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1 引言
经过近20年的发展，微系统市场已经表现出巨大的潜力，虽然目前主要是一些来自大学、研究所的新兴公司在该领域投资，但一些老公司也越来越多的进入其中，对于那些积极参与微系统研发与制造的机构，它们在进入该领域时仍然带有很多疑问，如在IC产业中已证明是非常的成功的无晶圆设计公司加代工厂的商业模式是否也适用于微系统产业？微系统的制造工艺多种多样，但在基于IC的薄膜表面工艺、基于深度光刻/电镀/塑铸的LIGA工艺、基于深刻蚀的体硅工艺等诸多工艺选择中，那种工艺技术能够实现市场规模经济并成功呢？针对不同微系统应用，是否存在最好的制造工艺？如果不同种类的工艺必须共存，是否各自都需要专门的代工线？传感、光学、流体和生物微系统及其应用和制造环境的不同会使它们带来成本问题呢？最后，微系统能象上个世纪IC产业那样发展成为一个关键性的经济支柱产业，还是仅仅作为IC巨大发展成就的一个附庸，在微电子50年发展成就的背后亦步亦趋？
在尝试回答上述问题之前，先回顾一下导致集成电路成功发展的商业模式也许不无裨益。
1960年，第一次集成逻辑门电路在仙童公司（the Fairchild Micrologic Family）诞生[1]，其φ50mm集成电路芯片照片如图1（a）所示，从此世界进入了信息时代，经过30年的发展，集成电路的设计、制造、测试、封装逐渐形成了一个完整的微电子产业链。目前集成电路生产中的主流φ300mm硅片照片如图1（b）所示[2]。
今天的微电子产业已经发展成为一个具有高度专业化分工合作，以巨大惯性前进的庞大产业，可以大致划分为半导体加工设备、设计公司、硅片材料、代工厂、封装厂和系统集成商，再到最终用户，其构成大概如图2所示。
而广泛接受的CAD设计、仿真、模拟软件工具和一系列的业界标准保证了在产业链的任何一个环节的无缝链接；任何一个活跃在IC行业的模块或系统厂商，只要有应用驱动，它可以直接从市场采购到合用的IC芯片用于组装其系统，产品开发周期短，成本低。那么，微系统的代工情形又是如何呢？
2 微系统代工模式的可能性
IC采用的是一种商业上证明成功的无晶圆设计公司加代工厂的模式，反之，微系统概念的发展虽然与微电子紧密相连，在工艺制造中大量使用IC工艺，在信号处理上需要集成电路的帮助，然而微系统在设计和构成上却严重缺乏类似于晶体管、门电路这样的元件或基本单元结构。同时绝大多数微系统器件都没有精确的解析模型预测和仿真其行为，更谈不上有类似于Cadence或Synopsys那样系统级仿真工具，也没有一个可被业界广泛接受使用的封装标准。
其次，在制造环节没有行业标准，导致设计与制作工艺无法分开，无晶圆设计公司加代工厂的模式目前还难以实现。诸如此类的种种问题迫使微系统的开发工程师需要对工艺、材料、机械和电子设计、系统集成及应用等方面都要有广泛的了解。必须从应用需求开始考虑，解决一系列的器件结构设计、材料、器件或系统性能仿真、流片走通工艺、测试、封装集成、信号处理接口等等，常常是一套工艺只针对一种微系统产品，研发周期过长。由于设计、制造、测试、封装等各个环节没有一系列能够做到无缝链接的，被广泛接受的业界标准，导致微系统的成本控制及产品可靠性无法保证。
虽然现阶段微系统标准的缺乏以及微系统在结构、设计、种类制作工艺上的复杂性和多样化给微系统的设计、量产、标准化、规模应用和集成技术都带来很多问题，使其目前无法像集成电路那样通过标准生产线提供的IP单元库实现统一标准，大规模、低成本的设计和生产，无法融入半导体的产业链，短期内也难以形成针对微系统的专业化分工合作的产业链，然而近年来，欧洲和美国一直存在能否在微系统设计和制造工艺上实现标准化和代工的争论。
在2003年10月，美国NIST（National Institute of Standards and Technology）提出一个关于测量微系统薄膜结构基本物理参量的初步标准；同时，行业组织SEMI正开始着手封装和制造工艺的标准化工作；Sandia国家实验室提出了Summit IV（Sandia U1tra－planar Multi －level微系统 Technology IV）和Summit V标准微系统工艺，并把使用许可发放给了Coventor、飞兆（Fairc－hild）半导体、Ardesta LLC等企业。此外，意法半导体正在推进3个0.8μm的主流工艺，用于微加速度计的制作，见图3。
目前在国外，参考IC产业的代工贸易模式，已经出现了专用微系统代工厂，如Standard MEMS，意法半导体等公司。虽然这些公司在发展的初衷并不是要成为一个专业的微系统代工生产线，然而，当某些通用工艺和器件的发展使得代工成为可能时，它们在某种程度上也促进了无晶圆厂微系统开发公司的出现。
即便如此，我们认为在微系统发展现阶段，希望它实现类似于IC工业的那种标准化在目前来说是不现实的。但是，在系统级通过封装集成和实现部分器件单元的标准化是推动微系统产业发展的有效方法。而未来，在EDA、设计、测试等各方面，会出现一些类似于CMOS那样的通用微系统工艺。标准一旦出现，经济压力和成本考虑就能促使微系统设计工程师不加思考的应用它们，在这些标准下制造的微系统芯片的特点类似于我们现在常见的IC芯片，它有符合工业标准的封装引脚，可根据整机系统级厂商的要求调整，这种高度集成化、系列化的嵌入式微系统芯片将大大方便和缩短微系统系统厂商的产品开发周期。
3 微系统工艺的选择与规模经济问题
微系统的制造工艺多种多样，存在基于IC的薄膜表面工艺、基于深度光刻/电镀/塑铸的LIGA工艺、基于深刻蚀的体硅工艺等诸多选择，能够在未来取得成功的工艺必然是能取得规模经济效应的、能适用于多种微系统产品、并且具有极大灵活性和工艺窗口的制造工艺。尽管各种统计数据表明，对于微系统的市场需求及其乐观，然而，迄今为止，只有少数几种微系统能达到批量生产，即使像德克萨斯仪器公司最成功的TI投影阵列芯片，每年产量也不到100万只。对于这样一种规模的产量来说，希望它能象IC行业那样用专门的代工线实现低成本标准化制作，还远远不够。 在过去10年，微系统行业出现众多应用，包括硅压力传感器、加速度计、安全气囊控制器、喷墨打印头、血糖仪等，而且这些器件也已经进入批量商业生产，然而，截至2005年底，大多数涉及微系统业务的企业业绩并不如想象的那么乐观，那么，问题出在哪里？已经成功的商业化应用表明微系统本身并不存在任何技术问题，关键在于所选择的工艺复杂程度和市场价格压力。正如第一节所述，微系统器件依赖设计、制造、测试、封装等各个环节，而行业标准和设计工具的缺乏迫使微系统研发人员必须从最初的材料选择开始考虑微系统的工艺、材料、机械和电子设计、系统集成及应用等一系列问题，导致成本控制及产品可靠性无法保证，这种一套工艺只针对一种微系统产品的做法，既大大增加了代工线的需求磨合的工艺复杂程度，也从根本上损害了微系统产品的成本优势，同时，市场对多种微系统产品的同时需求和单个微系统产品需求量又比较小的特点显然不利于规模化，这迫使微系统制造商试图凭借多种工艺来抓住多个市场的多个产品机会，解决导致产品研发时间和制造成本指数倍增长。 解决的办法是尽量使用现有代工线上已经成熟的工艺，成功的唯一途径是依赖现有技术，如果单纯的考虑制造工艺的差别，常规IC制造和硅基微系统之间的区别只是加工精细程度不同而已，即使应用场合不同的生物微系统（生物芯片），只要采用适当的封装方式，其制造工艺中的主要部分仍然来自硅基微细加工技术，如果能使用成熟的IC标准工艺，通过适当的改进，那么几乎所有的IC工艺都可以应用于微系统应用。如果再通过选择若干种较为通用、功能密度高、可扩展的微系统基本功能结构，使微系统部分器件结构走向相对标准化，实现规模经济，则是微系统实现产业化发展的根本所在。
此外、采用成熟的IC工艺带来的另一个好处是更易于实现微系统的单片集成。由于针对微系统单独开发的工艺往往难于和IC工艺相兼容，它带来的集成和信号处理问题大大影响了微系统的应用可行性，研究人员经常报导一些采用特殊工艺制作的结构精美的微系统部件，诸如微米量级的齿轮、立体线圈、超灵敏纳米悬臂梁等等，然而，却很难看到带有后端信号处理和控制模块的微系统，产生这一问题的关键是制作信号处理芯片的IC工艺与单独开发的微系统制作工艺不兼容，尽管人们提出了许多补救措施，像模块化集成、引线焊接技术、粘接键合技术、倒扣焊接技术等等，然而，无一例外的增加了系统成本并降低了可靠性。而采用IC工艺制作的微系统则不受该问题的困扰。见图4。
4 微系统的产业发展前景
从长远来看，人们有理由看好微系统产业发展前景，首先，微系统在许多应用场合已发展成微电子的重要补充，或者作为传感器为微电子信号处理芯片提供来自敏感前端的信号，或者作为驱动执行器响应来自信号处理芯片的动作指令。其次，就科学和工艺所控制的材料维数来看，微系统比微电子更具优势。微电子只是利用了硅片的一维特性－半导体特性，而微系统还利用了硅材料的其他特性：各向异性、低热膨胀系数、高的比强度等等，甚至也象硅IC工业引入化合物半导体一样，进入了玻璃、聚合物、生物等其他才来。此外、纳米技术也已引入到微系统中，毫无疑问，它拓宽了现有的微系统，为其提供了更广阔的舞台，简言之，在应用范围的深度和广度方面，微系统能比微电子提供更多的选择。最后，进入微系统的制造门槛要低于微电子，一个微系统晶圆厂的投资远远低于一个IC芯片晶圆厂的投资。
微系统产业的发展也和半导体工业一样呈现周期性，从上世纪60年代最早的硅压力传感器开始。微系统的发展经历了三次大的高峰，第一次出现在上世纪80年代中期，有加州大学伯克利分校首次采用"表面硅工艺"制造出的直径100/60μm的静电驱动的微电机，在产业界掀起了微系统的第一次高潮，也在美国直接催生了微电子机械系统（MEMS）这一概念，随后的10年间，大量的微系统应用层出不穷；在1998－1999年，网络的普及、个人通讯终端及多媒体传输对于高速和带宽的需求，导致应用于全光通讯网的RF开关和微光学系统（MOEMS）等相关器件（衰减器、滤波器）研究热潮；本世纪初，应用于人体、生物领域的生化传感器和生物芯片再次掀起了微系统研发的一轮浪潮，这其中包括片上实验室（Lab on Chip）及微型人体药品输送系统。
目前来说，看好并进入微系统领域的主要是一些来自大学和研究所的新兴公司，然而，未来一旦业界确立了微系统研发的一系列工业标准（包括设计、工艺、封装、集成等）之后，谁能排除那些大的半导体公司不进入这一市场，并通过规模经济将其迅速扩大到类似于今天IC产业的规模呢？ |
