国外MEMS产业发展历程与现况

MEMS半导体制程技术发明

公元1958年7月，为了解决电子产品的数量爆冲，当时刚到美国德州仪器任职的Jack Kilby发明了将电阻、电容、晶体管制造在单一片材料上(但接线在外)。来年1959年1月，快捷半导体创辨人之一的Robert Noyce更想到了利用PCB直接印刷的方式，在单片硅上制造许多个装置，并直接连接在一起，以减少体积、重量及成本，使主动组件变的小巧，制造起来很简单，而且很便宜，可适用于需要大量开关及少量被动组件的计算机及其它数字装置。这两位产业先进在不同的环境里，却近乎同一时间对硅芯片发展提出创新的想法，解决过去晶体管发展的瓶颈，而此举也将世界的科技巨轮往前滚进了一大步。

就在半导体制程技术被发展的隔一年，微机电（Micro-Electro-Mechanical Systems或简写成MEMS）概念被提出。公元1959年，Richard P. Feynman博士在物理学会年会演讲提到，将工程科技学发展延伸至微小世界，使机构组件微小化，且得以和电子组件整合。利用平面加工技术，透过制程来整合各机械组件与电子组件，即为微机电系统。而那时的研究方向，主要是还是在单晶硅的非等向性蚀刻上。

《图一 至90年代起，MEMS走向结合传感器(sensor)、致动器(actuator)、控制系统(control function)，且利用共同半导体制程，整合晶体管及机械微结构来制作完整的芯片。》 数据源:MEMSIC

随着制程技术的大幅成长，从公元1958年后，为持续降低生产成本，全世界的晶圆厂致力提升半导体制程技术，缩小晶体管，以增加单一面积中的晶体管数量。进而使半导体制程技术日益成熟，而这也间接的使微小机械结构实现在半导体制程上，逐渐变的更为可能。

在1980年代初期，由于薄膜沉积技术已有很明显的进步，所以发展了利用?牲层蚀刻技术，来制造薄膜微结构，而且也己经有人尝试结合晶体管跟微结构在单一芯片上。不过，真正促使此一领域蓬勃发展，仍要等到1980年代末期，那时因为半导体制程技术的日趋成熟，就有了微机械结构，如静电式的微马达(electrostatic micromotors)的出现。

国防与汽车电子推动MEMS芯片问世

在1990年初，由于美国政府为国防科技与汽车安全上等需求，以及在资金上的投入，使MEMS起了很大的革命，出现了完整结合传感器(sensor)、致动器(actuator)、控制系统(control function)，且利用共同半导体制程，整合晶体管及机械微结构来制作完整的芯片。于是全世界的第一颗微机电感测系统单芯片(SSoC,Sensing System-on-Chip)得以诞生。公元1993年，ADI推出全世界第一颗微机电系统加速度芯片，将机械组件与电子组件整合至同一个芯片中，实现而且更加的超越了公元1959年Feynman博士所提出的概念。此举让芯片除了原本拥有的强大数学运算与讯号处理能力之外，更付予主动感测物理量(加速度.压力等)变化的能力。也将半导体技术带领至另一个全新的领域。

此后，国外相关公司更是先后投入微机电加速度感测系统单芯片(SSoC,Sensing System-on-Chip)领域的研发，除原本的ADI、BOSCH还有STMicroelectronics、Freescale、VTI Technologies、InvenSense、HDK、Oki、HITACHI、MEMSIC等公司。

使用特殊制程与SIP封装技术生产

由于微机电制程，需针对机械结构部份，进行大量的制程处理，而此制程技术均被各家视为极为机密之技术，于是此阶段投入的厂商均使用自有之半导体厂房设备，进行研发及生产。而且为追求高可靠度与效能，所以除ADI是使用自有研发专利，采用POLY Silicon做为感测材料，并使用特殊之CMOS制程，将微结构与模拟.数字感测电路整合为单芯片之外，其余大多均是采用SIP(System In Package)封装技术，将微机电半导体制程生产之微机电芯片与CMOS制程生产之模拟、数字芯片封在单一封装材料中。

台湾MEMS产业发展历程与现况

1966年，台湾科技教父李国鼎先生时任经济部长兼任经合会副主任委员时，为了发展台湾的工业，积极推动成立高雄加工出口区，为世界第一个加工出口区，让台湾开始作为国际加工出口基地。但主要还是都以电子业代工组装为主，以赚取微薄的代工利润。但在这个期间之中，美日等国开始在台湾投资消费性电子产业，让台湾工业得以学习国外的经验，从而进行往产业上游之整合，并发展出相关之电子零组件，逐步从消费性电子产业的组装、配件，进而将一个个零件转由在台湾生产。然而，其中最关键的零组件生产技术仍然掌握在外国厂商手中，如半导体芯片。

政府主导 成立专业晶圆代工厂

1973年，孙运璇先生力排众议，成立以政府资金为主，但为半官方机构工业技术研究院，以突破政府法规限制，得以高薪聘请归国学人，从事产业研发。1974年7月，台湾半导体之父潘文渊先生，当时在美国无线电公司（RCA）担任微波研究室主任，受邀回台与行政院秘书长费骅先生、经济部长孙运璇先生商讨如何加快台湾产业转型。当时潘文渊先生提出发展集成电路（IC）技术，认为是帮助台湾产业往高科技转型最有机会的技术。

在孙运璇先生大力支持下，立法院通过电子所发展集成电路的四年1,000万美元预算。这笔预算，当时折合新台币4亿元，在30多年前，台湾平均国民所得仅400美元，所以可说是产业政策上的一大豪赌，成为当时全国花费最庞大的单一计划。「RCA计划」率领一群菁英到美国RCA公司研究半导体技术发展，当时的成员包括现在的联电荣誉董事长曹兴诚先生、杨丁元先生、旺宏前董事长胡定华先生、清华大学科管所所长史钦泰先生、联发科技董事长蔡明介先生、胜华科技董事长黄显雄先生、台积电前副董事长曾繁城先生、富鑫创投邱罗火先生等人。而先人的远见及创举也为台湾建立了整个半导体产业垂直体系，至今三十几年内，继纺织、钢铁后，再次成功的造就了台湾另一次的新兴工业与经济奇迹。

1980年时，受惠于RCA计划之成果，台湾第一家半导体组件整合制造厂联华电子从工研院独立成立，台湾开始进入了半导体时代。在1987年，也在政府的支持下，全世界第一家专业晶圆代工厂「台湾集成电路公司」成立。大幅降低半导体设计公司(Fabless CMOS IC Design House)的资金门坎，使得台湾的Fabless CMOS IC Design House如雨后春笋般的成立，直至2000年代，为台湾在全球半导体产业，创下光荣的战绩。

2000年初 台湾MEMS技术初生

至2000年代初期，台湾挟过去近30年的半导体产业发展，加上厂商与人力资源对半导体制程掌握技术日愈成熟，造就了台湾MEMS技术初生期。1997年全磊微机电成立，是台湾第一家以MEMS制程技术制作压力传感器组件(Pressure Sensor)。接着在2001年在前工研院林敏雄博士、清华大学电机系教授黄瑞星老师的推动下亚太优势微系统成立，初期业务为MEMS专业代工。2003年先进微系统科技成立，以研发奈米微投影机(Pico-projection module)为主。2004年华新丽华集团的探微科技也成立，与亚太优势同样以MEMS专业代工为主。上述产业先进的投入，也将台湾半导体产业正式带入MEMS领域。

《图二 台湾半导体晶圆代工厂致力于开发出将半导体组件与MEMS组件整合于同一个硅基板(System On Chip,SOC)的微机电制程，可称为CMOS-MEMS制程。》

在此阶段，投入的厂商均自行采购4吋或6吋晶圆厂房，使用自行开发之制程技术，如体型微加工(bulk micromachining)、微光刻电铸模造技术(LIGA)、绝缘层上硅晶(SOI)等，投入微机电组件之设计生产或代工，适合开发如微镜片(microlen)、微喷嘴(micro-nozzle)、微探针(microprobe)、微流道(mciro-channel)以及能输出大讯号的感测组件，如压力传感器(piezoresistive) 等单纯微结构(Pure Microstructure)为主体的组件。由于自有厂房，所以对制程与半导体料材掌握度高，优点在于微机电结构设计弹性较大，缺点则是与标准CMOS制程不兼容，所以如有需要与CMOS主、被动组件整合时，则与国外绝多数厂商一样采用SIP(System In Package)之封装技术，将不同制程之微机电组件与CMOS感测接口电路两个棵晶(Die)封装在一起，而如此则容易造成远大于讯号的噪声(Noise)产生以及成本的增加。

晶圆代工厂切入MEMS代工

同样在2000年代初期与近期，台湾晶圆代工厂如台积电也陆续的投入，希望能积极的切入MEMS代工领域，不同于亚太优势微系统、探微科技、全磊微机电等使用之MEMS制程，台湾半导体晶圆代工厂致力于开发出将半导体组件与MEMS组件整合于同一个硅基板(System On Chip,SOC)的微机电制程，可称为CMOS-MEMS制程，意指在标准CMOS制程上制作MEMS组件。

由于晶圆代工厂的加入，也解决过去MEMS技术最为人垢病之制程技术?定度、生产良率、产能利能率的问题，相关的标准基础设备也将大幅改变。此外，MEMS产业的商业模式与规模经济也将随之改变，并大幅度降低研发与生产成本，更有助于缩短产品投入市场的时间与降低资金门坎。

CMOS-MEMS除可带来上述商业模式上的优点外，在制程技术上，可使用体型微加工(bulk micromachining)、面型微加工(surface micromachining)等制程技术，上述制程能有助于处理标准CMOS制程上微机电结构的部份，大幅减少过去用SIP(System In Package)之封装技术，芯片与芯片之间的噪声负荷(Noise)，此制程能有效使微机电与半导体组件间整合更完善，适合开发需高效能机电整合之微机电组件，如加速度感测芯片(Accelerometer Sensor)、陀螺仪芯片(Gyroscope Sensor)、硅麦克风芯片(MEMS microphone) 、磁场感测芯片(Hall Sensor)等。

CMOS-MEMS技术于加速度传感器的优势

在可预见的未来，一种包括了感测、致动、运算和物理动作等功能之SSoC(Sensing System-On-Chip)可望产生，这颗单芯片之中将完整结合传感器(Sensor)、致动器(Actuator)、控制系统(Control function)、微处理单元(CPU)、内存(Memory)、数字讯号电路(Digital circuit)、模拟讯号电路(Analog circuit)的终极SoC单芯片。

如上述所提，由于在需高效能机电整合之MEMS组件如加速度感测芯片(Accelerometer Sensor)上，更适合利用过去台湾建立之CMOS共同半导体制程基础上去研究开发，此将成为台湾进入MEMS产业的另一个机会，同时也会是产业趋势，便是将以往独立的MEMS结构芯片与独立的模拟电路芯片都整合在一片芯片之上，使芯片运作性能更优良。

《图三 微智半导体设计的加速度感测芯片，图为LGA封装，最新设计为与Standard CMOS QFN Package相同之封装。》

CMOS-MEMS制程的研发优势

CMOS-MEMS的制程，可以直接在标准CMOS半导体材料内建构MEMS结构。CMOS-MEMS制程得以将多个传感器MEMS结构和CMOS电路整合到一个共享的半导体平台内，在单一CMOS-MEMS芯片上的传感器与电路共享相同的硅基板，并在芯片上紧密连接，所有传感器的整体性能因而优于各单独传感器的性能加总。与其他技术迫使以不相同的制程技术逐一建构各个独立电路与微机电结构有所差异。所以与IC兼容的制程，来整合传感器与接口电路于单一个芯片，是微机电产业相当重要的发展方向。

以加速度感测芯片(Accelerometer Sensor)研发为例，使用CMOS的标准制程平台来制作，其研发优势简述如下：

1. CMOS标准制程具有完善制程设备与稳定制程参数，且可直接使用在标准制程中各层的沉积材料，来做为机械的结构层或是牺牲层以释放MEMS组件。

2. CMOS制程可结合MEMS组件与电路IC于单体(monolithic)整合型系统，其好处可降低传输讯号的衰减、寄生电容与噪声产生，进而增加后续讯号的处理，并经由IC快速准确的运算功能，更可处理复杂系统输出讯号，以提升系统读取的功能性(functionality)及准确性(accuracy)，并可达到定位、校正、回授控制、补偿、驱动及感测等功能。

3. 当微传感器在能量输出转换，最后以电(electric)的方式，转为模拟(analog)、数字(digital)讯号输出，并以电路技术来处理，可达到芯片级的整合。所以具有自我测试(self-testing)或是转为数字输出讯号，将可与外加设备进行高速高效能的附加功能。

4. 透过晶圆专工服务 (foundry service)，更可减少制程设备的投资。并且在专业电子化制作过程，可大幅降低因非标准制程、机台稳定性及人为技术所带来的不稳定与不确定性。因此制作过程中避免了在结构尺寸上较大的误差或电性飘移等问题。最终将可大幅增加后续特殊制程或量测的依赖性。

5. 透过成熟的CMOS标准制程平台，更利于学术界与产业界的技术移转交流。

在CMOS-MEMS技术上，台湾可利用过去半导体发展的优势基础上，逐步使台湾MEMS产业供应链日益成熟，预计可逐渐的赶上并超越现行国外的技术，降低台湾产业对国外技术的依赖，并与国外厂商有所抗衡，对台湾产业的发展具有相当正面的意义。

《图四 微智半导体.2008年11月最新设计之SSoC加速度感测芯片。》

一如过去台湾半导体发展史，由于台湾晶圆代厂切入MEMS组件生产制程代工，台湾的MEMS产业也将形成从设计、制程生产、封装、测试、应用的完整分工体系与产业聚落。全台湾第一家Fabless CMOS-MEMS Design House加速度微感测芯片设计公司「微智半导体(图一)」也于清华大学育成中心创立，微智致力于CMOS-MEMS加速度感测芯片(图二)之研发设计与销售。其使用特殊之专利制程生产之加速度感测芯片，尤其在成本结构上，相较于现有技术有其卓越之表现(表一)。

OKi、HDK

台湾CMOS-MEMS产业的期许与展望

CMOS-MEMS相较于过去的CMOS而言，更为复杂，从国外厂商大多均使用自有半导厂生产可得知。CMOS-MEMS要从设计、生产、制程处理、封装、测试从上而下的成功整合，其难度绝对远大于过去的CMOS专业分工。于是在世界各国之中，MEMS产业无不是政府资源的大力扶持才得以成功，然而，此时台湾政府的相关领导人，是否能有如1973年代李国鼎先生、孙运璇先生、潘文渊先生等先进一样的远见，适时投入政府资源，并积极协助既有半导体厂商的上下游结成相关产业联盟。

同样的，过去在国家科技政策大力扶植下，所成立的半导体晶圆厂如联华电子、台积电等，在CMOS-MEMS产业也将扮演着至关重要的角色，如其能更为积极的整合台湾既有的相关产业资源，并扶植台湾长期投入开发且已有明显研发成果的微机电IC设计公司完成产品大规模量产的制程规划，使之成为台湾CMOS-MEMS产业发展的火车头。

如此，CMOS-MEMS将能像台湾在1987年成立专业晶圆代工厂后的成果相同，带动一波MEMS IC设计公司的营运模式，并使台湾MEMS技术迈向快速成长期。在此发展趋势下，也期待未来会有更多的人力资源与厂商，陆续投入设计与生产CMOS-MEMS制程相关的MEMS芯片 ，带起台湾下一个高速成长的产业。

（作者为微智半导体总经理 连络信箱eason@memsmart.com.tw）