MEMS代工厂玩等待游戏

马克·拉佩德斯著
多年来，微机电系统(MEMS)业务的代工厂一直在耐心地等待MEMS集成器件制造商(idm)将部分或全部生产外包。

MEMS代工厂仍在等待这一发展。由于MEMS是定制设备，采用了专有的工艺和工具集，idm仍然倾向于使用自己的晶圆厂，通常不愿意将生产外包给代工厂。

然而，多年来，MEMS代工厂从市场上的第一波无晶圆厂和小晶圆厂MEMS供应商(如ADI, InvenSense和Knowles)经历了相当大的增长。现在，一批新的无晶圆厂MEMS供应商正在出现。

无晶圆厂播放器，也许有一天idm，将需要一个可靠的MEMS代工合作伙伴来帮助开发更小、更快和更便宜的设备。但是寻找合适的MEMS代工厂合作伙伴说起来容易做起来难。事实上，MEMS代工业务就像狂野的西部。各种形状和大小的MEMS代工厂太多了，但并不是所有的供应商都能生存下来。一些MEMS代工厂已经消失了，而另一些则在苦苦挣扎，可能会倒闭。

全球最大的纯MEMS代工厂商、瑞典Silex Microsystems的营销和战略联盟副总裁Peter Himes称，"市场将继续洗牌。"“小型铸造厂有一条长尾。我们认为，为了生存，你真的需要处于高端水平。MEMS代工业务是资本密集型的。你需要达到一定的收益水平才能在这个游戏中生存。”

随着时间的推移，目前还不清楚哪些MEMS代工厂将成为赢家或输家。所有MEMS代工厂都拥有令人印象深刻的技术阵列，尽管并非所有供应商都是平等的。例如，一些(但不是全部)MEMS代工厂拥有最先进的200mm晶圆厂。此外，一些MEMS代工厂提供交钥匙服务。并非所有公司都提供MEMS-on-CMOS平台、硅中间体、3D透硅通道(tsv)功能、晶圆级封装和其他技术。

MEMS热
MEMS器件用于消费、工业和移动应用，包括加速度计、罗盘、陀螺仪、麦克风和传感器。IHS的数据显示，MEMS市场预计2013年将达到90.9亿美元，较去年的84.1亿美元增长8.1%。2012年，博世(Bosch)和意法半导体(STMicroelectronics)两家idm公司以约7.93亿美元的全球MEMS销售额并列第一。

意法半导体也是全球最大的MEMS代工供应商，2012年销售额为2.03亿美元(Yole Développement)。索尼则以6500万美元的MEMS代工销售额远远排在第二。与此同时，根据Yole的数据，在从ADI和InvenSense获得了一些规模可观的MEMS业务后，台积电的MEMS代工销售额从2011年的第七位跃升至2012年的第三位，销售额为4,200万美元。

在MEMS代工排名中，Silex从2011年的第三名下滑至去年的第五名。Teledyne/Dalsa仍排名第四。据Yole称，GlobalFoundries进入了前20名。

IHS分析师Jérémie Bouchaud表示，全球约20%的MEMS生产外包给了代工厂。但这一数字预计在未来几年内只会攀升至25%。布肖说:“这些都不是标准流程。“将(MEMS工艺)转移到代工厂需要消耗大量能源。”

MEMS制造有时是一个缓慢而繁琐的过程。一般来说，idm已经将其归结为一门精美的艺术，而代工厂仍在努力提高效率。GlobalFoundries MEMS项目高级主管Rakesh Kumar表示:“过去，MEMS制造一直受到具有自己独特工艺的多样化产品所需的长开发周期的阻碍。”“用于批量制造的MEMS工具仍然不像CMOS工具那样成熟，MEMS工艺的低吞吐量是一个关键的制造问题。”

作为回应，许多MEMS代工厂已采取措施帮助加快制造过程。Kumar表示:“由于意识到无晶圆厂公司的增长潜力，MEMS代工厂正专注于提供可重复使用的工艺模块，以减少开发时间，缩短商业化时间。”

事实上，代工外包的大部分增长将来自无晶圆厂供应商，而不是idm。主导MEMS的idm已经拥有内部专业技术，通常不需要代工厂。他说:“idm占据主导地位的关键原因是它们能够提供完整的MEMS解决方案，从MEMS设计到制造、封装、测试和应用支持。”

库马尔预测，随着时间的推移，idm将在某种程度上拥抱代工厂。“许多idm一直在使用6英寸设备进行MEMS制造，这些设备与8英寸MEMS制造相比竞争力越来越弱。因此，为了保持成本竞争力，这些idm将不得不投入更多资金来升级他们的设施，或者考虑将制造外包给8英寸的代工厂。”

生而不平等
为了吸引客户，MEMS代工厂正在采取不同的方法。一般来说，MEMS代工厂有四种基本类型:具有代工厂组件的MEMS idm;拥有MEMS代工厂的oem;提供MEMS服务的硅晶圆代工厂;以及纯MEMs代工厂。

Silex的Himes表示，与IDM或OEM合作有一些优点和缺点。他说:“(idm)已经开发MEMS工艺20或30多年了。”“从代工的角度来看，(idm)可能会吓跑客户。客户希望确保他们的IP是安全的，这样他们的代工选择在未来就不会与他们竞争。”

硅晶圆代工厂正在强势崛起，但它们往往专注于精选工艺和客户。另一方面，一个纯粹的MEMS代工厂可能能够同时处理大量的工艺和客户。Himes表示:“我们的专长是在MEMS代工中管理这种多样性的能力。

在技术方面，代工厂之间还有其他关键差异。通常，MEMS设备位于基于cmos的ASIC上。在许多情况下，MEMS器件和ASIC是分开加工的，并通过封装或粘合步骤进行集成。GlobalFoundries的Kumar说:“封装级集成为设计师提供了更大的灵活性。

一些(但不是全部)公司正在提供或开发MEMS-on-CMOS工艺，即在晶圆厂将两部分集成在一起。Kumar说:“MEMS与CMOS单片集成的好处是提高集成度、低功耗、高速度和减少寄生。”“这样做的代价是制造复杂性的增加和热预算的减少。”

还有其他的考虑。MEMS曾一度是针对工业市场的昂贵设备。现在，MEMS出现在智能手机和平板电脑等大批量市场。应用材料公司200mm新兴技术产品的MEMS专家和战略营销经理Mike Rosa表示:“许多MEMS asp正在以每季度3%至5%的速度下降。“由于经济原因，MEMS设备不断面临更小、更薄和更便宜的压力。”

为了实现这一壮举，许多MEMS代工厂提供了各种堆叠技术，如2.5D插入体、3D tsv和晶圆级封装。例如，在一个流程中，Silex的3D TSV工艺可以在高达600μm衬底的晶圆连接中实现50μm以下的间距。它可以被集成到SOI晶圆的手柄侧，允许高掺杂手柄晶圆和低掺杂器件层的组合。

为了减少信号污染和串扰，Silex还开发了一种名为穿硅绝缘体(TSI)的技术。TSI有时也被称为垂直SOI，它在器件内创建介质隔离区域。

没有流
在MEMS工厂中组装这些技术就像把一块拼图拼在一起。一般来说，MEMS没有标准的工具流程。光刻技术在MEMS中起着重要作用，但它不是关键的使能器。“在典型的工艺流程中，MEMS器件本身将有5到10个光刻步骤。ASIC可以拥有更多，”应用材料公司的罗莎说。“当你谈到CD的分辨率或光刻的线/空间宽度时，MEMS目前在1微米左右，而市场上的器件CD为半微米。”

在MEMS中，关键的工具是沉积、蚀刻和PVD。“当今MEMS器件制造的关键是深度反应离子蚀刻。这一过程被用来在硅中雕刻出盖子，然后用来封装设备。它被用于许多设备，如加速度计，陀螺仪，并包装麦克风，”罗莎说。“对于数字罗盘来说，它将是磁对齐金属的物理气相沉积。对于麦克风，它将是厚氧化物，非晶硅，低应力材料，保形氮化物和这种性质的东西。”

此外，MEMS通常需要一个“释放蚀刻”步骤来去除结构的牺牲层。在这一市场中，SPTS Technologies最近收购了Xactix，一家基于二氟化氙(XeF2)的释放蚀刻技术提供商。SPTS总裁兼首席执行官William Johnson表示，SPTS目前支持硅/钼/锗和氧化硅牺牲层的释放技术。

因此，换句话说，找到合适的工具和材料配方仍然是MEMS面临的挑战。“在传统半导体领域，你有一个ITRS路线图或SEMI标准。路线图详细地说明了每件事的样子。在MEMS领域，这是不存在的，”Applied的Rosa补充道。