MEMS 的全稱是微型電子機械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System)，是微電路和微機械按功能要求在芯片上的一種集成，基于光刻、腐蝕等傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)，融入超精密機械加工，并結(jié)合力學、化學、光學等學科知識和技術(shù)基礎(chǔ)，使得一個毫米或微米級的 MEMS 具備精確而完整的機械、化學、光學等特性結(jié)構(gòu)。

MEMS 行業(yè)系在集成電路行業(yè)不斷發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)集成電路無法持續(xù)地滿足終端應(yīng)用領(lǐng)域日漸變化的需求而成長起來的。

隨著微電子學、微機械學以及其他基礎(chǔ)自然科學學科的相互融合，誕生了以集成電路工藝為基礎(chǔ)，結(jié)合體微加工等技術(shù)打造的新型芯片。汽車電子、消費電子等終端應(yīng)用市場的擴張，使得MEMS 應(yīng)用越來越廣泛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模日漸擴大，日趨成為集成電路行業(yè)的一個新分支。

一、MEMS的市場規(guī)模

隨著 MEMS 技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，MEMS 在通訊、生物醫(yī)療、工業(yè)科學、消費電子、汽車電子、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域的應(yīng)用日漸普及，MEMS 市場在不斷創(chuàng)新中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。2008 年以前，汽車電子是 MEMS 主要應(yīng)用市場;2008年以后，智能手機等終端產(chǎn)品日益涌現(xiàn)并占領(lǐng) MEMS 主流市場;在未來，隨著智能化場景的進一步普及，各種新興應(yīng)用領(lǐng)域如物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、智能家居及工業(yè) 4.0 等將為 MEMS 提供更廣闊的發(fā)展空間，MEMS 產(chǎn)品的使用量預(yù)計將加速增長。

根據(jù)全球權(quán)威半導(dǎo)體咨詢機構(gòu) Yole Development 的研究，2019 年全球 MEMS行業(yè)市場規(guī)模為 115 億美元，考慮到 COVID-19 疫情影響，2020 年 MEMS 市場規(guī)模將下滑至 109 億美元，預(yù)計到 2025 年 MEMS 市場規(guī)模將增長至 177 億美元，復(fù)合增長率可達 7.4%。從市場細分領(lǐng)域來看，消費電子、汽車電子仍將是 MEMS最大的兩個應(yīng)用領(lǐng)域，而同時在通訊、生物醫(yī)療、工業(yè)科學領(lǐng)域的增速也將非?？捎^。

在消費電子、工業(yè)及汽車電子應(yīng)用的巨大市場和快速發(fā)展的強力拉動下，中國地區(qū)已經(jīng)成為過去五年 MEMS 市場規(guī)模發(fā)展最快的地區(qū)。中國作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地，對 MEMS 傳感器的市場需求巨大，各類 MEMS 傳感器供應(yīng)商包括光傳感器、運動傳感器等供應(yīng)商均已轉(zhuǎn)戰(zhàn)中國市場，MEMS 傳感器產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境逐漸完善。

二、MEMS 行業(yè)發(fā)展歷程

MEMS 起源可追溯至 20 世紀 50 年代，硅的壓阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，學者們開始了對硅傳感器的研究。然而，MEMS 產(chǎn)業(yè)真正發(fā)展始于 20 世紀 80 年代，前后經(jīng)歷了 3 次產(chǎn)業(yè)化浪潮。

20 世紀 80 年代至 90 年代：1983 年 Honeywell 利用大型刻蝕硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作了集成壓力傳感器，將機械結(jié)構(gòu)與電路集成在一個芯片內(nèi)。80 年代末至 90 年代，汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車電子應(yīng)用如安全氣囊、制動壓力、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)等需求增長，巨大利潤空間驅(qū)使歐洲、日本和美國的企業(yè)大量生產(chǎn) MEMS，推動了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第一次浪潮。

20 世紀 90 年代末至 21 世紀初：本階段早期，噴墨打印頭和微光學器件的巨大需求促進了 MEMS 行業(yè)的發(fā)展。而 2007 年后，消費電子產(chǎn)品對 MEMS 的強勁需求，手機、小家電、電子游戲、遠程控制、移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等消費電子產(chǎn)品要求體積更小且功耗更低的 MEMS 相關(guān)器件，對 MEMS 產(chǎn)品需求更大，掀起了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第二次產(chǎn)業(yè)化浪潮，并將持續(xù)推動 MEMS 行業(yè)向前發(fā)展。

2010 年至今：產(chǎn)品應(yīng)用的擴展，使 MEMS 行業(yè)呈現(xiàn)新的趨勢。MEMS 產(chǎn)品逐步應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等新領(lǐng)域，應(yīng)用場景日益豐富，正漸漸覆蓋人類生活的各個維度。此外，MEMS 是當前移動終端創(chuàng)新的方向，新的設(shè)備形態(tài)(如可穿戴設(shè)備)需要更加微型化的器件和更為便捷的交互方式。然而，物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備應(yīng)用助推 MEMS 第三次產(chǎn)業(yè)化浪潮的同時，行業(yè)仍然面臨來自產(chǎn)品規(guī)格、功率消耗、產(chǎn)品整合以及成本等方面的壓力，MEMS 產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)亟待持續(xù)改進，以滿足更小、更低能耗、更高性能的需求。

三、MEMS 制造行業(yè)主要經(jīng)營模式

與傳統(tǒng)集成電路產(chǎn)業(yè)類似，從 MEMS 產(chǎn)業(yè)價值鏈來看，根據(jù)行業(yè)內(nèi)企業(yè)提供的產(chǎn)品或服務(wù)，可以分為設(shè)計、制造和封測三個環(huán)節(jié)。其中，MEMS 制造行業(yè)屬于 MEMS 行業(yè)的一個環(huán)節(jié)，處于產(chǎn)業(yè)鏈的中游。該行業(yè)根據(jù)設(shè)計環(huán)節(jié)的需求開發(fā)各類 MEMS 芯片的工藝制程并實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，兼具資金密集型、技術(shù)密集型和智力密集型的特征，對企業(yè)資金實力、研發(fā)投入、技術(shù)積累等均提出了極高要求。

目前市場中，一方面 IDM 企業(yè)受到來自升級產(chǎn)業(yè)線以及降低成本維持利潤的雙重壓力，市場中已出現(xiàn) IDM 企業(yè)將制造環(huán)節(jié)外包的情況;另一方面，MEMS產(chǎn)品應(yīng)用的爆發(fā)式增長需要不同領(lǐng)域、不同行業(yè)的新興 MEMS 公司參與其中，但巨額的工廠建設(shè)投入、運維成本以及 MEMS 工藝開發(fā)、集成的復(fù)雜性卻形成了較高的行業(yè)門檻，阻礙了市場的持續(xù)擴張。

在此背景下，純 MEMS 代工廠與 MEMS 產(chǎn)品設(shè)計公司合作開發(fā)產(chǎn)品的商業(yè)模式將成為未來行業(yè)業(yè)務(wù)模式的主流。類似于傳統(tǒng)集成電路行業(yè)發(fā)展趨勢，MEMS 產(chǎn)業(yè)將逐步走向設(shè)計與制造分立、制造環(huán)節(jié)外包的模式。

MEMS 制造主要指 MEMS 芯片制造，行業(yè)內(nèi)主要經(jīng)營模式包括兩類，一類是依靠自有生產(chǎn)線進行生產(chǎn)，另一類則是外包給 MEMS 代工廠進行生產(chǎn)。行業(yè)內(nèi)提供 MEMS 制造代工服務(wù)的企業(yè)，從芯片類型和產(chǎn)業(yè)價值鏈來看，主要分為三類，即純 MEMS 代工、IDM 企業(yè)代工以及傳統(tǒng)集成電路 MEMS 代工。

1、純 MEMS 代工

純 MEMS 代工企業(yè)不提供任何設(shè)計服務(wù)，企業(yè)根據(jù)客戶提供的 MEMS 芯片設(shè)計方案，進行工藝制程開發(fā)以及代工生產(chǎn)服務(wù)。代表企業(yè)有公司、TeledyneDalsa、IMT 等。

2、IDM 企業(yè)代工

IDM 企業(yè)即垂直整合器件制造商，該類廠商除了進行集成電路設(shè)計之外，一般還擁有自有的封裝廠和測試廠，其業(yè)務(wù)范圍涵蓋集成電路的設(shè)計、制造、封裝和測試所有環(huán)節(jié)。由于晶圓制造、封裝和測試的生產(chǎn)線建設(shè)均需要巨額資金投入，因此 IDM 模式對企業(yè)的研發(fā)力量、資金實力和市場影響力都有極高的要求。在滿足自身晶圓制造需求后，IDM 企業(yè)會將剩余的產(chǎn)能外包出去，提供 MEMS代工服務(wù)。采用 IDM 代工模式的企業(yè)均為全球芯片行業(yè)巨頭，主要代表為博世(Bosch)、意法半導(dǎo)體(STMicro)、德州儀器(TI)等企業(yè)。

3、傳統(tǒng)集成電路 MEMS 代工

傳統(tǒng)集成電路(主要為 CMOS)代工企業(yè)以原有的 CMOS 產(chǎn)線為基礎(chǔ)，嵌套部分特殊的生產(chǎn) MEMS 工藝技術(shù)，將舊產(chǎn)線轉(zhuǎn)化為 MEMS 代工線。由于批量生產(chǎn)能力突出，傳統(tǒng)集成電路企業(yè)往往會集中向出貨量較高的消費電子領(lǐng)域的MEMS 產(chǎn)品提供代工，該類代工企業(yè)以臺積電(TSMC)、Global Foundries 等為代表。

歷史發(fā)展過程中，由于 MEMS 產(chǎn)品在材料、加工、制造工序等單個產(chǎn)品差異較大，器件標準化程度較低，影響了產(chǎn)業(yè)垂直分工的發(fā)展，行業(yè)以 IDM 企業(yè)為主導(dǎo)。近年來，隨著 MEMS 技術(shù)的發(fā)展和市場需求的逐漸興起，MEMS 標準化的程度大大發(fā)展，平臺化基礎(chǔ)正在形成，越來越多的 MEMS 產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈垂直分工條件日趨成熟。

四、MEMS行業(yè)的競爭壁壘

由于 MEMS 行業(yè)存在產(chǎn)品非標準化的特點，MEMS 公司無法僅僅通過單一工藝支持整個產(chǎn)品世代。MEMS 產(chǎn)品中，除了采用相同的硅材料外，沒有可以在所有器件中通用的基礎(chǔ)元件，“一類產(chǎn)品，一種制造工藝”的定律意味著MEMS 制造商需要針對每個單獨的產(chǎn)品采取不同的工藝策略。在生產(chǎn)過程中，往往需要同時對多個產(chǎn)品同時進行工藝研發(fā)，在研發(fā)完成、產(chǎn)品測試合格并實現(xiàn)量產(chǎn)、進行銷售之前，公司需要大量資金投入以維持運營。因此，MEMS 相較于傳統(tǒng)集成電路不僅需要大量的時間成本，還需要大量的資金投入，這就建立期了其資金壁壘。

除了資金外，技術(shù)又是其另一個壁壘。

首先，MEMS 是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)的機械，它們的尺寸更小，最大的不超過一厘米，有些甚至僅僅幾微米，其厚度更加微小。因而 MEMS 產(chǎn)品的開發(fā)和制造需要包括與物理、化學、生物等相關(guān)的專業(yè)技術(shù)。

其次，MEMS 需要多種工藝開發(fā)技術(shù)。MEMS 晶圓代工業(yè)務(wù)需要并行處理多項工藝開發(fā)項目，還需要盡可能以最有效的方式利用所有工程資源?！耙活惍a(chǎn)品，一種制造工藝”的定律意味著每種產(chǎn)品都需要從頭開始設(shè)計工藝。每一項工藝都需要經(jīng)過工藝開發(fā)和優(yōu)化的步驟，這些工藝步驟包括DRIE、鍵合、薄膜沉積(特別是在薄膜特性會直接影響 MEMS 性能的地方，如壓電材料等)和晶圓封蓋。光刻也是另一道需要經(jīng)常調(diào)整的工藝，MEMS 的 3D

結(jié)構(gòu)相比于普通的平面結(jié)構(gòu)難度更高。

再次，MEMS 需要具有獨特專有的設(shè)備開發(fā)技術(shù)。例如，DRIE 通過精密刻蝕硅材料，嚴格控制深度、寬高比及側(cè)壁輪廓來實現(xiàn) 3D 結(jié)構(gòu)?？涛g可深可淺，而且涉及到刻蝕晶圓的任意比例。開發(fā)這些刻蝕工藝的關(guān)鍵參數(shù)需要特定的 MEMS 工藝工程技術(shù)，同時還需要這些專門的設(shè)備來積累豐富的經(jīng)驗。

人才壁壘也是不可忽視的一個方面。

MEMS 開發(fā)過程中相互影響的因素，如工具、設(shè)計及工藝的相互依賴，意味著成功的 MEMS 項目依賴于豐富的產(chǎn)品經(jīng)驗以及對這些影響因素的充分理解。從經(jīng)驗上來看，MEMS 項目通常需要受過高等教育的工程師組建為專門化團隊進行集體研發(fā)，工程師需要擁有至少 10 年工作經(jīng)驗，以保證研發(fā)效率及成功率，而具備前述條件的工程師十分稀缺。因此 MEMS 市場存在相當高的人才壁壘。

五、MEMS行業(yè)競爭格局

MEMS 制造上連產(chǎn)品設(shè)計，下接產(chǎn)品封測，是 MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈中必不可少的一環(huán)。MEMS 產(chǎn)品類別多樣、應(yīng)用廣泛，客戶定制化程度非常高，其生產(chǎn)采用的微加工技術(shù)強調(diào)工藝精度，屬于資金、技術(shù)及智力密集型行業(yè)。

全球范圍內(nèi)，MEMS 產(chǎn)能主要集中在歐美等發(fā)達國家，目前國際主要 MEMS 代工廠商之間市場份額差距不大，且市場整體集中度較低，因此競爭較為激烈。國內(nèi)目前尚未出現(xiàn)擁有持續(xù)量產(chǎn)實踐的 MEMS 制造企業(yè)，但國內(nèi)市場需求巨大，政策及產(chǎn)業(yè)合力助推 MEMS 全產(chǎn)業(yè)鏈布局，未來產(chǎn)能將部分向國內(nèi)轉(zhuǎn)移，預(yù)計短期內(nèi)國內(nèi)MEMS 市場將處于弱競爭洼地，隨著國內(nèi) MEMS 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與成熟，未來國內(nèi)MEMS 企業(yè)間摩擦將日益加劇。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢上看，盡管目前 IDM 企業(yè)憑借長期的行業(yè)積累、技術(shù)實力以及客戶基礎(chǔ)主導(dǎo)著 MEMS 加工制造，隨著新興器件的涌現(xiàn)、新細分市場及應(yīng)用的開辟以及純代工 MEMS 企業(yè)在擅長領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計與加工工藝沉淀而產(chǎn)生的經(jīng)驗效應(yīng)，能夠同時處理多類器件開發(fā)及生產(chǎn)的純MEMS 代工企業(yè)將成為制造外包業(yè)務(wù)中的強力競爭者。

就競爭強度而言，部分中低端器件尤其是消費電子類 MEMS 器件出貨量巨大且技術(shù)要求較低，商品同質(zhì)化程度較高，可預(yù)見未來細分行業(yè)市場競爭將會加劇。