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| 解析CMOS-MEMS技術發展與應用現況（上） |
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半導體與微機電的科技結晶
【作者： 鄭英周,戴慶良,張培仁】 2003年07月05日 星期六
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一般而言，微機電元件製造技術大致可區分為三類，即：
- (1)體型微加工（bulk micro-machining）：利用矽晶的晶格方向對各種化學藥品的蝕刻選擇性予以雕塑成形，如對基材進行等向或非等向乾式／濕式蝕刻等，而基材材質主要是單晶矽及Pyrex玻璃、PMMA或其他高分子材料等，部分會用到石英或PZT、ZnO、AlN等具壓電性材質。
- (2)面型微加工（surface micro-machining）：傳統半導體製程中薄膜之成長與蝕刻來便是利用表面微細加工方式來建構所需之元件結構，此外如著名的MUMPs和美國聖地牙哥國家實驗室（SNL）之微機電製程技術即屬此類。其薄膜材質主要是多晶矽（poly-silicon）、氧化矽（silicon dioxide）或磷矽玻璃（PSG）、氮化矽（silicon nitride）及各種金屬如鋁、金、銅等。近幾年也有用到鑽石、碳化矽（silicon carbide）、PZT等薄膜。
- (3)LIGA、微放電加工（micro-EDM）、準分子雷射等方式：LIGA是利用X光進行厚膜光阻曝光，並利用電鑄、熱壓或旋鍍等技術翻成子模，再利用子模製作成最終金屬或陶瓷元件。如德國IMM公司便為使用LIGA製程來發展微元件的著名廠商之一。其優點是可以得到1 mm以上高深寬比（aspect ratio）的結構，缺點是必須利用同步輻射光源進行曝光，儀器設備建置非常不容易且昂貴，因而其應用尚不普遍，且在1 mm厚度以下有逐漸被UV-LIGA取代之趨勢。微放電加工（μ-EDM）為利用放電及化學蝕刻進行基材加工；而準分子雷射（excimer laser）則是利用雷射之局部高能量密度光束將不要的基材移除。兩者之優點均為不需光罩，且若配合精密定位控制系統的話，便能製作精密之三維結構。
- 綜合以上較屬“分立（distribute）”之方式，可製作出外形精巧且製程富彈性之微裝置（所謂“distribute”；即在無塵室自行施行曝光、顯影、蝕刻、電鍍等之微加工步驟），不僅賦予研究人員無限的創意揮灑空間，同時也很適合於針對不同用途之微元件雛形開發；事實上無論是國內外各大學或是較大規模的微機電系統研發單位，亦多半採用此種方式來設計、製作微機電元件，然而此種做法極需具備較豐富製程經驗的製程工程師和適用於多樣性材料之優良機台設備等要素，且於微元件設計或是製作的初期，最好能夠兼顧未來控制（驅動）電路外接時的開發成本以及製程條件控制之一致性等之考量，目前這種方式多半通稱為混合（hybrid）之製作方式；(圖一)為一般hybrid之成品照片，其中(b)、(c)分別為SensoNor以及CSEM所研製之微機電微加速度計。
| 《圖一 以hybrid方式整合之微機電系統裝置.》 |
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前述製程方式在微機電元件的發展上均扮演著舉足輕重的角色，絕佳的製造彈性和產品性能更是讓研究人員對其未來發展深具信心，然目前科技發展趨勢著重整合度和微小化，因而考慮到前述幾種製程均較難以將微機電元件與積體電路同時整合在同一晶片上；其須採用打線（wire bonding）或覆晶（flip chip）、MCM（multi-chip module）等方式將兩者封裝在一起，雖說目前許多已商品化之微機電元件採用此方法，但有許多低雜訊、高性能元件由於需要：(1)降低雜訊：如Analog Devices之加速度計及MEMSCAP之微波被動元件；(2)降低外連線接點數：如德州儀器（Texas Instrument）之DMD、室溫紅外線攝像儀及600 dpi以上之噴墨頭等，則均必須將微機電元件與積體電路盡可能地整合在同一晶片。也就是說，所謂CMOS-MEMS（CMOS-Compatible MEMS）實為將標準CMOS積體電路與微機電系統兩者充分整合的發展技術。此種方式一般通稱為monolithic integration之方式，如(圖二)為瑞士蘇黎世大學物理電子實驗室（PEL）單晶片紅外線感測器雛形之照片。
| 《圖二 以monolithic方式整合之微機電系統裝置（PEL IR sensor）》 |
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CMOS-MEMS之製程相容性探討
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