微机电系统MEMS的标准化.docx

2000年第14卷专邗华北工学院一试技术学报Vo14Mono 2000 JoUNAOF TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY OF NCIT微机电系统(皿骼)的标准化董海峰张文栋(华北工学院山西太原030051)要本文对微机电系统(WEMS)标准化问题进行n苟要叙进，比较7 M雕s标准化j传统制造业瘦微电子工业标准化的异同对心脏标准化所涉及的内容进行丁概括，最后对MiStS领域的标准化趋势进行了预测。关t词：标准化微机电系统(一、概述从微观的角度讲，标准化是为了提高生产效率、市场竞争力、降低生产费用；从宏观 的角度讲标准化是消除垄断竞争、提高生产的社会化水平、节约社会总消耗、增大整个十 会的投入产出比的重要手段。在标准化的制定和实施过程中，政府、国际组织、技术专家 都在其中发挥各自的作用。1现今国际上著名的标准化组织有CCITT、IS0FC等，前者 主要从事通信领域的标准化后者主要从事电子电路工业的标准化。2标准化的制定和实 施己逐渐成为一种国际化行为，这是人类社会追求共同发展、共同进步的结果。标准化与自 由竞争是一对既相互排斥，又相互促进的矛盾统一体。标准化本质上是一种统一游戏规则， 鼓励自由竞争的手段，但也存在某些国家和企业利用自身的优势，强行将自己的标准作为国 际标准咀扩大垄断地位的情况。标准化的过程同时也是一个利益分配的过程，所以1生标准化 的制定过程中各个国家都尽力使国际标准与自身情况相接近，而在标准实施以后则尽司 能向国际标准靠拢。与MEMS产业对应的是传统制造业和微电子工业，传统制造业的标准化大约在19世纪 二三十年代就己开始迄今已相当完善它可以说是现代社会化协作大生产的基石。另。方 面，微电子的标准化是现代信息产业的基石，忽视标准化、忽视产品的互换性(兼容性)所 导致的失败教训非常之多。与微电子=【：业相比，M酬s器件的标准化有其独特的重要性和难 度，MFKS器件所测量和驱动的量分属不同的领域，包括机械、电、声、光、热、磁等，爿 且MEdS产品的研制开发常常在构成微系统之后才能发挥其巨大的威力，这就要求对构成EMs 系统的各组件进行标准化，同时也增大了这种标准化的难度。与传统制造业相比，ME胚产 业的微尺度使得影响器件功能的参数及其要求发生变化，因而相应的标准也要发生变化3，二、世界企业格局、擞电子业发展与姬峪标准化目前的世界企业格局有两种变化趋势：一方面，随着市场的国际化一些大套12纷纷本项目受山西省自然科学基金资助，项耳号：971036 本项目受国家杰出青年科学基金资助，项目号：59722512+收稿日期：2000-0323752华北工学院测试技术学报2000年6月合井重组，以提高国际竞争力；另一方面，随着现代科技的发展，尤其是信息产业的发展， 使得中小企业获得蓬勃兴起的物质基础，据美国时代杂志统计，19981999两年间， 全美中小企业的注册量超过前3年的总和。地Ms产业所涉及的面非常之广但是真正具有 巨大市场潜力，如用于汽车气囊的加速度计，并不是很多。决大多数bll珈S器件的市场容量 处于中小量级，这就限制了其对于大型企业的吸引力，而中小企业又因其巨大的投入望而却 步。如果一个中小企业并不是做整个的微系统而是做其中的一个组件或者只是某一组什的 某一工序，那么其投入就将犬幅度下降，而这要成为可能就必须依赖于标准化的完善与实施-ME腼起源于微电子工业，因而微电子工业的发展对于M194S有着重要的影响。微电子二 业的设计和制造模式现在已有了很大的变化，突出表现为：无生产线的设计公司与有生产线 的晶片加工工厂(foundry)相对分开，出现设计业、制造业、封装业、测试业相对独立、 各司其职、各自发展的局面。设计业也从原来的依耪于个人经验和技术诀窍的手工业小作坊 设计方式，向工业化、集团化、专业化、科学化、现代化，拥有自身IP的方向发展。【5这 种变化的物质基础有两个：(1)标准化的完善与实施。很难想象没有统一的标准，设计、制 造、封装、测试能够分离。(2)仿真技术的发展成熟。这是设计脱离加工束缚，改变串行设 计方式的又一基础。在微电子业这两方面都已达到相当的水平，而对于微机电系统，相对都 较为欠缺，但对仿真技术的研究国外投入较多，许多著名的国际软件公司(如Ansys)都参 与进来，其发展势头很猛。在标准化方面由于涉及面较广，还存在一些争议，但国外，尤 其是美、日、德等国都相当重视却是一个不争的事实。它与仿真技术的不同之处在于，决不 可以采用纯粹的“拿来主义”，必须尽快的制定企标、部标、国标，获取知识产权(IP)t积 极参与国际标准的制定。借助于这两方面的研究、发展、完善和成熟，以及观念的进步，微 机电系统产业将获得与微电子工业同一水平的设计、生产、制造和管理模式，从而在世纪作 为新兴产业真正成为国民经济的支撑力量。三、标准化研究现状MEMS研究以美国、日本和德国为主。在标准化方面，美国的文献不多，但并不说明其 不重视这方面的工作，其标准化主要针对特定行业和特定器件，在企业内部展开。德国采用 一种称作“研制阶段早期标准”(Early Stage Standardi zation with the RD Phase，ESRP) 的概念并由专门的机构IN进行工作。首先由各个领域的专家提出标准建议。然后将建议 分发给所有相关人士，以征求评价、建议和意见。最后根据反馈意见结合最新研究成果进行 修改不断反复直到形成一个比较完善的标准。这样就使标准成为一个动态的过程，即促进 了M日幅研究的产业化，又避免由于标准化而形成的对新工艺、新产品研制的阻碍。同时以 一种新的形式加强了学术交流，加快了研制开发和定形的周期。1日本也有专门负责微机械(姬惦)标准化的单位(删c)，它是由学术界，工业界的专家 以及政府人士组成，c负责确定标准化的对象并进行概念、术语的统一定义检测体系 (包括检测方法、评估方法)的标准化，以及元件及其应用(包括类型、功能、指标)的标 准化。在术语的标准化方面，该组织现在已确定了220个关键词汇的确切定义及其英文翻译。 24!塑兰!旦堕垫皇墨竺!坚!坚!塑堑兰些 四、标准化的内容：如前所述，微机电系统(MEMS)的标准化有其自身的特点和难度，结合微电子_=业和传统制造业的标准化，以下对M日惦的标准化所包含的内容做一简要概括：(1)设备的标准化。M删s生产设备将逐渐由研制设备和改造设备向具有标准生产能力的标准设各转化。(2)工艺标准化。工艺标准化包括材料的标准化、公差的标准化和工艺规程的标准化。 其中材料的标准化指的是原始材料的组分、外形、大小、表面特性等：公差的标准 化即包括传统制造业中的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度，也包括MDIIS领域所特 有的影响器件功能的参数，如边缘区特性等；_艺规程的标准化包括具体的r序执 行步骤，操作，采用设备，所有。【：艺参数，以及中间过渡材料的特性指标与参数。(3) 器件的标准化。包括器件性能规格参数的标准化、加工艺的标准化以及接口的标 准化。其中接口的标准化指两方面的内容：一是肛惦器件与宏观系统之间接r丁的标 准化；二是指MEMS器件内部各组件之间的标准化。(4) 检测的标准化。检测的标准化是产品“互换”的前提，也是商业运做中形成夏卖双 方相互认可的协议(合同)以及解决争端的基础，是市场的必然要求。检测的标准 化包括检测设备、检澳4程序以及各个阶段检测指标的标准化。(5) 概念、术语和符号的标准化。MEMs作为一门新兴的学科，存在许多新的概念千术语， 如果没有统一的定义，并定会带来交流的障碍。并且会给商业化运做中合同的签署 与实施带来困难。因而有必要逐步对一些关键概念、术语和符号进行标准定义。(6) 研究方法的标准化。任何科学研究都有一定的规律可循，科学合理的研究方法对于 新概念的产生、新产品的开发都有着重要的促进作用。MEMS器件虽然包含非常J的 领域，但是在结构、工艺、封装等许多方面仍有不少类似之处，对通用M9,1S器纠的 研究方法进行探索，形成一定的标准，对于缩短砸Ms器件的研制周期、减少重复研 究、加速科研成果向产业的转化，有着重要的意义。五、皿蜗标准化的意义以下对IgAS领域标准化所具有的意义做一简要概括：(1)打破研究的封闭性为器件研伟4提供工艺设备、材料和封装的标准平台：(2)降低重复生产的工作量，提高器件的重复性和可靠性；(3)标准化使中小企业进行批量商业化生产成为可能，简化企业的介入难度：(4)降低微观系统与宏观世界连接的难度和费用；(5)促进学术交流标准化制定和实施的过程，本身就是一个积极的学术交流过桴，而概念、术语和符号的标准化也直接的推动了学术的交流。(6)标准化简化了各国的市场进入协定(如欧洲环保协定)，降低了企业为此付出的费川：总之，Ml丑lS标准化是市场对MEMs所提出的要求，是MEP8研究的助推器，是ME幅从科 研项目走向市场，形成社会支柱产业的必经之路。六、标准化的趋势预测一754华北工学院测试技术学报2000年6月就微机电系统的现状而言，在以下几个方面可能会是微机械器件标准化的趋势：在器 件方面，微型开关和硅微加速度计可能会是最先具有国际标准的器件，其中硅微加速度计已 经具有企业的内部标准；在工艺方面，面微机械工艺可能会是首先形成国际标准的。艺，其 具体的内容包括：原始材料的标准化、沉积工艺的标准化、牺牲层材料的标准化、光刻和图 形化工艺的标准化、释放清洗工艺的标准化、干法腐蚀一r：艺的标准化、表面修饰工艺(氧化、 外延)的标准化、切片J。艺的标准化、以及键合和封装工艺的标准化。七、总结微机电系统(mFIS)仍然处于早期研究阶段尚有许多不成熟的地方，标准化的制定 必然有阻碍技术创新的成分在内，但是我们也要看到标准化对于学术交流，对于技术创新的 巨大促进作用。而且也应该认识到：标准化是ME,IS成为支柱产业，真正成为大家所说的“一 场革命”的前提。对于MEldS标准化的研究，决不应该等到所有技术都成熟以后再进行，而 应该与技术的研制同步进行，相互促进、共同发展。与本论文相关的一组论文有：MEMs微开关及其标准化研究，微机电系统(MEMs)芙 键概念标准化探索，MEf幅器件研究方法标准化。考斌1WMenzESalomon，N Siegal“Standardizationin MEMS”World Micromachine Summit April 28-301997 Vancouver Canada21酞avuki HiRaNo“Standardization“Micromachine Center World Micromachine Summit April 28301997V1mgouvet C柚ada3E westk蚰pcr“StandardizationforMierosystems”6“World MicromachineSummit”April1012，2000 Hinoshima,Japan4：THirano“Short Comment for Standardization：MMC Approach”6“Word Micromachine Summit April 1012 2000 Hiroshima,Japan 5李京瑞“集成电路的设计与制造模式变化带来的机遇和挑战”EDN电子设计技术20006 pp6Standardization of Micro Electronic Mechanical System(MEMS)Haifeng DongWendeng Zhangmorth China Institute ofTechnologyShanxi TaiyLIan 03005 l 1Abstract In this paper the standardization of Micro Electronic Mecha