中科融合MEMS質(zhì)量管控 | 持續(xù)提升MEMS微鏡魯棒性與耐久性

中科融合是一家國(guó)際領(lǐng)先的先進(jìn)光學(xué)智能傳感器芯片企業(yè)，是國(guó)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)光條紋投影的核心部件。

中科融合自主開(kāi)發(fā)了全套工藝，良率高，核心參數(shù)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，在國(guó)際上具有競(jìng)爭(zhēng)力。而MEMS的質(zhì)量（魯棒性以及耐久性）則會(huì)受到其從設(shè)計(jì)到迭代的技術(shù)壽命中每一步的影響，強(qiáng)化MEMS研發(fā)過(guò)程質(zhì)量管控對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，以下將對(duì)MEMS質(zhì)量影響因素進(jìn)行總結(jié)：

PART01 技術(shù)類型

中科融合在設(shè)計(jì)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(jì)以及制程需要基于什么技術(shù)類型，從制程的類型上來(lái)說(shuō)，可以大致分為以下兩種：

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• Bulk micromachining

• Surface micromachining

Bulk Micromachining是一種通過(guò)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(duì)更準(zhǔn)確的尺寸控制，進(jìn)而擁有更好的魯棒性與耐久性。但缺點(diǎn)是，每一種設(shè)計(jì)都需要重新定制流片過(guò)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(zhǎng)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(huì)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(duì)較低，并且會(huì)有大量的形變以及蠕變問(wèn)題。



典型PolyMUMPs制程截面圖

（點(diǎn)擊查看大圖）




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




PART02 機(jī)械應(yīng)力

針對(duì)中科融合的MEMS微鏡，在設(shè)計(jì)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(shí)際設(shè)計(jì)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(jì)使用足夠高的安全系數(shù)，因此，可以保證在正常工作狀態(tài)，MEMS的壽命達(dá)到1011次循環(huán)以上。






單晶硅循環(huán)壽命對(duì)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(jì)劃、儲(chǔ)備流片所需特制SOI wafer、交付時(shí)間。跟進(jìn)fab流片進(jìn)度，及時(shí)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，要求fab及時(shí)提供需求的工藝監(jiān)控測(cè)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(duì)各個(gè)工藝逐一放行。對(duì)每一批次Lot的良率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及分析，確保良率穩(wěn)定。




在MEMS芯片儲(chǔ)備數(shù)量滿足公司生產(chǎn)的前提下，對(duì)同一Lot分多批次進(jìn)行放行，減少M(fèi)EMS芯片在公司生產(chǎn)環(huán)節(jié)過(guò)程中的儲(chǔ)存時(shí)間，減少外界環(huán)境對(duì)MEMS的影響時(shí)間。已經(jīng)完成流片并且交付的MEMS芯片，需進(jìn)行真空包裝封存。






PART04 檢測(cè)與篩查

MEMS芯片來(lái)料會(huì)經(jīng)歷一系列的來(lái)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(cè)（阻抗檢測(cè)等）、機(jī)械檢測(cè)（諧振頻率以及品質(zhì)參數(shù)等）以及老化檢測(cè)。





具體步驟如下：目檢 – 封裝 – 打線 – 電學(xué)性質(zhì)檢測(cè) – 老化測(cè)試 – 電學(xué)性質(zhì)測(cè)試。在老化測(cè)試中，MEMS會(huì)工作在高于正常工況的FoV，同時(shí)，MEMS的機(jī)械參數(shù)會(huì)被測(cè)量并記錄。




此系列測(cè)試能夠?qū)EMS進(jìn)行足夠的篩查，進(jìn)而過(guò)濾掉可能出現(xiàn)嚴(yán)重失效的殘次品。在老化測(cè)試前后，MEMS的電學(xué)性能也會(huì)被測(cè)量并比較，以保證其在測(cè)試前后不會(huì)出現(xiàn)明顯的變化。




  

目檢中發(fā)現(xiàn)的典型問(wèn)題

（向下滑動(dòng)查看）




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(jìn)而嚴(yán)重失效。在中科融合的產(chǎn)品中，由于底座材料和MEMS材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，因此，我們選用了合適的材料和粘合劑來(lái)降低熱應(yīng)力引入的失效風(fēng)險(xiǎn)。




PART06驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻譜分量

不同單體的MEMS設(shè)備都擁有多個(gè)諧振模態(tài)，而某些特定的模態(tài)的觸發(fā)會(huì)引發(fā)MEMS的功能性失效，對(duì)MEMS諧振模態(tài)的了解以及對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jì)，其某一個(gè)高階模態(tài)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力在特定位置聚集。如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)頻率漂移的相互作用下，MEMS會(huì)在此特定模態(tài)發(fā)生諧振，進(jìn)而極大增加由于機(jī)械應(yīng)力造成的嚴(yán)重失效。




為此，中科融合的驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)根據(jù)MEMS的機(jī)械特性，在特定區(qū)域增加信號(hào)濾波，以降低失效可能。




PART07 失效分析以及設(shè)計(jì)迭代

在MEMS設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，有個(gè)別單體失效是很難從設(shè)計(jì)階段考慮到并且進(jìn)行規(guī)避，需要基于失效分析對(duì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)進(jìn)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?cè)龅竭^(guò)的MEMS斷軸問(wèn)題，在研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)問(wèn)題的逐一排查過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，其斷裂位置與生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的臺(tái)階有強(qiáng)相關(guān)性，見(jiàn)下圖：






失效處SEM圖




而此臺(tái)階的產(chǎn)生可以依靠設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)避，因此，我們對(duì)此處的版圖進(jìn)行了修改，從源頭上避免了臺(tái)階的產(chǎn)生。






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(huì)的進(jìn)步和人們生活水平的提高，終端用戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高。因此，企業(yè)要想長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，必須圍繞質(zhì)量這個(gè)核心開(kāi)展研發(fā)與制造活動(dòng)。加強(qiáng)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。