升級MEMS制造：從概念到批量生產(chǎn)

泛林集團(tuán)開發(fā)的先進(jìn)工藝解決晶圓制造領(lǐng)域難題，滿足MEMS器件市場的強勁需求

作者：David Haynes博士，泛林集團(tuán)客戶支持事業(yè)部戰(zhàn)略營銷高級總監(jiān)

長期以來，電腦、手機(jī)以及一些汽車應(yīng)用一直是推動半導(dǎo)體器件增長的動力。這些傳統(tǒng)市場的發(fā)展也在加速催化對各種相關(guān)新應(yīng)用的需求，包括人工智能（AI）、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）、機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療傳感器以及更先進(jìn)的汽車電子產(chǎn)品，而以上各種應(yīng)用的發(fā)展又刺激了對各類半導(dǎo)體的需求，包括邏輯芯片、控制IC、圖像傳感器以及MEMS組件。

電腦、手機(jī)或汽車應(yīng)用都需要各種類型的傳感器（例如圖像傳感器和/或MEMS傳感器）來感知周邊環(huán)境并提供客戶需要的核心功能。

在這種情況下，近年來傳感器的需求呈現(xiàn)出強勁的兩位數(shù)增長，這對于成熟市場來說頗為不易。2018年，MEMS和傳感器在整個IC市場的占比超過了10%。根據(jù)法國市場調(diào)研公司Yole Développement的《2020年MEMS行業(yè)報告》，到2025年，MEMS器件的出貨量預(yù)計將從2019年的240多億翻倍至500多億。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

傳感器，尤其是MEMS器件的市場機(jī)遇也面臨著制造方面的挑戰(zhàn)，具體包括：

• 晶圓尺寸過渡：目前圖像傳感器制造使用的是300mm晶圓，而MEMS器件的制造將在不久的將來從小直徑晶圓轉(zhuǎn)移至300mm晶圓。所有晶圓制造廠都面臨邊緣不連續(xù)性的問題，而這個問題在晶圓尺寸提升至300mm后會更難解決。
• 加工：MEMS和邏輯CMOS的晶圓加工是完全不同的。在加工MEMS晶圓時，器件制造商可能需要用到雙面拋光晶圓、帶薄膜的空腔晶圓、需特殊傳動的臨時鍵合晶圓、單晶圓清洗、結(jié)構(gòu)釋放刻蝕和斜面工程技術(shù)。
• 深度反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）：MEMS器件生產(chǎn)需要降低斜率、更好的關(guān)鍵尺寸和深度均勻性以及其他與集成和覆蓋相關(guān)的半關(guān)鍵刻蝕工藝。另外，對未來的MEMS制造來說，提升分辨率和生產(chǎn)率也非常重要。
• 等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）的特殊要求：MEMS制造對沉積過程中的應(yīng)力控制有極高的要求并可能需要低溫加工技術(shù)。
• 壓電材料：有越來越多的壓電材料被用來實現(xiàn)MEMS器件的功能。但對于制造設(shè)備來說，這些材料屬于具有獨特特性和制造要求的新物質(zhì)。鉬（Mo）和鉑（Pt）等電極材料可用于避免在壓電層極化過程中產(chǎn)生不均勻的電場。
• 晶圓尺寸的影響：任何刻蝕都要面臨邊緣不連續(xù)性以及由其導(dǎo)致的邊緣反應(yīng)物、鈍化和鞘層梯度（圖1）。

圖1：300mm邏輯、存儲器和MEMS制造商都面臨邊緣的不連續(xù)性問題。

腔室和晶圓之間的溫度差會導(dǎo)致溫度的不連續(xù)性，這種不連續(xù)性又會導(dǎo)致鈍化梯度。材料（或化學(xué)）的不連續(xù)性和反應(yīng)物梯度會導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)吸附速率出現(xiàn)差異。除溫度梯度以外，晶圓邊緣反應(yīng)物消耗量和副產(chǎn)物排放速率的變化也會導(dǎo)致吸附速率發(fā)生變化。在晶圓的邊緣，從偏置表面到接地或懸浮表面的變化也會導(dǎo)致等離子體殼層彎曲并進(jìn)而改變離子相對于晶圓的運動軌跡。

任何晶圓的刻蝕都涉及邊緣不連續(xù)性，而且隨著晶圓尺寸提升至300mm，這些問題對良率的影響會更為顯著。對300mm晶圓來說，外層8mm邊緣的表面積占比可達(dá)10%左右，即使是外層2mm邊緣也幾乎占據(jù)晶圓表面積的3%，依然具有不可忽視的影響。

升級MEMS制造的策略

針對MEMS器件制造領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，泛林集團(tuán)采用了三管齊下的升級策略：

• 利用先進(jìn)技術(shù)升級MEMS加工能力，例如深硅刻蝕（DSiE）、PECVD和光刻膠去除技術(shù)。
• 用各種手段解決客戶的高價值挑戰(zhàn)，包括投資材料科學(xué)研究、減少開發(fā)時間、延長設(shè)備的生命周期以及更順利地實現(xiàn)晶圓設(shè)備從200mm到300mm的過渡。
• 提供工具助力客戶進(jìn)行MEMS開發(fā)和工藝優(yōu)化。

泛林研發(fā)的很多創(chuàng)新技術(shù)現(xiàn)在正被廣泛用于解決MEMS制造面臨的問題。舉例來說，泛林的變壓器耦合等離子體（TCP）技術(shù)能在整個晶圓表面實現(xiàn)出色的等離子體均勻性，而我們的變壓器耦合和電容調(diào)諧線圈能創(chuàng)建多個均勻高功率密度晶圓區(qū)域。

泛林還能提供針對300mm晶圓開發(fā)但同樣適用于200mm MEMS制造的領(lǐng)先設(shè)備技術(shù)。例如，我們的DSiE? G深度反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）設(shè)備就是結(jié)合了泛林的深硅刻蝕技術(shù)以及300mm先進(jìn)設(shè)備——用于硅通孔刻蝕的Syndion?和用于導(dǎo)體刻蝕的Kiyo?系列——所具備的特性。

泛林在其他設(shè)備上也采用相同的策略，使用經(jīng)過現(xiàn)場驗證的升級手段來提升機(jī)臺的性能。舉例來說，用于Express處理程序的VECTOR? PECVD（用于300mm晶圓的先進(jìn)電介質(zhì)沉積設(shè)備）在經(jīng)過針對200mm工藝的調(diào)整后已經(jīng)能夠滿足MEMS的制造要求。

VECTOR現(xiàn)在使用的增強型原子氟源能為工藝腔室提供更高濃度的自由基，由此提升效率并縮短腔室清潔時間。專為VECTOR研發(fā)、用于減少缺陷的套件也為之帶來眾多改進(jìn)，包括增強的負(fù)載鎖定氣流、LTM阻尼器、伺服冷卻功能、基座傳動裝置、自動晶圓對中（AWC）等。

類似地，原本已經(jīng)很成熟的SP203L單晶圓清洗系統(tǒng)也通過泛林最新的控制系統(tǒng)軟件得到了升級。

基于協(xié)作的工藝優(yōu)化

在通過設(shè)備改進(jìn)提升晶圓相關(guān)性能的同時，晶圓廠也必須優(yōu)化其工藝流程以提高可靠性、產(chǎn)量和良率。新流程的開發(fā)可能需要經(jīng)歷多個“構(gòu)建和測試”周期，因此其時間和金錢成本會比較高。

得益于對Coventor的收購，泛林在器件設(shè)計、工藝建模（包括“虛擬制造”）和新式虛擬計量技術(shù)方面開始有所建樹，能夠避免上述的多周期現(xiàn)象并提高解決方案的交付速度（圖2）。

圖2：使用器件建模和虛擬制造平臺的反饋可以實現(xiàn)工藝優(yōu)化以改善MEMS的制造和設(shè)計

基于MEMS+?或CoventorWare?（包含CoventorMP? MEMS設(shè)計平臺）的MEMS器件設(shè)計可以作為工藝優(yōu)化（參見圖2）的第一步。

上述設(shè)計過程的第一步是輸入材料特性和工藝描述。然后通過導(dǎo)入MEMS布局或根據(jù)MEMS+組件庫的參數(shù)元素進(jìn)行組合即可創(chuàng)建器件模型。MEMS+用戶可以通過組合高級有限元或特定于MEMS的基本構(gòu)成要素實現(xiàn)完整的設(shè)計。創(chuàng)建器件模型后即可將其導(dǎo)入MEMS+執(zhí)行仿真試驗。隨后可將MEMS設(shè)計的降階模型導(dǎo)入MathWorks或Cadence環(huán)境執(zhí)行系統(tǒng)或電路仿真試驗。前述所有形式的模型都可以用3D展示。

MEMS+3D模型還可以被轉(zhuǎn)移至CoventorWare。CoventorWare使用專門的預(yù)處理器，并設(shè)有針對MEMS器件優(yōu)化的網(wǎng)格劃分選項。該工具包含一套適用于各種MEMS物理建模的現(xiàn)場解決工具，其中涵蓋了世界一流的耦合機(jī)電、靜電、壓電、壓阻和阻尼效應(yīng)。它還支持封裝效果分析，具體實現(xiàn)方法包括直接模擬封裝和基板的熱機(jī)械行為，或使用第三方FEA工具將基底形變導(dǎo)入MEMS+器件模型。

上述步驟完成后可以用SEMulator3D?在MEMS設(shè)計上執(zhí)行虛擬制造和工藝建模。SEMulator3D可基于一系列單元加工步驟創(chuàng)建虛擬3D半導(dǎo)體器件模型。通過使用集成了工藝流程的完整模型，SEMulator3D可以預(yù)測工藝變更對下游過程的影響，因而晶圓廠無須再進(jìn)行“構(gòu)建和測試”。虛擬制造技術(shù)可用于運行數(shù)字化實驗設(shè)計（DoE）生成虛擬計量數(shù)據(jù)，并針對設(shè)計給出反饋。泛林設(shè)備的實際工藝處理結(jié)果數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入虛擬過程模型用于校準(zhǔn)模型、優(yōu)化工藝開發(fā)和縮短尋找“配方”所需的時間。

成功的方向

我們可以通過一項高級MEMS陀螺儀研究案例來展現(xiàn)工藝優(yōu)化的概念。MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，任何工藝缺陷（例如溝槽側(cè)壁角度和輪廓誤差）都會導(dǎo)致交叉耦合和器件故障。

音叉陀螺儀的驅(qū)動件和傳感模塊應(yīng)完全正交。工藝缺陷通常會導(dǎo)致驅(qū)動件發(fā)生偏離設(shè)計意圖的振動，而這種振動正是導(dǎo)致正交誤差（QR）的一大原因。

在過去，陀螺儀可以容許微小的傾斜（約0.1度），但如今的高級陀螺儀可以容許的誤差則要小得多。良率高低的差異可能就是由于溝槽設(shè)計中微小的斜率誤差或其他不理想因素。然而，使用傳統(tǒng)的SEM計量技術(shù)又難以精確測量這種極其微小的斜率。在這種情況下，要想保證性能，就必須制造出完整的器件進(jìn)行測試，并基于測試結(jié)果進(jìn)行工藝開發(fā)，而這整個過程要循環(huán)多次才能推斷出真正滿足要求的刻蝕工藝。

很明顯，上述開發(fā)過程非常適合用虛擬模型處理。通過將斜率納入虛擬模型可以精準(zhǔn)確定斜率變化帶來的各種影響，包括對器件性能的影響。此外還可以根據(jù)測得的性能數(shù)據(jù)對虛擬模型進(jìn)行校準(zhǔn)以及通過仿真測試確定斜率。使用這一技術(shù)可以縮短制造工藝的開發(fā)時間并提高良率。

上述概念已被實際應(yīng)用于開發(fā)一款高級MEMS陀螺儀并成功提高了良率（圖3）。

圖3：在實際應(yīng)用中通過工藝優(yōu)化將良率損失從35%降低到了不足1%。

良率在優(yōu)化前和優(yōu)化后的巨大變化（從大約65%提升到99%）部分是由于能夠建模并了解斜率對器件性能的影響。通過設(shè)計一種新的計量技術(shù)來更準(zhǔn)確地測量測試晶圓的斜率也可以達(dá)到同樣的效果。

綜上，通過綜合利用虛擬模型、創(chuàng)新的計量技術(shù)以及泛林的工藝和硬件開發(fā)能力可以有效縮短工藝開發(fā)周期并提升良率。

MEMS的美好未來

隨著消費品、汽車和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用持續(xù)推升對MEMS器件的需求，半導(dǎo)體行業(yè)將需要更多基于200mm晶圓的生產(chǎn)能力，而與其配套的ASIC則依賴制程在28nm以上的300mm晶圓生產(chǎn)能力。泛林集團(tuán)開發(fā)的各種先進(jìn)工具可以解決200mm和300mm晶圓生產(chǎn)領(lǐng)域的各種制造難題，并提供統(tǒng)一且高產(chǎn)的MEMS制造解決方案。

結(jié)合泛林的領(lǐng)先技術(shù)和Coventor的建模技術(shù)，再加上我們與代工廠和研究機(jī)構(gòu)的合作經(jīng)驗，泛林的產(chǎn)品和服務(wù)將持續(xù)加快提供解決方案的速度，并由此縮短全新MEMS產(chǎn)品的上市時間。