CMOS-MEMS设计实务简介

在上一期的文章中，已经将CMOS-MEMS技术的发展历程与应用现况做了简明扼要的介绍，以下将列举几个利用标准积体电路制程所制作之微机电装置以供读者参考：

射频微机电（RF MEMS）关键零组件之研制

为配合无线通讯系统的高功能密度及小型化的市场趋势，各种被动元件的发展随之朝精密化、薄膜化、小型化的方向发展，这种趋势在电感、电容及电阻器等三种基础被动元件以及具备高隔绝效率（isolation）、低插入损失（insertion loss）等特性之微机电微波开关（microwave switch）尤其明显。举例来说，目前的高Q值电感器大部分都是以off-chip的方式（Q值约500~1500）藉由电路板（PCB）组装在一起，因而使得成本提升，而一般的晶片电感之Q值多半低于10，特性难达实际设计要求，此外，传统积体电路常用之螺旋型电感（spiral inductor）在实际的制作中往往占据了整个积体电路晶片大部分的面积（chip size ）。故若能将其整合于单一制程、单一晶片之上（monolithically integrated in a single chip），则可大幅提高系统积集度、降低开发成本。

(图一)为一般超外差射频电路示意图，图中有底色之功能区块代表微机电技术能将独立元件整合到晶片上，如带通滤波器（band-pass filter）等；或者是说能提升现有固态电路之性能，如射频开关（RF switch）、低杂讯放大器（low-noise amplifier；LNA）、混波器（mixer）、压控振荡器（voltage-controlled oscillator； VCO）、功率放大器（power amplifier；PA）、电感及可变电容（L/C）等。

《图一 一般两次降频之超外差射频电路》

(图二)(a)～(d)即为利用CMOS相容制程所研制之各式微机电立体微电感。另(图三)所示则为一横向致动之微机电微波开关；一般来说，电子式切换为目前最常用的开关形式，其优点在于速度快、具有与电子电路完全整合之优点，但缺点则为在「开」状态有较大的插入损失，而在「​​关」状态却有不良的隔离问题。因而相较之下，以微机电技术所制作的微波开关则可补上述二点之缺陷，其切换速度虽较电子式为慢，但选择性的以高性能微机电微波开关取​​代现有特性较差的电子式开关，如射频收发机之传送／接收（T/R）或者是相位天线阵列等模组，实不失为兼具提升射频电路效能，与省却采用昂贵的三五族高速半导体基材的可行方案。

《图二 利用CMOS-MEMS技术制作各式立体芯片电感器》

《图三 CMOS-MEMS微机电微波开关》

此微机械式微波开关由两平行四边形式致动器、一共面波导以及两T型连接器所共同组合而成。制程中藉由对二氧化矽及矽基材的干蚀刻使微结构体悬浮于矽基材上。当未施加电压于致动器时，T型连接器不产生动作，讯号在共面波导中传递，而如施加电压于致动器时，致动器将推动T型连接器往讯号线的方向移动而使得讯号受T型连接器作用而造成不导通的情况。事实上，以微机电技术来提升目前通讯产业等关键零组件的特性很早便已得到相当广大的认同和回响，也就是说，若可透过微机电制造技术，以后制程（post process）加工处理来一举提升目前积体电路制程之元件特性的话，那么将非常有利于未来积体微机电系统（integrated MEMS）的推行以及贯彻系统单晶片（system on a chip；SoC）之真正意涵。

微机电微感测元件之研制

(图四)所示之电容式压力感测器，是由8×8阵列分布之压力感测胞（sensing cell），如(图五)(a)、(b)所组成，藉由上下两平行电极板来产生感测电容，当施加压力时会导致上电极板变形，使两电极板之间距改变而产生相应电容量的变化，之后再经由电路将电容之变化值转成电压的变量，如此即可得电压变化与压力之间的关系。另外在后制程处理方面，当我们完成压力感测器之设计、模拟、布局、验证之后，必须再经由曝光、显影和RIE干蚀刻和湿蚀刻和利用PECVD沉积氮化矽膜（Si3N4）以封住蚀刻孔等后制程加工后方能使感测器作动，虽说程序略显繁琐，但若能稳定调制各类程序并朝向标准化、简单化之设计与制造程序迈进，在未来广大的市场需求之中应仍有着相当不错的利基。

《图四 微压力传感器芯片及其打线后之情形》

《图五 微压力传感器单一之感测胞薄膜》

微机电带通滤波器（bandpass filter）之研制

我们选用TSMC 0.5μm 与0.35μm两种CMOS制程来制作微机械式滤波器，如(图六)，其中梳形共振器（comb drive）先由DC bias port给予直流偏压，同时在drive port 提供一个交流讯号，如此DC bias port和drive port会产生电位差，使得整个悬浮的梳状结构（shuttle mass）被所产生的静电力和弹簧结构的反力相互拉伸吸引，而产生周期性位移；在感测端（sense port）则可藉由梳状结构（shuttle mass）位移的不断改变产生感应电流，并将其导入电路进行进一步之信号处理。同时，我们藉由同置于晶片上之阻抗放大器将电流讯号转换为电压输出模式，最后才经由频谱分析仪（spectrum analyzer）来量测其转移函数（transfer function）。实验观察其中心频率约为13.1KHz，并且几乎不因Ramp的变动而使​​中心频率有偏移的情形，可是其3dB频宽却由16Hz变化至7Hz，Q值也由819变化至1871，明显具有改善品质因数的效果。

《图六 CMOS-MEMS带通滤波器-梳形共振结构及电路》

《图七 CMOS-MEMS带通滤波器之干蚀刻后制程》

CMOS-MEMS在光学上之应用

近年光通讯产业中，由于OADM / OXCs光交叉连接设备之推陈出新，并配合高速IP Router、高速ATM及MPλS，ODSI之通信协定制订后，即使得波长之调度变得较为容易且快速许多。随着光互连网和微机电系统技术的逐渐发展，目前已有许多研究团队或公司拟将许多光被动元件以积体化方式制作在适当基材之上，期望能借助微机电微型化、轻量化的制作技术将元件大量生产以达轻薄短小、直接光传输（直接光转换）以及低成本之优势。微机电技术在光通讯方面的应用相当多，例如光衰减器、光纤开关、光波导等元件，而以光网路次系统来看的话大致有DWDM、OADM、OXC等。

因而我们采用TSMC所提供之标准CMOS 0.35μm制程配合MEMS后制程处理，来制作一具光－机调变机制装置平台，如(图八)和一具数位多方向性光切换之微型光连结平台装置（di​​gital multi-direction optical bench），如(图九)及(图十)。其主要目的乃期望能针对传统大型光网路连结或是空间（free-space）光内连结装置的尺度和效能改善等提出一个切实可行的先期研究方案。此一10x10圆形微结构（半径约23μm）阵列与一控制电路（1x8 Demux）同时制作于标准CMOS晶片之上，然而因CMOS制程主要乃针对二维平面之电路结构所设计，因此在元件设计上必须特别考虑微元件经后制程释放（released）后之结构变形问题，若有需要则考虑在重要结构部位酌予强化。此类的微致动器一般可作为optical cross-connect装置以及free space integrated interconnection装置之测试和运用。

《图八 CMOS-MEMS扭转式光学微结构之设计和制造》

《图九 CMOS-MEMS微光学平台装置之SEM图》

《图十 CMOS-MEMS微光学平台装置－单一组件》

《图十一 CMOS-MEMS微光学平台单一镜面之AFM扫瞄结果》

CMOS-MEMS能量转换装置之设计与制作

换能装置在此凡是务求轻薄短小的时代具有着极其重要的地位，例如变压器或是具有电能-机械能转换之微马达等均可做为微元件上的主要动力来源，其功用在于将电能转换为机械能。如果能将一般马达微型化，则可提供动力源给微​​机电系统的各种致动元件，如连杆、齿轮、和开关等，使元件产生运动以达成其所需之功能。(图十二)是利用标准0.35μm CMOS制程和一道后制程处理所制作的微马达，此马达采三相同步马达之设计，其中转子（Rotor） 有四个极，定子（Stator） 有十二个极。转子的材质是铝。微马达的直径约100μm。另外如(图十三)、(图十四)所示则为利用标准制程制作之CMOS-MEMS磁阵列铁芯之微型变压器。

《图十二 CMOS-MEMS能量转换装置-微型马达》

《图十三 CMOS-MEMS能量转换装置-微变压器》

《图十四 CMOS-MEMS能量转换装置-磁数组铁芯微变压器》

此外，静电式微致动器可大量应用于微机电系统元件中，如微继电器、微开关、可调式电容、光开关等。静电式驱动具有制程简单、低功率消耗、高能量密度等优点。如(图十五)是利用0.35μm CMOS制程所设计和制作的静电式微致动器，其中电极板的面积是100μm×100μm，悬臂梁的长度为100～500μm，宽度为3μm，所需的驱动电压为13V。此微致动器的特点是仅需一道无光罩的后制程处理，并可与积体电路整合在同一块晶片上。

《图十五 静电式微致动装置》

《图十六 集成电路微应变计》

《图十七 集成电路指针式微应变计》

《图十八 CMOS-MEMS薄膜参数测试组件（Testkeys）》

材料之耐久性为微机电元件之考验

以上列举几个简单的CMOS-MEMS元件设计案例，可充分说明了纵使在有限的材料种类和结构层数目限制的状况之下，仍可藉由制程或材料本身之间的选用或是干（湿）蚀刻选择性，制作出一切实可行的微型装置元件。惟需说明的一点是；由于在CMOS制程中，上方的薄膜材料多半由金属和氧化物堆叠沉积而成，因而在装置雏型的建立上或许问题不大，但一旦预备走入市场之时，则选用材料的耐久性则会受到相当严重的考验，但无论如何，我们仍可尝试将重要结构转植至矽底材等其他方式来制作出所需之装置元件。

国外之微机电专业代工如Cronos、Sandia等其与CMOS标准制程最大的差异是其具有二至三层机械性质优良稳定而且厚达2μm的多晶矽结构层，而目前CMOS制程之闸多晶矽（policide ）层厚度却多半低于3000A，并不适宜作为结构层之用。然而因多晶矽与氧化层以及矽底材之间具有不同的选择性，恰可作为一结构释放之牺牲层。也就是说制程上的先天缺陷（对微机械结构来说）或许存在，但适时且灵活地避开或是反过来加以利用此“缺陷”则是成为CMOS-MEMS设计工程师的重要技能。另外，如(图十六)至(图十八)等则为求取CMOS制程中，各层薄膜材料之间所衍生之残留应力大小，藉由此类的微应变规可提供设计者各材料间所表现出的机械特性，并作为后续设计之参考。

结语－CMOS-MEMS发展趋势与未来潜力

自西元2000年开始，微机电专业晶圆代工厂陆续出现，从而正式宣告产业垂直分工时代的来临。除了原有的如Sensonor、Texas Instrument及Analog Devices等整合元件厂外，日本Sony、美国Cronos、Applied MEMS、瑞士Colibrys及法国Tronic's等均已开始提供6吋晶圆之代工服务。此外Philips与Standard MEMS在德国Itzehoe合建8吋CMOS与MEMS共用晶圆厂，此均提供未来整合积体电路制程之微机电装置发展的良好契机。而在国内方面；华新丽华已建立全新之6吋厂提供晶圆代工服务，亚太优势也预定将原有的华邦一厂改装成6吋厂，除了提供自有产品之需求外，亦将提供晶圆代工服务。

CMOS-MEMS对微机电产业之影响

综观前述各点，CMOS-MEMS除了具有降低杂讯及降低连线接点数等技术上之优点外，更重要的是提供传统半导体厂一个以渐进转移产能方式，跨入微机电事业之切入路径（penetration path）以及由产品雏形快速发展至量产之能力，兹分述如下：

提供半导体业者跨入微机电事业之切入路径

一般微机电元件之成本分布约为制程占21％、电路16％、测试21％、封装42％，所以晶圆制造部分，只占微机电总产值之五分之一左右；另一方面，微机电元件种类多但单一元件每年需求数量不大，除了磁碟机读写头达到10亿个、喷墨印表头达到5亿个外，其余大部分的元件在1亿个以下。照这个数字计算，一家公司如果只有单一产品线很难填满一座6吋晶圆厂之产能，但用4吋或5吋厂营运效率又不如6吋或8吋厂，可能很快被淘汰。一个解决的方法是形成设计公司－制造公司（design house - foundry）之垂直分工，由许多不同产品之设计公司共同填满晶圆厂之产能，目前Cronos及华新丽华等专业晶圆代工厂即采用此模式。但即使如此，因生产线初期投资金额即相当大（台币10亿左右），厂房完成初期之产能过剩所带来之亏损一直是个很大之困扰，也是使得投资者切入微机电产业时裹足不前重要原因之一。

另一个解决方法是像Analog Devices、Infineon等公司将微机电与CMOS合并生产，可解决微机电产品初期产能需求不足的问题。但需要特别注意的是MEMS制程中有许多材料如KOH与金会污染CMOS电路，所以intermediate-CMOS process还是有许多限制。所以我们一般仍采用CMOS后制程处理程序（post-CMOS process），所有微机电制程均排在CMOS完成之后，完全不会干扰CMOS生产线，有可能造成污染的制程可以移到隔离区域制造，甚至可使用较低洁净度（营运成本较低）之区域制造。如果应用此方法，前段薄膜制程可用原有之CMOS生产线制造，只要添加后段之湿蚀刻槽、干蚀刻机与电镀设备即可完成微机电制程;可以大幅降低初期投资之风险，也可以让微机电与CMOS合并生产，提供传统半导体厂一个以渐进转移产能方式跨入微机电事业之切入路径。

提供快速发展至量产之能力

一个微机电元件从雏形出现在文献中到变成产品，平均需要6到9年，当中发展量产化技术所需要的时间与投资不容忽视。由于CMOS-MEMS后处理方式大部分的制程是在CMOS晶圆厂中完成，所使用的已经是成熟的量产技术，所以雏形测试成功后到达量产的时间可以缩短很多。

善用我国产业优势

依照竞争力学者Michael Porter教授的说法，拥有全球竞争力之产业具有群聚效应，强势产业会提携其周边产业一起取得全球优势。事实上我国的电子业就是一个明证：我国拥有全球第一流之CMOS晶圆代工业、积体电路设计、测试及封装业，新兴之微机电产业如能善用暨成之电子产业结构，必能大力加速其发展。而CMOS-MEMS即是在此策略思考下之产物，因其与我国现有的强势产业最接近，其发展成为全球第一的机会也较大。

CMOS-MEMS与前瞻科技之结合

近十年来许多先进国家之技术预测（technology foresight）均指出将来10年至20年间最重要的三大科技为：奈米​​科技（nanotechnology）、资讯科技（information technology）与生物科技（biotechnology）。在此趋势之下，CMOS-MEMS未来之技术研发可充分与之相辅相成，发展前景乐观，如提供奈米结构（物件）一合适的操作平台等，简要说明如下：

以CMOS-MEMS作为奈米科技平台

奈米装置之尺度远小于人类尺度，所以在实际应用时无法直接产生介面，必须借微机电技术之助方能产生连结并发挥其功用。例如日本东北大学Esashi教授所开发之高密度资讯储存技术即利用微机电元件作为奈米碳针之平台，场发射显示器（field-emission display；FED）也是应用微机电结构作为奈米碳管（carbon nanotube；CNT）之平台。

CMOS-MEMS作为生物科技介面

以微机电技术制作生物感测器已有多年历史，如检测血糖、酸碱值（pH）、毒气、钾离子、钠离子等感测器，但在许多应用上CMOS-MEMS更有其独到之优点，分述如下：一、如果感测器需要置放于人体体内，则为了减低外连线数目及减低杂讯，感测器信号必须经前处理及经由多工处理（multiplexing）后再传输，所以必须与积体电路整合。二、同时检测多种信号之感测器可利用积体电路进行神经网路运算、自我校正（self calibration）或是储存校正参数及晶片辨识码。此外生物科技介面中相当值得注意的是导电聚合物之发展，目前Univ. of Neuchatel之de Rooij教授已应用polyaniline制作感测材料。未来如果聚合物半导体技术成熟，或许有机会将整个生物晶片（含积体电路）全部采用聚合物来制造。

CMOS-MEMS作为资讯科技介面

目前微电子技术已能轻易在同一晶片上放进整个微电脑系统（如8051），能提供高速的资讯处理能力（如Pentium 4），能提供可重新设定之资讯路径（如FPGA）。而未来发展趋势是SoC，除了高度积集化以外，同时逐步将原来独立在外之元件，如感测器、光电介面、微波介面等一一整合到晶片上。而CMOS-MEMS因其制程与CMOS完全相容，因而可说是发展SoC技术之最佳选择。

（作者郑英周为台湾大学机研所博士班研究生；戴庆良为中兴大学机研所助理教授；张培仁为台湾大学应用力学所教授）