CMOS/MEMS制程整合现曙光

CMOS/MEMS制程整合现曙光

     CMOS/MEMS制程整合现曙光　消费性应用商机兴起
    
     利用MEMS技术所开发出的加速度计、陀螺仪、麦克风及振荡器等组件，已广获消费性电子业者的青睐，而为进一步提高市场导入速度，以CMOS MEMS制程整合的单芯片技术，扮演着举足轻重的角色。
    
     利用MEMS技术所开发出的加速度计、陀螺仪、麦克风及振荡器等组件，已广获消费性电子业者的青睐，而为进一步提高市场导入速度，以CMOS MEMS制程整合的单芯片技术，扮演着举足轻重的角色。 微机电系统(MEMS)组件应用热潮持续延烧，尤其在台湾业者推出采用互补式金属氧化物半导体(CMOS)与MEMS整合制程所生产的加速计(Accelerometer)，进一步突破1美元价格关卡后，更引发国外MEMS组件大厂降价跟进效应，不但有助激励消费性电子制造商导入MEMS组件的意愿，更将扩大MEMS组件的市场渗透率。
    
     面对日益严峻的市场挑战，如何强化消费性电子产品差异性，创造令人爱不释手的使用者体验，已是开发人员的当务之急。而利用MEMS技术所开发出的加速度计、陀螺仪(Gyroscope)、MEMS麦克风及MEMS振荡器(Oscillator)等组件，由于可实现多种创新功能设计如直觉式的操作接口，并有助简化生产流程、降低制造成本，进而提升产品附加价值，不仅广受诺基亚(Nokia)、三星(Samsung)、苹果(Apple)、任天堂(Nintendo)等消费电子制造大厂的青睐，也是Wii与iPhone热卖的关键，未来随着CMOS MEMS相关技术的成熟，势必更普及于各种消费性电子产品。
    
     事实上，MEMS应用共含括五大产品线，包含加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风、压力传感器与数字光学处理器(DLP)等；其中，陀螺仪、麦克风、加速度计需要大量模拟电路与数字电路技术进行机电整合；而压力传感器及数字光学处理器则属于纯机械结构，不须进行机电整合。
    
     点燃消费性MEMS商机降低成本势在必行
    
     MEMS技术最早起源于1878年爱迪生燃料灯的概念。1950年代，MEMS加速度计初试啼声，主要用于军事国防；1979年扩大至汽车工业应用，博世(Boach)与亚德诺(ADI)两大厂商陆续进军此一市场；而2006年Wii的导入，让MEMS加速度计顿时成为市场瞩目焦点，也促使意法半导体(ST)、飞思卡尔(Freescale)相继投入；直至2008年iPod、iPhone也先后导入MEMS组件，正式揭开消费性MEMS时代的来临。
    
     不过，MEMS加速度计用于消费性电子中，其实有许多功能并不是必备条件。微智半导体总经理邱奕翔表示，目前加速度计已发展至三轴特性，但实际上在消费性电子应用时并不会使用如此高的规格，以手机的MP3换歌或电动游戏来看，三轴加速度计都显得大材小用。对制造商而言，价格才是消费性电子最大的考虑重点，反倒对加速度计的轴数、敏感度、噪声与线性度要求相对较低。因此，微智半导体分别以降低效能、强化价格竞争力与增加附加功能，来满足消费性电子对MEMS组件的要求。
    
     目前，市场上主要有三种技术可实现MEMS加速度计(表1)，一是日系业者常用的电压式加速度计。其结构整合度最低，受温度影响大；其次为热感式加速度计，由于内部没有机械结构，因此比电压式便宜，但容易有热气分布不平均的问题。此外，热气的移动缓慢，也影响反应速度，加上使用时必须一直维持恒温状态，耗电量也相对较大。
    
     表1　各种MEMS加速计技术比较
    

    
     资料来源：微智半导体
    
     电容式加速度计则是较多业者采用的技术，其设计结构简易、灵敏度高，耗电量小，且无温度问题，已获得亚德诺、飞思卡尔、博世等众多大厂青睐。邱奕翔指出，为了达到低成本MEMS加速度计的发展目标，该公司利用电容式技术，搭配无晶圆厂策略，前段采用台湾半导体的标准制程，后段则导入CMOS MEMS制程，至于测试方面，则是利用京元电子自行研发的设备，可有效降低成本。以充分利用台湾半导体的产业分工，确保最低的制造成本。目前，微智已顺利在世界先进8吋晶圆厂完成CMOS MEMS加速度计的制造，并开始进入量产。
    
     邱奕翔强调，CMOS MEMS标准制程的良率高、稳定性极佳，量产可行性与芯片整合度也高；台湾发展CMOS MEMS优势在于半导体产业群聚完整，应用市场朝信息科技、消费性产品发展，这些均是台湾厂商最擅长的领域，因此竞争十足。
    
     不过，相较于国外业者发展CMOS MEMS已久，相关技术成熟，台湾则面临专业人才不足的窘境，尤其是具备跨领域或垂直整合领域知识的人才，更是少之又少，若能善用半导体产业群聚，加强纵向人才提升，台湾在CMOS MEMS组件的发展将指日可待。
    
     MEMS麦克风应用领域再扩张
    
     MEMS麦克风则是另一个成长潜力备受看好的热门组件。挟体积小、低干扰、易于设计及音质佳等优势，MEMS麦克风在市场上逐渐受到重视。市场研究机构Yole Developpement预估，2006～2011年MEMS麦克风的年复合成长率(CAGR)高达43%，优于其它MEMS产业发展，未来将不断侵蚀传统电容式麦克风(ECM)市场。
    
     楼氏电子(Knowles Acoustics)业务经理林彦文也援引Yole Developpement统计资料指出，手机为现今MEMS麦克风最大应用市场，其次，消费性电子如数字相机、数字摄影机等应用，也从2008年开始快速成长，预估2011年市场规模将达7,500万美元，成为第二大应用市场。除此之外，2009年随着因特网语音通讯协议(VoIP)与实时通讯软件MSN等技术的普及，笔记型计算机也将加速采用MEMS麦克风，成为主要驱动来源。
    
     与传统电容式麦克风相比，MEMS麦克风具备更多优势特性(表2)，其中，在MEMS麦克风设计便利、容易导入的特色上，因其单一设计架构即可符合所有终端产品应用，并可制作成表面黏着装置(SMD)，同时解决声学上的仿真问题等，因此大受手机系统厂商欢迎。林彦文表示，受到iPhone的带动下，MEMS相关组件身价水涨船高，而过去MEMS麦克风虽然价格高于传统麦克风，凭借其多样的产品优势不但未让系统厂商望之却步，反倒一推出即受到市场热烈回响。
    
     表2 传统麦克风与MEMS麦克风特性比较
    
    
     资料来源：楼氏电子
    
     目前手机、笔记型计算机使用MEMS麦克风的比重相当大，其成本价格也因而持续降低，甚至已可低于传统电容式麦克风，由此可见，MEMS麦克风取代传统麦克风的戏码，将愈演愈烈。
    
     薄型化为MEMS麦克风发展趋势
    
     受到2003～2004年摩托罗拉(Motorola)V3手机所掀起的薄型化手机浪潮影响，手机相关组件也加速朝向薄型化发展。林彦文指出，薄型化并非意味尺寸缩小，因为过小尺寸反而影响震膜的运作，造成感度降低。虽然MEMS麦克风于2003年问世至今，尺寸已较早年产品缩小73.5%，且尺寸缩小对降低成本亦有直接帮助，但他强调，楼氏电子不会将尺寸缩到极致，而将依客户需求提供合适的产品。
    
     有鉴于未来笔记型计算机将是MEMS麦克风市场成长的主要驱动力，楼氏电子也推出适用于笔记型计算机的数字式MEMS麦克风产品。林彦文分析，目前笔记型计算机多半已内建蓝牙(Bluetooth)、无线局域网络(WiFi)等通讯技术，为避免MEMS麦克风受射频(RF)讯号影响，数字式MEMS麦克风采用数字讯号输出，相较于利用一层铁壳做屏蔽，数字式MEMS麦克风防干扰的效果较佳，且成本也较低。
    
     价格/效能/可靠度取胜MEMS振荡器抢攻频率商机
    
     另一方面，看好MEMS振荡器取代石英振荡器的发展契机，不少新创公司也挟其先进制造技术积极布局。
    
     现阶段市面上生产频率产品的技术区分为纯芯片与机械式振动，前者具有极佳的频率稳定性，能在厚度剪切模式(Thickness-shear Mode)下，维持准确无误的频率，如石英共振器(Resonator)即为代表；后者则需较大的电力来达成100ppm等级的精准频率要求，因而在可靠度、效能、体积与价格日益严苛的市场环境下，MEMS振荡器更易突显其优势。
    
     相较于传统的石英振荡器制造步骤，MEMS振荡器制造流程更为简化，因为沿用传统半导体制程，因此全线自动化，此外所有的振荡器均采用与晶圆相似的制程生产。
    
     为整合MEMS振荡器与特定应用集成电路(ASIC)，MEMS的封装技术亦极为关键。目前MEMS振荡器采用的是塑料四方扁平无接脚封装(QFN)技术，成本低且尺寸多样。
    
     Discera首席工程师白明凡剖析，由于传统石英振荡器制程混杂两种技术，须透过昂贵的封装技术进行整合，除提高制造成本外，也将延长交期及限制降价空间；反观MEMS振荡器采用半导体制程，加上使用开放式、低成本、高自动化及高量产的塑料封装技术，因而具备大规模量产的能力与价格优势，尤其交期可大幅缩短为4～6周，甚至最快仅须1周。
    
     而MEMS振荡器最为人所诟病的就是功耗问题，对此，Discera透过增加振荡杆(Beam)宽度的方式，来达成减少运动阻抗，以降低功耗。白明凡指出，相较于石英振荡器，该公司MEMS振荡器耗电量表现格外出色(表3)。
    
     表3　MEMS振荡器与石英振荡器功耗表现比较
    
    
     资料来源：Discera
    
     在可靠度方面，根据Discera所提供的数据显示，MEMS振荡器符合工业级操作温度范围达-40～85℃，并可进一步延伸至汽车与国防等级达-50～125℃的要求，同时符合国防应用防撞与震动抵抗力。
    
     打造低成本单芯片方案　CMOS/MEMS整合技术破僵局
    
     随着加速度计、MEMS麦克风与MEMS振荡器等组件需求日益增温，相关制程技术的进展也迭有突破，特别是可达到更高整合与更小尺寸的CMOS与MEMS整合技术，更是相关业者戮力发展的重点。
    
     一般而言，CMOS与MEMS整合主要有三种实作方式，一是采用多芯片整合的系统级封装(System in Package, SiP)并以打线(Wire Bonding)连接MEMS与CMOS组件；或是在同一制程中以直接互连方式整合IC与MEMS组件；此外，也可透过晶圆接合(Wafer Bonding)方式将CMOS晶圆与MEMS晶圆整合。其中，后两种制造方式皆可实现单芯片(Monolithic)整合方案。
    
     探微科技技术处技术二部经理林弘毅表示，虽然目前仍有许多MEMS组件是以打线和系统级封装所制造而成；但当MEMS组件具有数百万个微致动器(Actuator)或MEMS感测的讯噪比(SNR)过低时，就必须采取单芯片整合的做法，以确保组件效能。
    
     为加速CMOS与MEMS单芯片整合方案的发展，许多MEMS组件制造商已积极投入CMOS与MEMS制程整合的研发，期能在同一片晶圆上完成IC与MEMS结构的制作，如微智与世界先进、精材所合作量产的加速度计，即是采用这种方式制造。
    
     探微科技则是专注于以晶圆接合方式整合CMOS与MEMS的技术发展。林弘毅指出，这种制造方式可让IC与MEMS组件分别在各自专业的晶圆厂中完成生产后，再透过晶圆接合技术来达到单芯片整合，目前也广受市场青睐。
    
     不过，要运用晶圆接合来实现CMOS与MEMS的整合，必须具备三项基本技术，包括接合技术、硅晶深蚀刻(Deep Silicon Etching)与标准组件(Standard Cell)等。接合技术主要着重于接合介质(Bonding Media)、制程与检测的研发，除努力将接合束(Bonding Beam)由厚变薄来缩小接合面积，并开发出晶圆与晶圆、芯片与晶圆，以及芯片与电路板互连的接合技术外，同时设法改善接合制程与检测的效率，以提高整体产出率(Throughput)。
    
     深蚀刻技术方面，则须针对不同的加工对象，开发合适的蚀刻技术。如结构可动的对象通常采用线形蚀刻技术，而不会动的精密结构体则可用表面与点蚀刻。至于标准组件则须包含感测与致动两类，前者主要是利用电阻和电容方式设计而成；后者则有静电式(Electro-static)、电磁式(Electro-magnetic)与电热式(Electro-thermal)三种类型。
    
     藉由上述三种基础技术与不同封装形式的搭配组合，CMOS与MEMS整合技术不仅可用于感测、显示与硅光学平台(SiOB)等组件的制作，还可用于整合型被动组件(IPD)开发，进一步满足各种不同应用的需求。
    
     林弘毅强调，利用晶圆级封装(Wafer Level Package, WLP)与晶圆接合技术所达成的单芯片整合，可将CMOS与MEMS晶圆分开在不同晶圆厂制造，并导入批次封装、测试制程，有助加快开发速度及降低开发成本。