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微机电系统(MEMS)产品制造面临的机会与挑战

发布时间:2014-8-5??????发布人:网络??????点击:

早在1997年,未来趋势家Paul Saffo发布一份报告宣称微机电系统(MEMS)将成为"未来十年的基础科技"。即使如此,MEMS技术仅处在新概念的阶段,MEMS相关研究直到1980年中期才开始推展。至今这项技术距全面普及化应用的目标还相当遥远,但确实已跨越迈往革命性发展的门槛。根据市调机构In-Stat/MDR的报告,MEMS产品的营收在2007年将达到80亿美金─相较于2002年的39亿美金增加至二倍以上。一些在全球建置的新型MEMS应用,如果业者能克服IC重要的工艺挑战,其数量还会继续增加。

高度微型化(尺吋从0.1微米至1.0 mm)的MEMS组件可整合至单一硅晶基板,提供多元化的功能,包括流体力学、光学、机械组件、传感器、以及电子组件。 由于MEMS生产方式类似传统集成电路,故许多芯片制造商与设备供货商开始转移至MEMS领域。

MEMS 组件提供两项超越传统组件的主要优势。第一,它们和IC一样可大量制造,大幅降低生产成本。第二,它们可直接整合至IC中,能生产出更加复杂的系统。然而,和其它生产技术相比,MEMS设计流程的成本显得相当昂贵,因为工程师与科学家必须设计、制造、测试、最后重新设计,才能让组件达到最佳的效能。为生产出成功的设计方案,MEMS组件设计师须投入掌握制造技术;即使是研发最简单的MEMS组件亦需投入许多研发成本,才能找出最适合的制造工艺。

目前,业介面临MEMS组件的大规模生产最艰困的挑战是缺乏标准化的MEMS工艺。主要原因来自MEMS组件本身高度客制化特性。新组件采用的工艺会因特定组件及其应用方向而有所不同,这使得组件的制造成本居高不下─因为组件具高度单一应用性故很难达到规模经济─且单一组件只能为特定产业所用。
MEMS Industry Group (MIG)针对全球MEMS业者与制造商进行一项调察,结果显示标准化是推广MEMS普及应用的最大障碍,这份调察结果公布在今年稍早发行的MIG《Focus on Fabrication》报告。这项调察结果显示,超过50%的晶圆厂声称能提供标准化的制程,但承认顾客因产品特性故很少使用这些制程服务。尽管组件日趋多元化与复杂化,许多业者都同意,如果像加速计与喷墨打印机喷墨头这样的量产组件要复制成未来重要的产品,如蓝光二极管(LED)与雷射二极管(LD),就必须在客制化与标准化之间取得最佳的平衡点。

制程的另一项挑战就是制造MEMS组件的材料。在制造MEMS方面,通常使用的材料不仅限于硅,亦包括石英、蓝宝石、磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、以及其它复合半导体材料。有些材料成本昂贵且难以结成大体积的晶体,且可能需要处理小型(2或3吋)基板甚至须处理破裂基板的问题。更复杂的是,在光阻剂方面尚未有可依循的规则,业者须自行测试厚型或薄型、负片或正片、g型或i-line型、或甚至是双面涂覆等方面的技术。双面制程须小心处理,以保护背面的涂覆层。

MEMS组件与系统的封装亦须达到更高程度的标准化。MEMS组件的多元化,以及与环境之间(通常的)持续的接触,让MEMS封装比IC封装更具挑战性─更别说昂贵的成本。封装成本目前占MEMS组件总成本的50%至90%,也是MEMS组件最重要的元素。封装用来保护功能单元(传感器、微机械组件、或IC),避免遭受湿气、高温、振动、侵蚀等各种影响组件效能的因素,并将组件透过电子、光学、以及其它接口与外界连结。此外,在制程方面,封装技术须针对每种新组件进行客制化。另外由于MEMS组件是立体结构而非平面,且具备不同的拓扑特性,故MEMS封装的制程无法运用自动化组件取放系统。

随着业界提出这些问题及MEMS制造亦朝向量产的目标迈进,MEMS制造商与业者高产量及低平均销售价格(ASP)的规划将面临提升制程良率的挑战。举例来说,随着线宽(CD)与组件对位规格持续缩小,超过非接触型对位器的能力范围之外,步进器(投射)显影系统须加以改良,以配合新产品的设计规格。接触型对位器由于会让组件产生实体上的接触,导致硅晶圆产生瑕疵,因此会对良率产生负面影响。

纳米技术与MEMS组件制造商需要运用符合技术与生产需求的显影解决方案。由于组件的类型与需求差异相当大,故显影设备制造商须能配合多元化技术产品以及成本上的变化。非接触型步进器技术能解决接触式对位器所衍生出光罩洗净与更换成本的问题。

业界现今有比以往更多的动机去克服各种挑战,发展出可行、高产量的MEMS生产技术,这方面要归功于业界在MEMS与微系统技术(MST)发展出许多崭新、具潜力的新型应用,Ultratech的奈米技术策略将这些组件视为主要的发展目标。
LED是复合型半导体,能发出可见光或红外线(IR)光源,其波长视LED半导体材料的能隙(band gap)而定。LD则是一种LED,运用光腔(optical cavity)将从energy band gap所放射出的光源加以放大。自从1980年代以来,红光与红外线LD被应用在光纤通讯领域,例如像光储存系统的读/写装置,以及各种其它应用。

高效率(蓝光与白光)LED能产生极亮、纯净的光源,且可靠度极高(寿命可长达10年以上)。因此世界各地有愈来愈多的顾客用LED取代传统的白炽与萤光灯。例如像日本,已着手将交通号志改为高效率的LED,省下极为可观的能源─约80%至90%─专家估算若将日本所有交通号志改都为LED,所省下的能源约等于一座新核能发电厂的发电量。大家可以轻易推算出LED若推广至其它领域与能源应用,将能带来多大的影响。加州目前亦着手将交通号志改为LED,预计今年全州将可省下超过1000万美金的电费。

业界已运用砷化镓(GaAs)与磷化镓(GaP)材料生产各种颜色的LED,而氮化镓(GaN)现已成为蓝光LED与LD的最佳材料。高亮度的氮化镓蓝光LED提供1至5瓦的高效率,支撑各种新型应用,特别是在固态光源与显示方面的领域。

蓝光LD的市场将因新一代高密度CD/DVD技术的发展与商业化而受益。其中最近一项重大发展就是来自日本、南韩、以及欧洲的9家电子制造商宣布合作规画新一代CD/DVD的规格,也就是业界所称的"Blu-ray Disc"。这种蓝光DVD能录制、覆写、以及播放27 gigabytes (GB)的资料,采用单面单层的12公分CD/DVD尺吋规格以及405nm的蓝─紫雷射光源。其储存的信息量是传统光盘的六倍以上。正研发蓝光DVD初期规格的厂商包括日立、LG Electronics、松下、Pioneer 企业、Royal Philips Electronics、SAMSUNG、Sharp、索尼、以及Thomson Multimedia。

站在MEMS标准的角度来看,这些先进LED与LD应用对于显影工艺的需求相当严苛。其中包括对各种基板进行高弹性的处理,对基板进行平面对位以确保晶体的方向正确,高弹性的对位系统,投射式显影与高产量工艺的自动化,以及能够达到1.0mm以上的分辨率。显影步进器的设计须配合各种奈米技术应用以及LED与LD的需求。其中包括薄膜磁头(TFH)、喷墨打印机喷墨头、光学交换器、波导组件(waveguide)、微致动器、www.5197.com、生物芯片/基因微数组、加速计、微型陀螺仪、rate sensor传感器、表面声波(SAW)过滤器、高电子流动度晶体管(HEMT)、异质接面双极晶体管(HBT)组件─以及其它种类众多的组件。很明显地,在量产型MEMS被广泛采纳之前,业界须克服许多重要挑战。想要达到这个目标,整个供应链中的厂商须合作排除这些障碍。

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