要害。
针对这一点,比利时Interuniversity微电子中心(IMEC)开发了一种多晶锗化硅堆积技能,其临界温度为450℃,而多晶硅为 800℃。不过温度低堆积速度也要慢,因而又开发了第二种堆积速度更高、温度为520℃的办法。挑选SiGe是期望切入事实上的高频电子规范工艺,但也有 许多其它公司在寻求以干流数字CMOS作为起点。
本年早些时候,IBM宣告它运用BiCMOS工艺技能的规范出产资料在低于400℃温度下开发了RF MEMS元件,它开发的MEMS谐振器和滤波器能够在无线设备中代替分立无源元件。
MEMS与微体系参谋Roger Grace表明:‘多年来人们一向在评论CMOS和MEMS集成的问题,但现在仅有批量出产的集成工艺只要美国模仿器材公司(ADI)的ADXL-50加 速器。相同的功用摩托罗拉要用两个芯片完结,其间一个是MEMS,另一个是封装好的集成微电子器材。’
这些争辩常常在微电子业中提起。值得注意的是模仿和混合信号在微电子中常常放于不同的裸片上作为电路集成到一个封装里,相同,智能功率电子常常 选用多芯片解决方案完成,尽管其他人竭力吹捧智能功率工艺技能的优点。此外拥护与对立将机械结构和很多电子设备集成在一起的理由也都十分复杂。
这首要是由于微电子的规范封装开发很快,引脚数和衔接办法的改变在本质上也是规范的。而MEMS则不同,其环境参数各式各样,某些封装不能透光而另一些有必要让光照到芯片外表,某些封装有必要在芯片上方或后边坚持真空,而另一些则要在芯片周围送入气体或液体。
人们认识到不行能给各种MEMS运用开发一种规范封装,但也十分需求业界对每种运用确认一种规范封装及其开展方向。 Roger Grace指出:‘MEMS规划师喜爱先把电路做出来,然后再考虑测验和封装。’元件本钱95%以上是花费在测验、封装和最终安装中,对这部分进行优化应 该比制造最精巧的MEMS结构更重要。一起,职业安排SEMI正开端着手封装和制造工艺的规范化作业。
因而Sandia国家实验室开发了包含5层多晶硅的Summit V工艺技能,并把该技能及相关规划东西的运用答应发放给比如Coventor和Ardesta LLC之类的企业(后者是一家危险投资公司)。Sandia还把其4层Summit IV工艺技能运用答应发放给了飞兆(Fairchild)半导体公司。
这是Sandia承当的基础研究商业化方针的一部分,最近一次MEMS研讨会上Sandia作业人员把它称为‘幻想家的窘境’或‘如何将开始的演示转变为工业规范’。
Roger Grace以为:‘Sandia的方针是把技能答应发放给业界以得到大批量运用,这样他们就能证明他们自己曩昔小批量运用时的可靠性。’在制造齿轮、链条和微机械时Summit工艺或许能显示出十分好的优势。
但Grace也有些疑问:‘Summit V是个很贵的工艺,是否有满足的运用来支撑Summit V?由于工程师依然期望把制造工艺技能与运用对应起来。’ 依照Grace的说法,迄今只要几种MEMS到达大批量出产,即便像成功用于桌面投影仪商场的TI移动镜视频投影芯片,每年产值也不到100万只。他说: ‘咱们会看到不断呈现定制工艺和定制解决方案,我不以为他们(工程师)会退让。’
那么现在说MEMS是一个繁荣商场是否还为时过早吗? 据In-Stat MDR高档分析员Marlene Bourne猜测,国际MEMS商场将从2001年的39亿美元添加到2006年的95亿美元,均匀添加率为19.5%。相比之下,国际半导体芯片商场自 1996年以来一向徜徉在1,500亿美元,尽管估计到2003年会有20%的添加。
欧洲工业安排Nexus猜测,微体系商场在2001年已经是300亿美元,到2005年将上升到680亿美元。这与In-Stat数字之间的差 异首要是由于Nexus运用的‘微体系’界说更广泛,它还包含整机体系,如心脏起搏器,并延伸到聚合物、玻璃、金属和以陶瓷为资料的器材。
Bourne解说说:‘我是依据尺度来界说MEMS,指一般制造在硅片上并带有机械功用的器材,尽管它不是专用的。更多要做的工作是在工艺技能上,它或许起源于外表微细机械加工或LIGA。我预算的是向OEM付运的元件数,而没有预算芯片级或最终用户产品的价值。’