利基市場—微機電應用分析於 CMOS MEMS

在一場日前由經濟部技術處 ITIS 舉辦的「2008 IC 產業回顧與展望」研討會 中，工研院表示台灣 DRAM 產業於此波景氣帶動下嚴重受挫，2009 年 DRAM 產業將持續受到考驗，未來恐將面臨退出或是整併的抉擇。而展望 IC 產品技術，

CMOS MEMS 以及 3D ﹙3-Dimension﹚IC 技術可望成為下一波極具潛力的成長 機會，成為此波金融海嘯下列入未來主要成長力道的兩項技術。

我們先來看 MEMS，如同前述說明，微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)定義為一個智慧型微小化的系統，包含感測、處理或致動的功 能，包含多個電子、機械、光學、化學、生物、磁學或其他性質整合到一個單一 或多晶片上。其應用領域極為廣泛，包括製造業、自動化、資訊與通訊、航太工 業、交通運輸、土木營建、環境保護、農林漁牧等。

壓阻效應的 MEMS 壓力感測器﹙Pressure Sensor﹚於 1990 年上市，當時被 應用在汽車安全氣囊中，就像是 1970 年代壓力感測器獲得汽車電控引擎控制採 用一樣，是個非常大的勝利。眾多的 MEMS 元件在近年來得以商用化，主要原 因是 MEMS 價格下降了；我們已經看到了整合的 MEMS 麥克風、加速度計、顯 示器與 RF 元件，它們應用在可攜式設備(如手機)和遊戲機(如 Wii)等設備上。

MEMS 的應用方向越來越廣，該市場已由智慧型手機、Netbook、行動上網裝置 (MID)、低價電腦等消費性產品轉向切入醫療照護、人身安全、節能減碳等領域；

此外更展開了與 RFID 及 GPS 等技術的跨領域整合，帶動不少新興市場商機。另 一方面，MEMS Fabless 業者的出現也促進了代工需求，以至台積電(TSMC)、聯 電(UMC)、Jazz 以及 DNP 等晶圓代工廠陸續投入。MEMS 應用圖如下：

圖 29 MEMS 相關應用圖

資料來源：拓樸產業研究所 (2008) [57]

MEMS 的生產規格在於線寬、深度及製程的不同於 CMOS，其如下圖：

圖 30 MEMS 特殊生產條件與規格

資料來源： 劉舜逢 (2008) [56]

而 IC 與 MEMS 的製程差異如下：

表 28 半導體製程與微機電製程技術差異

資料來源：本研究室修改

再來我們來看 CMOS MEMS，這是一種結合 CMOS IC 及機械結構 MEMS 在一起的產品，半導體代工業者可延續本身 CMOS 的優勢，延展至 MEMS 設計 與製作代工，形成有經濟價值的系統晶片﹙SOC；System On Chip﹚。由於 MEMS 不像 CMOS 需要許多電性參數配合，微影工作者可多介入與 MEMS 設計者搭 配，且 MEMS 微影的線寬易於 IC 的需求，唯 MEMS 有部分特殊製程需求及其 各單一條件需要加以克服。利用創新活動價值網路的設計(Design)，提供高度客 製化服務產品的知識密集服務業，依客戶端或市場資料庫結合代工廠既有的製程 設備，搭配少數 MEMS 專用機台，設計獲各項細部規格、專利佈局等。此外，

測試認證(Validation of Testing)在 CMOS MEMS 領域也是極重要一環，此認證機 制必須從設計過程中即開始展開，不要等到封裝時才知道。

於是，我們來看實際 MEMS 市場營收，根據 Yole Development 研究機構的 統計資料，全球 MEMS 元件應用市場規模由 2006 年的 58 億美元，將來有機會 成長至 2011 年的 108 億美元，年複合成長率 13%。由於 MEMS 高度整合及低成 本，許多應用市場﹙例如 Inkjet Head, Pressure Sensor 等﹚紛紛採用 MEMS 元件 技術，帶動 MEMS 市場成長。例如印表機所使用的噴墨頭﹙Inkjet Head﹚仍是 MEMS 最大應用市場，其規模在 2011 年將達 20 億美元；其次為汽車與醫療用 壓力感測器﹙Pressure Sensor﹚應用市場；微麥克風﹙MEMS Microphone﹚從 2003 年商品化及技術生產，每年以 50%成長，其產值複合成長率為 24%；微加速計

半 導 體 製 程 技 術 微 機 電 製 程 技 術 微 影 技 術 奈 米 級 (ex. 45nm) 微 米 級 (10~100um) 元 件 特 性 與 結 構 元 件 電 性 結 果 為 最 重 要

考 量 因 素

a. 採 材 料 機 械 性 質 b. 高 深 寬 比 結 構 c. 高 光 阻 厚 度

晶 圓 尺 寸 8~12吋 4~6吋 ,開 始 8吋 評 估

晶 圓 後 續 處 理 運 送 ,切 割 ,封 裝 級 測 試 已 標 準 化 流 程

a. 特 殊 處 理 技 術

b. 機 械 結 構 保 護 及 設 計 c. 特 殊 封 裝 (真 空 )及 測 試 設 備

適 用 標 準 製 程 標 準 製 程 ,低 成 本 無 標 準 製 程 ,高 成 本

﹙MEMS Accelerometers﹚市場規模將成熟化，平均價格不斷下降，即使如此，

2006 年市場規模為 6 億美元，推估 2011 年市場仍可達 13.8 億美元，年複合成長 率還是達到 15%；陀螺儀﹙Gyroscope﹚近年來消費性電子朝向高性能化發展，

不斷整合 2 軸或 3 軸陀螺儀的功能來擴充，年複合成長率亦可達 16%。還有 RF MEMS﹙Radio Frequency MEMS﹚應用市場於切換器﹙Switch﹚，由於至今手機 功能朝多功能發展，代表手機內部元件勢必朝向縮微化，符合 MEMS 技術具備 微小化、低功率、低成本及低損耗的優勢，預估 2009 年由於手機朝向採用 RF MEMS，將可能帶動市場成長，預計此將成為未來的明星應用商品。

圖 31 2006~2011 年 MEMS 元件應用市場

資料來源：拓樸產業研究所 (2008) [57]

根據消費電子協會﹙Consumer Electronics Association﹚統計統計，消費性電 子產業在 2007 年規模達 1,603 億美元，但過去使用 MEMS 於消費性電子商品，

僅有 TI 推出 DLP﹙Digital Laser Processing﹚與 Murata 的陀螺儀。但製程技術不 斷演進，使產品價格快速下滑，低成本及微小化的 MEMS 應用於消費性電子上 也會越來越廣。至今，IT 周邊產品仍是 MEMS 系統最大的應用市場，主要的產 品為讀寫頭﹙Read/Write Heads﹚與噴墨頭﹙Inkjet Printhead﹚，在 2009 年市場 約可達 54%。連帶的看到消費性電子應用市場預估由 2004 年的 6%成長至 2009 的 22%，其元件就是來自於 MEMS。

圖 32 2004 & 2009 年 MEMS 應用市場比例分析

資料來源：拓樸產業研究所 (2008) [57]