MEMS（微機電系統）是什麼？晶片上怎麼做出會動的小機械

MEMS 是微機電系統（micro-electro-mechanical systems）的縮寫，意思是用做晶片的方法，在矽上做出會動的小機械：小小的樑、薄膜、彈簧、梳子狀的結構。它們被推一下、彎一下、震一下，旁邊的電路就把這些動作變成電的訊號。電路可以做在同一顆晶片上，也常另做一顆包在一起。手機裡的加速度計、陀螺儀，還有很多麥克風，都是 MEMS。

一般的晶片是什麼，可以先讀「晶片是什麼？」。

MEMS 跟一般的晶片差在哪？

一般的晶片裡，只有電在跑。很多很多個小開關一直在切換（電晶體是什麼？），可是沒有一個零件真的會移動。

MEMS 裡有東西會動。會動的結構常常只有幾十到幾百微米大；一根頭髮大約幾十微米粗。它做的事分兩種：

• 感覺：把動作、聲音、壓力變成電的訊號，叫感測器。
• 動手：收到電的訊號就動起來，例如推出一滴墨水、把一面小鏡子偏一下，叫致動器。

生活裡哪裡有 MEMS？

• 手機知道你把它轉橫了：靠加速度計。裡面有一小塊用細彈簧吊著的矽，旁邊排著梳子一樣的細齒。手機一斜，重力把那塊矽往一邊拉一點點，梳齒之間的距離就變了。兩片很靠近的導體之間存得下一點電，叫電容；距離一變，電容跟著變，電路就量得到。
• 手機知道你在轉它：靠陀螺儀。裡面有一塊一直在小小振動的結構，手機一轉，它會被往旁邊推一點。
• 麥克風：一片很薄的膜，隔著很窄的空隙，對著一片打滿小洞的硬板。聲音推動薄膜，空隙一變，電容也變，就成了跟著聲音起伏的電壓（之後怎麼變成數字，見「類比晶片和數位晶片差在哪？」）。
• 胎壓、氣壓：一片很薄的矽膜，背後封著一個空腔。外面的壓力一變，膜就彎，做在膜上的電阻也跟著變。氣壓會隨高度變，所以也能拿來估高度。
• 噴墨印表機的噴頭：很小的噴嘴排成一排。有一種是每個噴嘴裡有個小加熱器，一瞬間把墨水熱出小氣泡，把一滴墨推出去；也有用通電會變形的材料去推的。
• 投影機的小鏡子：有一種晶片，表面排滿很小的鏡子，每一面各自偏向一邊，決定那一點的光打不打到畫面上。

MEMS 是怎麼做出來的？

大部分的步驟，跟做一般晶片一樣：在晶圓上一層一層長膜（薄膜製程是什麼？），用黃光把圖案印上去（微影（黃光）是什麼？），再用蝕刻把不要的地方刻掉（蝕刻是什麼？）。

不一樣的是，一般晶片的每一層都緊貼著下一層；MEMS 有些地方得懸空，才能動。這要靠多出來的一步：釋放。

會動的結構，怎麼讓它懸空？一步一步看

第 1 步：先鋪一層「犧牲層」

在晶圓上先長一層之後要整層拿掉的膜，常用二氧化矽，也就是玻璃的主要成分；要固定的地方，先在這層挖幾個洞。上面的結構要懸空，底下得先有東西墊著，才鋪得上去；那幾個洞，之後就是結構的腳。沒有這一層，結構會貼死在底下，動不了。

第 2 步：鋪上結構層，刻出形狀

在犧牲層上面再長一層，常用多晶矽（由很多小晶粒組成的矽），用黃光和蝕刻刻出樑、彈簧、梳齒，大片的地方順便打上許多小洞。小洞是留給下一步的藥液走的路。沒有這些洞，藥液只能從邊緣慢慢往裡面吃，大片結構的底下很久都吃不完。

第 3 步：把犧牲層蝕刻掉

把晶圓泡進只吃犧牲層、幾乎不吃結構的藥液，例如氫氟酸會溶掉二氧化矽，卻幾乎不碰矽。藥液得從旁邊鑽到結構底下：刻細線條時最怕的「往旁邊吃」，在這裡正好用得上。吃不乾淨，結構底下還連著一點，就動不了；藥液選錯，連結構一起吃壞。

第 4 步：弄乾，別讓它黏住

泡完藥液要沖水、弄乾。結構和底下常只隔幾微米，水慢慢乾掉的時候，表面張力會把結構往下拉，一碰到就黏住，叫沾黏；黏住的再也動不了，這一顆就壞了。所以常換一種不讓水慢慢乾掉的乾燥法，或乾脆用氣體來釋放。

為什麼常要很深的蝕刻？

一般晶片常只刻薄薄一層膜；MEMS 常要刻得很深：有些加速度計和陀螺儀，那塊矽要夠重、梳齒要夠高，就在幾十微米厚的矽上直直刻穿；有些壓力感測器的薄膜，是從晶圓背面往前挖，挖到只剩薄薄一片。

要刻得又深又直，常用的作法是「刻一小段、在側壁鋪一層保護膜、再刻一小段」，反覆很多次：側壁被保護著，只往下走，牆上會留下一圈圈很細的波紋。

封裝為什麼跟一般晶片不一樣？

一般的晶片，常用封膠把晶片和線整個包起來（封裝是什麼？）。MEMS 不能這樣：

• 要碰到外面的：麥克風、氣壓感測器的封裝要留一個小孔，讓聲音或空氣進來，又要擋住灰塵和水氣。
• 要關起來的：陀螺儀一直在振動，空氣會像阻力一樣讓振動變弱，所以常密封起來，有的裡面還抽到接近真空。
• 會動的那一塊要留空間：不能被塑膠灌滿，所以常在切開之前，先在整片晶圓上蓋一層小蓋子罩住。用刀片切割時要一邊沖水，沒罩好的懸空結構，可能被水和碎屑弄壞。

測試為什麼不只是通電？

一般晶片的測試，是接上測試機，送電的訊號進去、量它的反應（晶片怎麼測試？）。MEMS 光這樣常不夠：薄膜是不是黏住了、彈簧是不是太硬，只送電的訊號不一定看得出來。

所以要真的給它外面的世界：加速度計放在會搖的台子上，陀螺儀放在轉台上轉，麥克風對它放一段大小知道的聲音，壓力感測器放進壓力可以調的箱子裡，看輸出對不對。每一顆都會差一點點，常要再校正。

在 fab24hr 裡

遊戲裡沒有 MEMS。主線「晶片的一生」跟著一顆虛構的助聽器晶片「螢火」走：沈小姐的小公司想讓助聽器更省電，同一顆電池多撐好幾天。終章第 13 章「交到他手上」，沈爸爸放好電池，助聽器裡傳來一聲短短的提示音；後來，他隔著一道牆，聽見太太在廚房叫他吃飯。

遊戲沒有說這副助聽器用的是哪一種麥克風。公開的一般資料說，助聽器的麥克風傳統上多用另一種（駐極體電容式麥克風），也有用 MEMS 麥克風的。

跟 MEMS 的做法最接近的，是圖鑑「機台一覽」裡的「批次濕式清洗槽」。點開來按「看它怎麼動」：晶圓泡進稀氫氟酸，表面那層很薄的氧化矽被溶掉；最後在乾燥槽，異丙醇（一種酒精）的蒸氣把水膜拉走。它洗的是一般的晶圓，不是 MEMS；只是 MEMS 的釋放常用類似的藥液，溶掉的是結構底下一整層，之後弄乾的那一步，就是 MEMS 最怕沾黏的時候。

遊戲裡的公司、晶片、人物都是虛構的；MEMS 的部分照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。