為什么這么難？MEMS傳感器的8大工藝問題

如果您致力于學術研究，那么MEMS傳感器研發領域會相當地令人興奮，但與此同時也面臨著很大壓力。您將會在凈化室帶上很長的時間，可能在一段時間內看不見陽光，導師為了撰寫發表學術性文章會不停地督促您完成樣板試制。當研發一種新的MEMS傳感器制造工藝時，最初的幾片晶圓通常不會量產可工作的器件。根據工藝的復雜性和創新性，將需要幾個星期、幾個月甚至幾年的時間去得到為數不多的好芯片。

您可能會問自己這樣一個問題：怎樣才能使MEMS傳感器工藝研發進度更加高效呢?個人建議，花點時間和精力去仔細檢查所有工藝步驟。聽起來似乎很簡單，但往往檢查部分是被忽略的。在某些情況下，即使在所有結構都是錯誤的情況下人們還在繼續處理晶圓。同樣，您可能認為已經制造出能工作的器件，但是經過切片、膠合、鍵合后，發現沒有一個芯片能正常工作。

在一臺光學顯微鏡下，許多制造步驟都可以簡單地被觀察，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顯微鏡鏡頭之外的八大問題，針對每個問題，給出針對性的檢查方法。

1. 不精確的MEMS傳感器結構層厚

許多工藝方法(如物理氣相沉積法、化學氣相沉積法或電鍍法)都會依賴沉積材料來構建機械結構或電子元件，而光學顯微鏡看不到的材料層的厚度對于性能影響相當重要。

常見的檢查方法/設備:

- 輪廓儀

- 橢圓儀

- 切割晶圓，通過掃描電子顯微鏡觀察(破壞性的測試)

- 基于探針的微機械測試

2. 邊墻形貌(sidewall profile)不佳

微結構的邊墻對器件性能有很大程度上的影響。通過光學顯微鏡看結構，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，這些幾何形變會明顯改變彈簧和柔性板的機械性能。

常見的檢查方法/設備:

- 切割晶圓，通過掃描電子顯微鏡觀察(破壞性的測試)

- 基于探針的微機械測試

3. 粘附力問題

MEMS傳感器結構內層與層之間的粘附力可能很微小，光學顯微鏡也許會看到分層跡象，但微小的粘結層是觀察不到的。

常見的檢查方法/設備:

- 聲學顯微鏡

- 基于探針的微機械測試(破壞性的測試)

4. 內應力和應力梯度

內部應力是使用薄膜常見的問題。在生產過程中產生的應力會導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/設備:

- 光學晶圓曲面測量

- 結合顯微鏡或白光干涉測厚儀測試晶圓結構

- 基于探針的微機械測試晶圓結構

5. 裂紋

大多數裂紋都可以在光學顯微鏡下看到，但是，在某些情況下，由于分辨率的局限性，細的“發際線"裂縫是不可見的。

常見的檢查方法/設備:

- 探針臺電性測試

- 聲學顯微鏡

- 基于探針的微機械測試

6. 失敗的釋放工藝

所謂釋放工藝，通常是為了形成MEMS器件中可動的機械部分，通過對連接機械部分到基底的材料進行不刻蝕來實現。當釋放失敗時，重要的是找到大部分釋放結構釋放成功而錨點沒有釋放好的區域。

常見的檢查方法/設備：

- 單芯片器件層或結構測試(破壞性測試)(Break-off device layer of a single chip or a test structure)

- 基于探針的微機械測試

7. 粘滯作用

像懸臂梁、薄膜、梭形閥這些機械結構可能由于結構的釋放會和底層基板粘連，導致器件性失效。如果MEMS傳感器結構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，恐怕只有在封測環節來挑選了。

常見的檢查方法/設備:

- 探針臺電性測試(如電容傳感器)

- 基于探針的微機械測試

8. 不精確的材料特性

新型材料在MEMS傳感器器件已經顯示其巨大的潛力。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，如楊氏模量、線性度、磁滯現象等機械性能嚴重依賴于工藝參數。不精確或者是不理想的材料特性可能會降低器件性能，甚至導致器件失效。

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