MEMS技術有非常廣闊的應用前景，特別是進入物聯網時代，只有MEMS能夠滿足物聯網應用對傳感器和執行器的要求。
在LPWAN技術突破了物聯網發展緩慢的瓶頸後，隨著下游需求的擴張，傳感器即將成為半導體產業增速最快的細分領域之一。近年來，尤其是MEMS傳感器在可穿戴產品、智能家居、智能製造、智能手機、智能汽車和自動駕駛等領域得到了非常廣泛的應用，產品包括各種運動傳感器、氣敏/溼敏/光敏傳感器、紅外成像傳感器等。僅應用於智能手機中的MEMS器件已經有十幾種，包括9軸慣性傳感器、MEMS麥克風、RF MEMS、氣壓計、溫溼度傳感器、氣體傳感器、自動對焦執行器、光學MEMS等。
MEMS的前世今生與其獨特的製造工藝
MEMS是微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System)的簡稱。它有兩個特徵：其一是器件尺寸在微米或納米量級;其二是通常有一個懸臂樑(即懸空的運動部件)以實現感知或傳動功能。
MEMS製造技術衍生自CMOS集成電路製造技術。在過去的50多年時間裡，CMOS集成電路製造技術發展迅猛，成為有史以來精細度和複雜度最高的製造技術，單從器件尺寸上說，從1970年代的1微米線寬，已經縮微到現在的20納米線寬，使得單位硅襯底面積上的器件數量有了極大地提高。
在器件圖形化方面，CMOS技術的工藝能力遠遠超過MEMS器件製造的需求。可以說，CMOS集成電路製造技術為MEMS製造奠定了十分堅實的基礎。但另一方面，MEMS製造工藝又有它不同於CMOS製造的特點。
首先，是它獨特的懸臂樑部件形成工藝。目前可供選用的懸臂樑形成工藝有兩類，一類採用犧牲層工藝，另一類採用晶圓鍵合工藝。
圖1(左)給出了採用犧牲層工藝形成懸臂樑的流程示意圖。具體做法是在硅襯底表面沉積犧牲層，比如二氧化硅層、結構層、多晶硅層。之後採用特殊的工藝，通過光刻、刻蝕、化學機械拋光(CMP)等CMOS圖形化工藝將犧牲層暴露出來，並用化學溶劑(溼法)或化學蒸汽(幹法)把吸收層腐蝕掉，使結構層懸空，形成懸臂樑。
圖1(右)展示的是採用晶圓鍵合工藝形成懸臂樑的流程示意圖。具體做法是在硅襯底上先形成懸臂樑下的空腔，再將結構層晶圓表面向下，與襯底晶圓鍵合在一起。之後採用減薄技術，將結構晶圓從背面減薄，只保留滿足懸臂樑要求的厚度。再通過光刻、刻蝕等CMOS圖形化工藝，形成懸臂樑。
兩種技術方案的區別在於前者的工藝相對簡單，除了在採用蒸汽刻蝕時需要引入特殊的蒸汽刻蝕設備，基本可使用現有的CMOS工業設備，與CMOS製造的兼容性好。而採用晶圓鍵合工藝需要使用晶圓鍵合設備，因此技術複雜度相對較高，並因此增加了一些製造成本。它的優點是懸臂樑的質量和工藝一致性高。在犧牲層工藝中，結構層是由高溫沉積形成的多晶硅材料，層內不可避免地殘存有應力。這樣，薄膜生長工藝條件的漲落很容易造成片內和片間均勻性問題，甚至造成良率的降低。採用鍵合工藝形成的結構層是單晶材料，層內沒有高溫生長帶來的應力，材料性能的一致性好，對良率提升有很大助益。
圖1 兩種製備MEMS懸臂樑結構的工藝流程
MEMS工藝不同於CMOS工藝的另一個方面在於前者對封裝的特殊要求。對CMOS來說，當器件通過互連方式完成多層佈線，即可通過側面打線、倒裝焊接，或者基於硅通孔(TSV)技術的多維(2.5D/3D)封裝進行封裝連線，再用塑料封裝填充封裝。而對MEMS來說，器件的懸臂樑結構必須能夠自由運動，因此，不能像CMOS那樣進行填充封裝，而必須採用帽封方式，把懸臂樑等部件用封帽罩起來。帽內不填注材料。特別是運動型MEMS器件，需要在封帽內保持真空。因此MEMS封裝帶來了很大的工藝複雜度和成本上升。
在採用單芯片帽封工藝時，真空封裝的MEMS製造成本中，封裝佔70%以上。一個降低成本的手段是採用晶圓級封裝，即在一個硅片上，設計製造一個空腔，形成封蓋晶圓，再把封蓋晶圓蓋到器件晶圓上，實現晶圓級真空封裝。為了與晶圓級封裝相匹配，還要考慮電學引線的連出。圖2給出了通過硅通孔連線和晶圓級封裝完成的MEMS器件結構示意圖。
圖2 通過硅通孔連線和晶圓級封裝完成的MEMS器件結構示意圖
如何應對MEMS的市場機遇與挑戰?
MEMS技術有非常廣闊的應用前景，特別是進入物聯網時代，只有MEMS能夠滿足物聯網應用對傳感器和執行器的要求。目前，世界上用於MEMS製造的生產線主要還是從CMOS主流產品製造上淘汰下來的8英寸線。採用這些產線，即可用於滿足海量製造的要求，又可以使每一顆MEMS的製造成本降到滿足消費類產品的價格要求的程度。MEMS市場的應用種類繁多，產品生產技術非常多樣化，這為中小企業帶來了機遇。特別是之前有過技術積累的企業，將會在很多市場中發現機會，贏得企業的快速發展。
為了讓更多的傳感器企業更好地瞭解產業現狀與市場需求，讓更多的物聯網企業更好地落地物聯網應用，物聯傳媒將於2018年4月25日“第十屆國際物聯網博覽會”春季展期間同期舉辦“2018蘇州物聯網傳感器高峰論壇”。屆時，我們將邀請海內外傳感器的知名企業、行業著名專家、物聯網應用廠商等就物聯網傳感器的行業現狀與應用需求進行一次深入的探討，以便讓更多人瞭解新時期傳感器市場痛點、應用實踐、技術趨勢等，並且將深入探討海內外MEMS傳感器市場機遇與挑戰。
論壇參考議程：
時間 | 演講主題 | 演講企業 |
9:00-9:20 | 簽到、自由交流 | |
| 9:20-9:30 | 開幕致辭 | |
9:30-9:50 | 物聯網傳感器的行業現狀與發展趨勢 | 意法半導體（中國）投資有限公司 |
9:50-10:10 | MEMS傳感器的市場狀況與應用實踐 | 待定 |
10:10-10:30 | 智能家電傳感器解決方案 | 待定 |
10:30-10:50 | 無線傳感器網絡標準化進展與協議分析 | 北京崑崙海岸傳感技術有限公司 |
10:50-11:10 | 打造超越摩爾產業生態鏈 | 待定 |
11:10-11:30 | 待定 | 待定 |
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