CMOS-MEMS設計實務簡介

在上一期的文章中，已經將CMOS-MEMS技術的發展歷程與應用現況做了簡明扼要的介紹，以下將列舉幾個利用標準積體電路製程所製作之微機電裝置以供讀者參考：

射頻微機電（RF MEMS）關鍵零組件之研製

為配合無線通訊系統的高功能密度及小型化的市場趨勢，各種被動元件的發展隨之朝精密化、薄膜化、小型化的方向發展，這種趨勢在電感、電容及電阻器等三種基礎被動元件以及具備高隔絕效率（isolation）、低插入損失（insertion loss）等特性之微機電微波開關（microwave switch）尤其明顯。舉例來說，目前的高Q值電感器大部分都是以off-chip的方式（Q值約500~1500）藉由電路板（PCB）組裝在一起，因而使得成本提升，而一般的晶片電感之Q值多半低於10，特性難達實際設計要求，此外，傳統積體電路常用之螺旋型電感（spiral inductor）在實際的製作中往往佔據了整個積體電路晶片大部分的面積（chip size）。故若能將其整合於單一製程、單一晶片之上（monolithically integrated in a single chip），則可大幅提高系統積集度、降低開發成本。

(圖一)為一般超外差射頻電路示意圖，圖中有底色之功能區塊代表微機電技術能將獨立元件整合到晶片上，如帶通濾波器（band-pass filter）等；或者是說能提昇現有固態電路之性能，如射頻開關（RF switch）、低雜訊放大器（low-noise amplifier；LNA）、混波器（mixer）、壓控振盪器（voltage-controlled oscillator； VCO）、功率放大器（power amplifier；PA）、電感及可變電容（L/C）等。

《圖一　一般兩次降頻之超外差射頻電路》

(圖二)(a)～(d)即為利用CMOS相容製程所研製之各式微機電立體微電感。另(圖三)所示則為一橫向致動之微機電微波開關；一般來說，電子式切換為目前最常用的開關形式，其優點在於速度快、具有與電子電路完全整合之優點，但缺點則為在「開」狀態有較大的插入損失，而在「關」狀態卻有不良的隔離問題。因而相較之下，以微機電技術所製作的微波開關則可補上述二點之缺陷，其切換速度雖較電子式為慢，但選擇性的以高性能微機電微波開關取代現有特性較差的電子式開關，如射頻收發機之傳送／接收（T/R）或者是相位天線陣列等模組，實不失為兼具提升射頻電路效能，與省卻採用昂貴的三五族高速半導體基材的可行方案。

《圖二　利用CMOS-MEMS技術製作各式立體晶片電感器》

《圖三　CMOS-MEMS微機電微波開關》

此微機械式微波開關由兩平行四邊形式致動器、一共面波導以及兩T型連接器所共同組合而成。製程中藉由對二氧化矽及矽基材的乾蝕刻使微結構體懸浮於矽基材上。當未施加電壓於致動器時，T型連接器不產生動作，訊號在共面波導中傳遞，而如施加電壓於致動器時，致動器將推動T型連接器往訊號線的方向移動而使得訊號受T型連接器作用而造成不導通的情況。事實上，以微機電技術來提升目前通訊產業等關鍵零組件的特性很早便已得到相當廣大的認同和迴響，也就是說，若可透過微機電製造技術，以後製程（post process）加工處理來一舉提升目前積體電路製程之元件特性的話，那麼將非常有利於未來積體微機電系統（integrated MEMS）的推行以及貫徹系統單晶片（system on a chip；SoC）之真正意涵。

微機電微感測元件之研製

(圖四)所示之電容式壓力感測器，是由8×8陣列分布之壓力感測胞（sensing cell），如(圖五)(a)、(b)所組成，藉由上下兩平行電極板來產生感測電容，當施加壓力時會導致上電極板變形，使兩電極板之間距改變而產生相應電容量的變化，之後再經由電路將電容之變化值轉成電壓的變量，如此即可得電壓變化與壓力之間的關係。另外在後製程處理方面，當我們完成壓力感測器之設計、模擬、佈局、驗證之後，必須再經由曝光、顯影和RIE乾蝕刻和濕蝕刻和利用PECVD沉積氮化矽膜（Si3N4）以封住蝕刻孔等後製程加工後方能使感測器作動，雖說程序略顯繁瑣，但若能穩定調制各類程序並朝向標準化、簡單化之設計與製造程序邁進，在未來廣大的市場需求之中應仍有著相當不錯的利基。

《圖四　微壓力感測器晶片及其打線後之情形》

《圖五 微壓力感測器單一之感測胞薄膜》

微機電帶通濾波器（bandpass filter）之研製

我們選用TSMC 0.5μm 與0.35μm兩種CMOS製程來製作微機械式濾波器，如(圖六)，其中梳形共振器（comb drive）先由DC bias port給予直流偏壓，同時在drive port 提供一個交流訊號，如此DC bias port和drive port會產生電位差，使得整個懸浮的梳狀結構（shuttle mass）被所產生的靜電力和彈簧結構的反力相互拉伸吸引，而產生週期性位移；在感測端（sense port）則可藉由梳狀結構（shuttle mass）位移的不斷改變產生感應電流，並將其導入電路進行進一步之信號處理。同時，我們藉由同置於晶片上之阻抗放大器將電流訊號轉換為電壓輸出模式，最後才經由頻譜分析儀（spectrum analyzer）來量測其轉移函數（transfer function）。實驗觀察其中心頻率約為13.1KHz，並且幾乎不因Ramp的變動而使中心頻率有偏移的情形，可是其3dB頻寬卻由16Hz變化至7Hz，Q值也由819變化至1871，明顯具有改善品質因數的效果。

《圖六　CMOS-MEMS帶通濾波器-梳形共振結構及電路》

《圖七　CMOS-MEMS帶通濾波器之乾蝕刻後製程》

CMOS-MEMS在光學上之應用

近年光通訊產業中，由於OADM / OXCs光交叉連接設備之推陳出新，並配合高速IP Router、高速ATM及MPλS，ODSI之通信協定制訂後，即使得波長之調度變得較為容易且快速許多。隨著光互連網和微機電系統技術的逐漸發展，目前已有許多研究團隊或公司擬將許多光被動元件以積體化方式製作在適當基材之上，期望能借助微機電微型化、輕量化的製作技術將元件大量生產以達輕薄短小、直接光傳輸（直接光轉換）以及低成本之優勢。微機電技術在光通訊方面的應用相當多，例如光衰減器、光纖開關、光波導等元件，而以光網路次系統來看的話大致有DWDM、OADM、OXC等。

因而我們採用TSMC所提供之標準CMOS 0.35μm製程配合MEMS後製程處理，來製作一具光－機調變機制裝置平台，如(圖八)和一具數位多方向性光切換之微型光連結平台裝置（digital multi-direction optical bench），如(圖九)及(圖十)。其主要目的乃期望能針對傳統大型光網路連結或是空間（free-space）光內連結裝置的尺度和效能改善等提出一個切實可行的先期研究方案。此一10x10圓形微結構（半徑約23μm）陣列與一控制電路（1x8 Demux）同時製作於標準CMOS晶片之上，然而因CMOS製程主要乃針對二維平面之電路結構所設計，因此在元件設計上必須特別考慮微元件經後製程釋放（released）後之結構變形問題，若有需要則考慮在重要結構部位酌予強化。此類的微致動器一般可作為optical cross-connect裝置以及free space integrated interconnection裝置之測試和運用。

《圖八　CMOS-MEMS扭轉式光學微結構之設計和製造》

《圖九　CMOS-MEMS微光學平台裝置之SEM圖》

《圖十　CMOS-MEMS微光學平台裝置－單一元件》

《圖十一　CMOS-MEMS微光學平台單一鏡面之AFM掃瞄結果》

CMOS-MEMS能量轉換裝置之設計與製作

換能裝置在此凡是務求輕薄短小的時代具有著極其重要的地位，例如變壓器或是具有電能-機械能轉換之微馬達等均可做為微元件上的主要動力來源，其功用在於將電能轉換為機械能。如果能將一般馬達微型化，則可提供動力源給微機電系統的各種致動元件，如連桿、齒輪、和開關等，使元件產生運動以達成其所需之功能。(圖十二)是利用標準0.35μm CMOS製程和一道後製程處理所製作的微馬達，此馬達採三相同步馬達之設計，其中轉子（Rotor） 有四個極，定子（Stator） 有十二個極。轉子的材質是鋁。微馬達的直徑約100μm。另外如(圖十三)、(圖十四)所示則為利用標準製程製作之CMOS-MEMS磁陣列鐵芯之微型變壓器。

《圖十二　CMOS-MEMS能量轉換裝置-微型馬達》

《圖十三　CMOS-MEMS能量轉換裝置-微變壓器》

《圖十四　CMOS-MEMS能量轉換裝置-磁陣列鐵芯微變壓器》

此外，靜電式微致動器可大量應用於微機電系統元件中，如微繼電器、微開關、可調式電容、光開關等。靜電式驅動具有製程簡單、低功率消耗、高能量密度等優點。如(圖十五)是利用0.35μm CMOS製程所設計和製作的靜電式微致動器，其中電極板的面積是100μm×100μm，懸臂樑的長度為100～500μm，寬度為3μm，所需的驅動電壓為13V。此微致動器的特點是僅需一道無光罩的後製程處理，並可與積體電路整合在同一塊晶片上。

《圖十五 靜電式微致動裝置》

《圖十六　積體電路微應變計》

《圖十七　積體電路指針式微應變計》

《圖十八　CMOS-MEMS薄膜參數測試元件（Testkeys）》

材料之耐久性為微機電元件之考驗

以上列舉幾個簡單的CMOS-MEMS元件設計案例，可充分說明了縱使在有限的材料種類和結構層數目限制的狀況之下，仍可藉由製程或材料本身之間的選用或是乾（濕）蝕刻選擇性，製作出一切實可行的微型裝置元件。惟需說明的一點是；由於在CMOS製程中，上方的薄膜材料多半由金屬和氧化物堆疊沉積而成，因而在裝置雛型的建立上或許問題不大，但一旦預備走入市場之時，則選用材料的耐久性則會受到相當嚴重的考驗，但無論如何，我們仍可嘗試將重要結構轉植至矽底材等其他方式來製作出所需之裝置元件。

國外之微機電專業代工如Cronos、Sandia等其與CMOS標準製程最大的差異是其具有二至三層機械性質優良穩定而且厚達2μm的多晶矽結構層，而目前CMOS製程之閘多晶矽（policide）層厚度卻多半低於3000A，並不適宜作為結構層之用。然而因多晶矽與氧化層以及矽底材之間具有不同的選擇性，恰可作為一結構釋放之犧牲層。也就是說製程上的先天缺陷（對微機械結構來說）或許存在，但適時且靈活地避開或是反過來加以利用此“缺陷”則是成為CMOS-MEMS設計工程師的重要技能。另外，如(圖十六)至(圖十八)等則為求取CMOS製程中，各層薄膜材料之間所衍生之殘留應力大小，藉由此類的微應變規可提供設計者各材料間所表現出的機械特性，並作為後續設計之參考。

結語－CMOS-MEMS發展趨勢與未來潛力

自西元2000年開始，微機電專業晶圓代工廠陸續出現，從而正式宣告產業垂直分工時代的來臨。除了原有的如Sensonor、Texas Instrument及Analog Devices等整合元件廠外，日本Sony、美國Cronos、Applied MEMS、瑞士Colibrys及法國Tronic's等均已開始提供6吋晶圓之代工服務。此外Philips與Standard MEMS在德國Itzehoe合建8吋CMOS與MEMS共用晶圓廠，此均提供未來整合積體電路製程之微機電裝置發展的良好契機。而在國內方面；華新麗華已建立全新之6吋廠提供晶圓代工服務，亞太優勢也預定將原有的華邦一廠改裝成6吋廠，除了提供自有產品之需求外，亦將提供晶圓代工服務。

CMOS-MEMS對微機電產業之影響

綜觀前述各點，CMOS-MEMS除了具有降低雜訊及降低連線接點數等技術上之優點外，更重要的是提供傳統半導體廠一個以漸進轉移產能方式，跨入微機電事業之切入路徑（penetration path）以及由產品雛形快速發展至量產之能力，茲分述如下：

提供半導體業者跨入微機電事業之切入路徑

一般微機電元件之成本分佈約為製程佔21％、電路16％、測試21％、封裝42％，所以晶圓製造部分，只佔微機電總產值之五分之一左右；另一方面，微機電元件種類多但單一元件每年需求數量不大，除了磁碟機讀寫頭達到10億個、噴墨印表頭達到5億個外，其餘大部分的元件在1億個以下。照這個數字計算，一家公司如果只有單一產品線很難填滿一座6吋晶圓廠之產能，但用4吋或5吋廠營運效率又不如6吋或8吋廠，可能很快被淘汰。一個解決的方法是形成設計公司－製造公司（design house - foundry）之垂直分工，由許多不同產品之設計公司共同填滿晶圓廠之產能，目前Cronos及華新麗華等專業晶圓代工廠即採用此模式。但即使如此，因生產線初期投資金額即相當大（台幣10億左右），廠房完成初期之產能過剩所帶來之虧損一直是個很大之困擾，也是使得投資者切入微機電產業時裹足不前重要原因之一。

另一個解決方法是像Analog Devices、Infineon等公司將微機電與CMOS合併生產，可解決微機電產品初期產能需求不足的問題。但需要特別注意的是MEMS製程中有許多材料如KOH與金會污染CMOS電路，所以intermediate-CMOS process還是有許多限制。所以我們一般仍採用CMOS後製程處理程序（post-CMOS process），所有微機電製程均排在CMOS完成之後，完全不會干擾CMOS生產線，有可能造成污染的製程可以移到隔離區域製造，甚至可使用較低潔淨度（營運成本較低）之區域製造。如果應用此方法，前段薄膜製程可用原有之CMOS生產線製造，只要添加後段之濕蝕刻槽、乾蝕刻機與電鍍設備即可完成微機電製程;可以大幅降低初期投資之風險，也可以讓微機電與CMOS合併生產，提供傳統半導體廠一個以漸進轉移產能方式跨入微機電事業之切入路徑。

提供快速發展至量產之能力

一個微機電元件從雛形出現在文獻中到變成產品，平均需要6到9年，當中發展量產化技術所需要的時間與投資不容忽視。由於CMOS-MEMS後處理方式大部分的製程是在CMOS晶圓廠中完成，所使用的已經是成熟的量產技術，所以雛形測試成功後到達量產的時間可以縮短很多。

善用我國產業優勢

依照競爭力學者Michael Porter教授的說法，擁有全球競爭力之產業具有群聚效應，強勢產業會提攜其周邊產業一起取得全球優勢。事實上我國的電子業就是一個明證：我國擁有全球第一流之CMOS晶圓代工業、積體電路設計、測試及封裝業，新興之微機電產業如能善用暨成之電子產業結構，必能大力加速其發展。而CMOS-MEMS即是在此策略思考下之產物，因其與我國現有的強勢產業最接近，其發展成為全球第一的機會也較大。

CMOS-MEMS與前瞻科技之結合

近十年來許多先進國家之技術預測（technology foresight）均指出將來10年至20年間最重要的三大科技為：奈米科技（nanotechnology）、資訊科技（information technology）與生物科技（biotechnology）。在此趨勢之下，CMOS-MEMS未來之技術研發可充分與之相輔相成，發展前景樂觀，如提供奈米結構（物件）一合適的操作平台等，簡要說明如下：

以CMOS-MEMS作為奈米科技平台

奈米裝置之尺度遠小於人類尺度，所以在實際應用時無法直接產生介面，必須藉微機電技術之助方能產生連結並發揮其功用。例如日本東北大學Esashi教授所開發之高密度資訊儲存技術即利用微機電元件作為奈米碳針之平台，場發射顯示器（field-emission display；FED）也是應用微機電結構作為奈米碳管（carbon nanotube；CNT）之平台。

CMOS-MEMS作為生物科技介面

以微機電技術製作生物感測器已有多年歷史，如檢測血糖、酸鹼值（pH）、毒氣、鉀離子、鈉離子等感測器，但在許多應用上CMOS-MEMS更有其獨到之優點，分述如下：一、如果感測器需要置放於人體體內，則為了減低外連線數目及減低雜訊，感測器信號必須經前處理及經由多工處理（multiplexing）後再傳輸，所以必須與積體電路整合。二、同時檢測多種信號之感測器可利用積體電路進行神經網路運算、自我校正（self calibration）或是儲存校正參數及晶片辨識碼。此外生物科技介面中相當值得注意的是導電聚合物之發展，目前Univ. of Neuchatel之de Rooij教授已應用polyaniline製作感測材料。未來如果聚合物半導體技術成熟，或許有機會將整個生物晶片（含積體電路）全部採用聚合物來製造。

CMOS-MEMS作為資訊科技介面

目前微電子技術已能輕易在同一晶片上放進整個微電腦系統（如8051），能提供高速的資訊處理能力（如Pentium 4），能提供可重新設定之資訊路徑（如FPGA）。而未來發展趨勢是SoC，除了高度積集化以外，同時逐步將原來獨立在外之元件，如感測器、光電介面、微波介面等一一整合到晶片上。而CMOS-MEMS因其製程與CMOS完全相容，因而可說是發展SoC技術之最佳選擇。

（作者鄭英周為台灣大學機研所博士班研究生；戴慶良為中興大學機研所助理教授；張培仁為台灣大學應用力學所教授）