為什么這么難？MEMS傳感器的8大工藝問題

如果您致力于學(xué)術(shù)研究，那么MEMS傳感器研發(fā)領(lǐng)域會(huì)相當(dāng)?shù)亓钊伺d奮，但與此同時(shí)也面臨著很大壓力。您將會(huì)在凈化室?guī)虾荛L(zhǎng)的時(shí)間，可能在一段時(shí)間內(nèi)看不見陽光，導(dǎo)師為了撰寫發(fā)表學(xué)術(shù)性文章會(huì)不停地督促您完成樣板試制。當(dāng)研發(fā)一種新的MEMS傳感器制造工藝時(shí)，最初的幾片晶圓通常不會(huì)量產(chǎn)可工作的器件。根據(jù)工藝的復(fù)雜性和創(chuàng)新性，將需要幾個(gè)星期、幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間去得到為數(shù)不多的好芯片。

您可能會(huì)問自己這樣一個(gè)問題：怎樣才能使MEMS傳感器工藝研發(fā)進(jìn)度更加高效呢?個(gè)人建議，花點(diǎn)時(shí)間和精力去仔細(xì)檢查所有工藝步驟。聽起來似乎很簡(jiǎn)單，但往往檢查部分是被忽略的。在某些情況下，即使在所有結(jié)構(gòu)都是錯(cuò)誤的情況下人們還在繼續(xù)處理晶圓。同樣，您可能認(rèn)為已經(jīng)制造出能工作的器件，但是經(jīng)過切片、膠合、鍵合后，發(fā)現(xiàn)沒有一個(gè)芯片能正常工作。

在一臺(tái)光學(xué)顯微鏡下，許多制造步驟都可以簡(jiǎn)單地被觀察，通常只需要幾分鐘來幫助確定MEMS傳感器制造問題。然而，最難的是顯微鏡也不能幫助確定的問題。以下所列舉的是光學(xué)顯微鏡鏡頭之外的八大問題，針對(duì)每個(gè)問題，給出針對(duì)性的檢查方法。

1. 不精確的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)層厚

許多工藝方法(如物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法或電鍍法)都會(huì)依賴沉積材料來構(gòu)建機(jī)械結(jié)構(gòu)或電子元件，而光學(xué)顯微鏡看不到的材料層的厚度對(duì)于性能影響相當(dāng)重要。

常見的檢查方法/設(shè)備:

- 輪廓儀

- 橢圓儀

- 切割晶圓，通過掃描電子顯微鏡觀察(破壞性的測(cè)試)

- 基于探針的微機(jī)械測(cè)試

2. 邊墻形貌(sidewall profile)不佳

微結(jié)構(gòu)的邊墻對(duì)器件性能有很大程度上的影響。通過光學(xué)顯微鏡看結(jié)構(gòu)，所看到的邊墻不是很好。特別是，刻蝕不足和溝槽通常是看不見的。然而，這些幾何形變會(huì)明顯改變彈簧和柔性板的機(jī)械性能。

常見的檢查方法/設(shè)備:

- 切割晶圓，通過掃描電子顯微鏡觀察(破壞性的測(cè)試)

- 基于探針的微機(jī)械測(cè)試

3. 粘附力問題

MEMS傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)層與層之間的粘附力可能很微小，光學(xué)顯微鏡也許會(huì)看到分層跡象，但微小的粘結(jié)層是觀察不到的。

常見的檢查方法/設(shè)備:

- 聲學(xué)顯微鏡

- 基于探針的微機(jī)械測(cè)試(破壞性的測(cè)試)

4. 內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力梯度

內(nèi)部應(yīng)力是使用薄膜常見的問題。在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致器件良率和性能降低，以及淀積膜的分層和開裂。

常見的檢查方法/設(shè)備:

- 光學(xué)晶圓曲面測(cè)量

- 結(jié)合顯微鏡或白光干涉測(cè)厚儀測(cè)試晶圓結(jié)構(gòu)

- 基于探針的微機(jī)械測(cè)試晶圓結(jié)構(gòu)

5. 裂紋

大多數(shù)裂紋都可以在光學(xué)顯微鏡下看到，但是，在某些情況下，由于分辨率的局限性，細(xì)的“發(fā)際線"裂縫是不可見的。

常見的檢查方法/設(shè)備:

- 探針臺(tái)電性測(cè)試

- 聲學(xué)顯微鏡

- 基于探針的微機(jī)械測(cè)試

6. 失敗的釋放工藝

所謂釋放工藝，通常是為了形成MEMS器件中可動(dòng)的機(jī)械部分，通過對(duì)連接機(jī)械部分到基底的材料進(jìn)行不刻蝕來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)釋放失敗時(shí)，重要的是找到大部分釋放結(jié)構(gòu)釋放成功而錨點(diǎn)沒有釋放好的區(qū)域。

常見的檢查方法/設(shè)備：

- 單芯片器件層或結(jié)構(gòu)測(cè)試(破壞性測(cè)試)(Break-off device layer of a single chip or a test structure)

- 基于探針的微機(jī)械測(cè)試

7. 粘滯作用

像懸臂梁、薄膜、梭形閥這些機(jī)械結(jié)構(gòu)可能由于結(jié)構(gòu)的釋放會(huì)和底層基板粘連，導(dǎo)致器件性失效。如果MEMS傳感器結(jié)構(gòu)和襯底之間的距離非常小，那么通過顯微鏡觀察曲率是不可見的。如果您想要好芯片，恐怕只有在封測(cè)環(huán)節(jié)來挑選了。

常見的檢查方法/設(shè)備:

- 探針臺(tái)電性測(cè)試(如電容傳感器)

- 基于探針的微機(jī)械測(cè)試

8. 不精確的材料特性

新型材料在MEMS傳感器器件已經(jīng)顯示其巨大的潛力。但是，薄膜材料比本體材料更能展示出不同的特性。尤其使用聚合物時(shí)，如楊氏模量、線性度、磁滯現(xiàn)象等機(jī)械性能嚴(yán)重依賴于工藝參數(shù)。不精確或者是不理想的材料特性可能會(huì)降低器件性能，甚至導(dǎo)致器件失效。

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