MEMS芯片質(zhì)量影響因素總結(jié) MEMS芯片制程技術(shù)類型

中科融合是一家國際領(lǐng)先的先進光學(xué)智能傳感器芯片企業(yè)，是國內(nèi)唯一擁有自主研發(fā)“MEMS芯片+SOC芯片+核心算法”，并且提供完整的AI+3D芯片以及模組產(chǎn)品的創(chuàng)新型高新技術(shù)企業(yè)。MEMS激光微振鏡投射芯片是實現(xiàn)動態(tài)結(jié)構(gòu)光條紋投影的核心部件。

中科融合自主開發(fā)了全套工藝，良率高，核心參數(shù)國內(nèi)領(lǐng)先，在國際上具有競爭力。而MEMS的質(zhì)量（魯棒性以及耐久性）則會受到其從設(shè)計到迭代的技術(shù)壽命中每一步的影響，強化MEMS研發(fā)過程質(zhì)量管控對提高產(chǎn)品的質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，以下將對MEMS質(zhì)量影響因素進行總結(jié)：

PART01

技術(shù)類型

中科融合在設(shè)計關(guān)于應(yīng)用在光學(xué)智能傳感的MEMS以及流片之前，首先考慮此MEMS芯片設(shè)計以及制程需要基于什么技術(shù)類型，從制程的類型上來說，可以大致分為以下兩種：

Bulk micromachining

Surface micromachining

Bulk Micromachining是一種通過光刻/蝕刻等步驟在材料內(nèi)部生成結(jié)構(gòu)的方法，其典型代表為SOI制程，它的好處是，MEMS的材料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)尺寸主要由使用的晶圓材料構(gòu)成，因此擁有較低的原生應(yīng)力（intrinsic stress）、較低的材料缺陷以及相對更準(zhǔn)確的尺寸控制，進而擁有更好的魯棒性與耐久性。但缺點是，每一種設(shè)計都需要重新定制流片過程，因此大批量生產(chǎn)需要投入較多的人力物力確保良率以及性能一致性。

典型SOI制程

Surface Micromachining主要在基底材料表面生長材料層，后續(xù)使用光刻/蝕刻等步驟生成MEMS結(jié)構(gòu)，其典型的代表為TSMC 0.35um 2p4m CMOS制程和PolyMUMPs等。由于使用類似IC制程的工藝流程，因此非常適合大批量生產(chǎn)。但是，由于每層結(jié)構(gòu)都是使用CVD或PVD生成，所以其結(jié)構(gòu)厚度以及原生應(yīng)力會有比較大的生產(chǎn)公差，導(dǎo)致生產(chǎn)出的MEMS的均一性相對較低，并且會有大量的形變以及蠕變問題。

典型PolyMUMPs制程截面圖

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兩相比較，中科融合產(chǎn)品選擇了Bulk Micromachining這種類型的制程來保證MEMS微鏡的魯棒性以及耐久性。

PART02

機械應(yīng)力

針對中科融合的MEMS微鏡，在設(shè)計中需要考慮的一大因素為結(jié)構(gòu)在工作中的應(yīng)力，其為決定MEMS壽命的重要因素。在實際設(shè)計中，需要保證產(chǎn)品在工作條件下的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料失效應(yīng)力，而MEMS材料的失效應(yīng)力與其在工作中的最大應(yīng)力的比例為安全系數(shù)。中科融合的設(shè)計使用的安全系數(shù)>5，因此，可以保證在正常工作狀態(tài)，MEMS的壽命達到1011次循環(huán)以上。

單晶硅循環(huán)壽命對主應(yīng)力上限

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PART03

生產(chǎn)管控

制定MEMS微振鏡流片計劃、儲備流片所需特制SOI wafer、交付時間。跟進fab流片進度，及時更新流片交付日期，確保按質(zhì)按量交付。制定合理工藝參數(shù)，增加PCM，監(jiān)控關(guān)鍵工藝步驟（如下圖所示），要求fab及時提供需求的工藝監(jiān)控測試數(shù)據(jù)，在滿足工藝參數(shù)定義的范圍內(nèi)，經(jīng)確認(rèn)后對各個工藝逐一放行。對每一批次Lot的良率進行統(tǒng)計及分析，確保良率穩(wěn)定。

工藝參數(shù)監(jiān)控參數(shù)

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在MEMS芯片儲備數(shù)量滿足公司生產(chǎn)的前提下，對同一Lot分多批次進行放行，每批次放行3-6片，減少MEMS芯片在公司生產(chǎn)環(huán)節(jié)過程中的儲存時間，減少外界環(huán)境對MEMS的影響時間。已經(jīng)完成流片并且交付的MEMS芯片，需進行真空包裝封存并添加干燥劑和濕度卡，放置在恒溫恒濕箱中，每天按時檢查恒溫恒濕箱及濕度卡，濕度Spec＜20％。

MEMS 芯片儲存

PART04

檢測與篩查

MEMS芯片來料會經(jīng)歷一系列的來料檢，其中包括外觀檢（目檢，是否有明顯的缺陷以及尺寸偏差）、電學(xué)性質(zhì)檢測（阻抗檢測等）、機械檢測（諧振頻率以及品質(zhì)參數(shù)等）以及老化檢測。

具體步驟如下：目檢 – 封裝振鏡 – 打線 – 電學(xué)性質(zhì)檢測 – 低溫測試 – 老化測試 – 電阻測試。在低溫測試與老化測試中，MEMS會工作在高于正常工況的FoV，同時，在這兩個測試中，MEMS的機械參數(shù)會被測量并記錄。

此系列測試能夠?qū)EMS進行足夠的篩查，進而過濾掉可能出現(xiàn)嚴(yán)重失效的殘次品。在低溫測試與老化測試前后，MEMS的電學(xué)性能也會被測量并比較，以保證其在測試前后不會出現(xiàn)明顯的變化。

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目檢中發(fā)現(xiàn)的典型問題

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PART05

熱應(yīng)力

由于不同材料熱脹冷縮而引入的應(yīng)力，是產(chǎn)品不能穩(wěn)定工作的重要原因之一，甚至可能引起與MEMS微鏡貼合相關(guān)結(jié)構(gòu)件的碎裂進而嚴(yán)重失效。在中科融合的產(chǎn)品中，由于底座材料和單晶硅的熱膨脹系數(shù)相差較大，因此，我們選用了硅墊片以及硬度較低的粘合劑來降低熱應(yīng)力引入的失效風(fēng)險。

PART06

驅(qū)動信號頻譜分量

不同單體的MEMS設(shè)備都擁有多個諧振模態(tài)，而某些特定的模態(tài)的觸發(fā)會引發(fā)MEMS的功能性失效，對MEMS諧振模態(tài)的了解以及對驅(qū)動信號的正確選擇可以極大程度上避免此類的功能性失效從而保證產(chǎn)品的壽命與穩(wěn)定性。

基于中科融合的MEMS的設(shè)計，其某一個高階模態(tài)會導(dǎo)致機械應(yīng)力在特定位置聚集。如果驅(qū)動信號存在接近此模態(tài)的頻率分量，則有極大可能，在溫漂/應(yīng)力導(dǎo)致的MEMS諧振頻率漂移以及溫度引起的驅(qū)動信號頻率漂移的相互作用下，MEMS會在此特定模態(tài)發(fā)生諧振，進而極大增加由于機械應(yīng)力造成的嚴(yán)重失效。

為此，中科融合的驅(qū)動信號會根據(jù)MEMS的機械特性，在特定區(qū)域增加信號濾波，以降低失效可能。

PART07

失效分析以及設(shè)計迭代

在MEMS設(shè)計和生產(chǎn)中，有個別單體失效是很難從設(shè)計階段考慮到并且進行規(guī)避，需要基于失效分析對設(shè)計與生產(chǎn)進行迭代，從而提升MEMS的魯棒性以及性能的穩(wěn)定性。例如我們曾遇到過的MEMS的長軸斷裂問題，在研發(fā)團隊對問題的逐一排查過程中，我們發(fā)現(xiàn)，其斷裂位置與生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的臺階有強相關(guān)性，見下圖：

失效處SEM圖

而此臺階的產(chǎn)生可以依靠設(shè)計進行規(guī)避，因此，我們對此處的版圖進行了修改，從源頭上避免了臺階的產(chǎn)生。

改進前后失效處版圖對比

產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)技術(shù)、管理能力以及人員素質(zhì)的綜合反映。伴隨人類社會的進步和人們生活水平的提高，終端用戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高。因此，企業(yè)要想長期可持續(xù)發(fā)展，必須圍繞質(zhì)量這個核心開展研發(fā)與制造活動。加強質(zhì)量管理，持續(xù)提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而更好地為用戶服務(wù)、為行業(yè)賦能。

審核編輯：湯梓紅