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台灣CMOS MEMS技術發展與現況
 

【作者: 邱奕翔】   2008年12月03日 星期三

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國外MEMS產業發展歷程與現況

MEMS半導體製程技術發明

西元1958年7月,為了解決電子產品的數量爆衝,當時剛到美國德州儀器任職的Jack Kilby發明了將電阻、電容、電晶體製造在單一片材料上(但接線在外)。隔年1959年1月,快捷半導體創辨人之一的Robert Noyce更想到了利用PCB直接印刷的方式,在單片矽上製造許多個裝置,並直接連接在一起,以減少體積、重量及成本,使主動元件變的小巧,製造起來很簡單,而且很便宜,可適用於需要大量開關及少量被動元件的電腦及其它數位裝置。這兩位產業先進在不同的環境裡,卻近乎同一時間對矽晶片發展提出創新的想法,解決過去電晶體發展的瓶頸,而此舉也將世界的科技巨輪往前滾進了一大步。


就在半導體製程技術被發展的隔一年,微機電(Micro-Electro-Mechanical Systems或簡寫成MEMS)概念被提出。西元1959年,Richard P. Feynman博士在物理學會年會演講提到,將工程科技學發展延伸至微小世界,使機構元件微小化,且得以和電子元件整合。利用平面加工技術,透過製程來整合各機械元件與電子元件,即為微機電系統。而那時的研究方向,主要是還是在單晶矽的非等向性蝕刻上。


《圖一  至90年代起,MEMS走向結合感測器(sensor)、致動器(actuator)、控制系統(control function),且利用共同半導體製程,整合電晶體及機械微結構來製作完整的晶片。》
《圖一 至90年代起,MEMS走向結合感測器(sensor)、致動器(actuator)、控制系統(control function),且利用共同半導體製程,整合電晶體及機械微結構來製作完整的晶片。》資料來源:MEMSIC

隨著製程技術的大幅成長,從西元1958年後,為持續降低生產成本,全世界的晶圓廠致力提升半導體製程技術,縮小電晶體,以增加單一面積中的電晶體數量。進而使半導體製程技術日益成熟,而這也間接的使微小機械結構實現在半導體製程上,逐漸變的更為可能。


在1980年代初期,由於薄膜沉積技術已有很明顯的進步,所以發展了利用?牲層蝕刻技術,來製造薄膜微結構,而且也己經有人嘗試結合電晶體跟微結構在單一晶片上。不過,真正促使此一領域蓬勃發展,仍要等到1980年代末期,那時因為半導體製程技術的日趨成熟,就有了微機械結構,如靜電式的微馬達(electrostatic micromotors)的出現。


國防與汽車電子推動MEMS晶片問世

在1990年初,由於美國政府為國防科技與汽車安全上等需求,以及在資金上的投入,使MEMS起了很大的革命,出現了完整結合感測器(sensor)、致動器(actuator)、控制系統(control function),且利用共同半導體製程,整合電晶體及機械微結構來製作完整的晶片。於是全世界的第一顆微機電感測系統單晶片(SSoC,Sensing System-on-Chip)得以誕生。西元1993年,ADI推出全世界第一顆微機電系統加速度晶片,將機械元件與電子元件整合至同一個晶片中,實現而且更加的超越了西元1959年Feynman博士所提出的概念。此舉讓晶片除了原本擁有的強大數學運算與訊號處理能力之外,更付予主動感測物理量(加速度.壓力等)變化的能力。也將半導體技術帶領至另一個全新的領域。


此後,國外相關公司更是先後投入微機電加速度感測系統單晶片(SSoC,Sensing System-on-Chip)領域的研發,除原本的ADI、BOSCH還有STMicroelectronics、Freescale、VTI Technologies、InvenSense、HDK、Oki、HITACHI、MEMSIC等公司。


使用特殊製程與SIP封裝技術生產

由於微機電製程,需針對機械結構部份,進行大量的製程處理,而此製程技術均被各家視為極為機密之技術,於是此階段投入的廠商均使用自有之半導體廠房設備,進行研發及生產。而且為追求高可靠度與效能,所以除ADI是使用自有研發專利,採用POLY Silicon做為感測材料,並使用特殊之CMOS製程,將微結構與類比.數位感測電路整合為單晶片之外,其餘大多均是採用SIP(System In Package)封裝技術,將微機電半導體製程生產之微機電晶片與CMOS製程生產之類比、數位晶片封在單一封裝材料中。


台灣MEMS產業發展歷程與現況

1966年,台灣科技教父李國鼎先生時任經濟部長兼任經合會副主任委員時,為了發展台灣的工業,積極推動成立高雄加工出口區,為世界第一個加工出口區,讓台灣開始作為國際加工出口基地。但主要還是都以電子業代工組裝為主,以賺取微薄的代工利潤。但在這個期間之中,美日等國開始在台灣投資消費性電子產業,讓台灣工業得以學習國外的經驗,從而進行往產業上游之整合,並發展出相關之電子零組件,逐步從消費性電子產業的組裝、配件,進而將一個個零件轉由在台灣生產。然而,其中最關鍵的零組件生產技術仍然掌握在外國廠商手中,如半導體晶片。


政府主導 成立專業晶圓代工廠

1973年,孫運璿先生力排眾議,成立以政府資金為主,但為半官方機構工業技術研究院,以突破政府法規限制,得以高薪聘請歸國學人,從事產業研發。1974年7月,台灣半導體之父潘文淵先生,當時在美國無線電公司(RCA)擔任微波研究室主任,受邀回台與行政院秘書長費驊先生、經濟部長孫運璿先生商討如何加快台灣產業轉型。當時潘文淵先生提出發展積體電路(IC)技術,認為是幫助台灣產業往高科技轉型最有機會的技術。


在孫運璿先生大力支持下,立法院通過電子所發展積體電路的四年1,000萬美元預算。這筆預算,當時折合新台幣4億元,在30多年前,台灣平均國民所得僅400美元,所以可說是產業政策上的一大豪賭,成為當時全國花費最龐大的單一計畫。「RCA計畫」率領一群菁英到美國RCA公司研究半導體技術發展,當時的成員包括現在的聯電榮譽董事長曹興誠先生、楊丁元先生、旺宏前董事長胡定華先生、清華大學科管所所長史欽泰先生、聯發科技董事長蔡明介先生、勝華科技董事長黃顯雄先生、台積電前副董事長曾繁城先生、富鑫創投邱羅火先生等人。而先人的遠見及創舉也為台灣建立了整個半導體產業垂直體系,至今三十幾年內,繼紡織、鋼鐵後,再次成功的造就了台灣另一次的新興工業與經濟奇蹟。


1980年時,受惠於RCA計劃之成果,台灣第一家半導體元件整合製造廠聯華電子從工研院獨立成立,台灣開始進入了半導體時代。在1987年,也在政府的支持下,全世界第一家專業晶圓代工廠「台灣積體電路公司」成立。大幅降低半導體設計公司(Fabless CMOS IC Design House)的資金門檻,使得台灣的Fabless CMOS IC Design House如雨後春筍般的成立,直至2000年代,為台灣在全球半導體產業,創下光榮的戰績。


2000年初 台灣MEMS技術初生

至2000年代初期,台灣挾過去近30年的半導體產業發展,加上廠商與人力資源對半導體製程掌握技術日愈成熟,造就了台灣MEMS技術初生期。1997年全磊微機電成立,是台灣第一家以MEMS製程技術製作壓力感應器元件(Pressure Sensor)。接著在2001年在前工研院林敏雄博士、清華大學電機系教授黃瑞星老師的推動下亞太優勢微系統成立,初期業務為MEMS專業代工。2003年先進微系統科技成立,以研發奈米微投影機(Pico-projection module)為主。2004年華新麗華集團的探微科技也成立,與亞太優勢同樣以MEMS專業代工為主。上述產業先進的投入,也將台灣半導體產業正式帶入MEMS領域。


《圖二  台灣半導體晶圓代工廠致力於開發出將半導體元件與MEMS元件整合於同一個矽基板(System On Chip,SOC)的微機電製程,可稱為CMOS-MEMS製程。》
《圖二 台灣半導體晶圓代工廠致力於開發出將半導體元件與MEMS元件整合於同一個矽基板(System On Chip,SOC)的微機電製程,可稱為CMOS-MEMS製程。》

在此階段,投入的廠商均自行採購4吋或6吋晶圓廠房,使用自行開發之製程技術,如體型微加工(bulk micromachining)、微光刻電鑄模造技術(LIGA)、絕緣層上矽晶(SOI)等,投入微機電元件之設計生產或代工,適合開發如微鏡片(microlen)、微噴嘴(micro-nozzle)、微探針(microprobe)、微流道(mciro-channel)以及能輸出大訊號的感測元件,如壓力感測器(piezoresistive) 等單純微結構(Pure Microstructure)為主體的元件。由於自有廠房,所以對製程與半導體料材掌握度高,優點在於微機電結構設計彈性較大,缺點則是與標準CMOS製程不相容,所以如有需要與CMOS主、被動元件整合時,則與國外絕多數廠商一樣採用SIP(System In Package)之封裝技術,將不同製程之微機電元件與CMOS感測介面電路兩個棵晶(Die)封裝在一起,而如此則容易造成遠大於訊號的雜訊(Noise)產生以及成本的增加。


晶圓代工廠切入MEMS代工

同樣在2000年代初期與近期,台灣晶圓代工廠如台積電也陸續的投入,希望能積極的切入MEMS代工領域,不同於亞太優勢微系統、探微科技、全磊微機電等使用之MEMS製程,台灣半導體晶圓代工廠致力於開發出將半導體元件與MEMS元件整合於同一個矽基板(System On Chip,SOC)的微機電製程,可稱為CMOS-MEMS製程,意指在標準CMOS製程上製作MEMS元件。


由於晶圓代工廠的加入,也解決過去MEMS技術最為人垢病之製程技術?定度、生產良率、產能利能率的問題,相關的標準基礎設備也將大幅改變。此外,MEMS產業的商業模式與規模經濟也將隨之改變,並大幅度降低研發與生產成本,更有助於縮短產品投入市場的時間與降低資金門檻。


CMOS-MEMS除可帶來上述商業模式上的優點外,在製程技術上,可使用體型微加工(bulk micromachining)、面型微加工(surface micromachining)等製程技術,上述製程能有助於處理標準CMOS製程上微機電結構的部份,大幅減少過去用SIP(System In Package)之封裝技術,晶片與晶片之間的雜訊負荷(Noise),此製程能有效使微機電與半導體元件間整合更完善,適合開發需高效能機電整合之微機電元件,如加速度感測晶片(Accelerometer Sensor)、陀螺儀晶片(Gyroscope Sensor)、矽麥克風晶片(MEMS microphone) 、磁場感測晶片(Hall Sensor)等。


CMOS-MEMS技術於加速度感測器的優勢

在可預見的未來,一種包括了感測、致動、運算和物理動作等功能之SSoC(Sensing System-On-Chip)可望產生,這顆單晶片之中將完整結合感測器(Sensor)、致動器(Actuator)、控制系統(Control function)、微處理單元(CPU)、記憶體(Memory)、數位訊號電路(Digital circuit)、類比訊號電路(Analog circuit)的終極SoC單晶片。


如上述所提,由於在需高效能機電整合之MEMS元件如加速度感測晶片(Accelerometer Sensor)上,更適合利用過去台灣建立之CMOS共同半導體製程基礎上去研究開發,此將成為台灣進入MEMS產業的另一個機會,同時也會是產業趨勢,便是將以往獨立的MEMS結構晶片與獨立的類比電路晶片都整合在一片晶片之上,使晶片運作性能更優良。


《圖三  微智半導體設計的加速度感測晶片,圖為LGA封裝,最新設計為與Standard CMOS QFN Package相同之封裝。》
《圖三 微智半導體設計的加速度感測晶片,圖為LGA封裝,最新設計為與Standard CMOS QFN Package相同之封裝。》

CMOS-MEMS製程的研發優勢

CMOS-MEMS的製程,可以直接在標準CMOS半導體材料內建構MEMS結構。CMOS-MEMS製程得以將多個感測器MEMS結構和CMOS電路整合到一個共用的半導體平台內,在單一CMOS-MEMS晶片上的感測器與電路共享相同的矽基板,並在晶片上緊密連接,所有感測器的整體性能因而優於各單獨感測器的性能加總。與其他技術迫使以不相同的製程技術逐一建構各個獨立電路與微機電結構有所差異。所以與IC相容的製程,來整合感測器與介面電路於單一個晶片,是微機電產業相當重要的發展方向。


以加速度感測晶片(Accelerometer Sensor)研發為例,使用CMOS的標準製程平台來製作,其研發優勢簡述如下:


1. CMOS標準製程具有完善製程設備與穩定製程參數,且可直接使用在標準製程中各層的沉積材料,來做為機械的結構層或是犧牲層以釋放MEMS元件。


2. CMOS製程可結合MEMS元件與電路IC於單體(monolithic)整合型系統,其好處可降低傳輸訊號的衰減、寄生電容與雜訊產生,進而增加後續訊號的處理,並經由IC快速準確的運算功能,更可處理複雜系統輸出訊號,以提升系統讀取的功能性(functionality)及準確性(accuracy),並可達到定位、校正、回授控制、補償、驅動及感測等功能。


3. 當微傳感器在能量輸出轉換,最後以電(electric)的方式,轉為類比(analog)、數位(digital)訊號輸出,並以電路技術來處理,可達到晶片級的整合。所以具有自我測試(self-testing)或是轉為數位輸出訊號,將可與外加設備進行高速高效能的附加功能。


4. 透過晶圓專工服務 (foundry service),更可減少製程設備的投資。並且在專業電子化製作過程,可大幅降低因非標準製程、機台穩定性及人為技術所帶來的不穩定與不確定性。因此製作過程中避免了在結構尺寸上較大的誤差或電性飄移等問題。最終將可大幅增加後續特殊製程或量測的依賴性。


5. 透過成熟的CMOS標準製程平台,更利於學術界與產業界的技術移轉交流。


  


在CMOS-MEMS技術上,台灣可利用過去半導體發展的優勢基礎上,逐步使台灣MEMS產業供應鏈日益成熟,預計可逐漸的趕上並超越現行國外的技術,降低台灣產業對國外技術的依賴,並與國外廠商有所抗衡,對台灣產業的發展具有相當正面的意義。


《圖四  微智半導體.2008年11月最新設計之SSoC加速度感測晶片。》
《圖四 微智半導體.2008年11月最新設計之SSoC加速度感測晶片。》

一如過去台灣半導體發展史,由於台灣晶圓代廠切入MEMS元件生產製程代工,台灣的MEMS產業也將形成從設計、製程生產、封裝、測試、應用的完整分工體系與產業聚落。全台灣第一家Fabless CMOS-MEMS Design House加速度微感測晶片設計公司「微智半導體(圖一)」也於清華大學育成中心創立,微智致力於CMOS-MEMS加速度感測晶片(圖二)之研發設計與銷售。其使用特殊之專利製程生產之加速度感測晶片,尤其在成本結構上,相較於現有技術有其卓越之表現(表一)。


(表一) 加速度感測方式與生產方式之成本與規格比較表

感測方式

電容式(1)

電容式(2)

熱感式

壓阻式

CMOS-MEMS電容式

自有廠房

Y

Y

Y (後段製程)

Y

Fabless

與標準CMOS製程相容

N

N

Y

N

Y

SOC或SIP

SOC

SIP

SIP

SIP

SOC

封裝方式

QFN

LGA

LGA

LGA

Standard CMOS QFN

功率消耗

大/中/小

中/小

溫度影響

反應速度

成本結構

代表廠商

ADI

STM、Fressscale、Bosch

MEMSIC

OKi、HDK

MEMSmart


台灣CMOS-MEMS產業的期許與展望

在此產業發展之分水嶺之際,已經在MEMS產業競賽中,落後國外廠商數年的台灣將如何迎頭趕上?


CMOS-MEMS相較於過去的CMOS而言,更為複雜,從國外廠商大多均使用自有半導廠生產可得知。CMOS-MEMS要從設計、生產、製程處理、封裝、測試從上而下的成功整合,其難度絕對遠大於過去的CMOS專業分工。於是在世界各國之中,MEMS產業無不是政府資源的大力扶持才得以成功,然而,此時台灣政府的相關領導人,是否能有如1973年代李國鼎先生、孫運璿先生、潘文淵先生等先進一樣的遠見,適時投入政府資源,並積極協助既有半導體廠商的上下游結成相關產業聯盟。


同樣的,過去在國家科技政策大力扶植下,所成立的半導體晶圓廠如聯華電子、台積電等,在CMOS-MEMS產業也將扮演著至關重要的角色,如其能更為積極的整合台灣既有的相關產業資源,並扶植台灣長期投入開發且已有明顯研發成果的微機電IC設計公司完成產品大規模量產的製程規劃,使之成為台灣CMOS-MEMS產業發展的火車頭。


如此,CMOS-MEMS將能像台灣在1987年成立專業晶圓代工廠後的成果相同,帶動一波MEMS IC設計公司的營運模式,並使台灣MEMS技術邁向快速成長期。在此發展趨勢下,也期待未來會有更多的人力資源與廠商,陸續投入設計與生產CMOS-MEMS製程相關的MEMS晶片 ,帶起台灣下一個高速成長的產業。


(作者為微智半導體總經理 連絡信箱eason@memsmart.com.tw)


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