升級MEMS制造：從概念到批量生產(chǎn)

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

電腦、手機或汽車應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器件的出貨量預計將從2019年的240多億翻倍至500多億。

機遇與挑戰(zhàn)并存

傳感器，尤其是MEMS器件的市場機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。

●   等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)的特殊要求：MEMS制造對沉積過程中的應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)性以及由其導致的邊緣反應物、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致溫度的不連續(xù)性，這種不連續(xù)性又會導致鈍化梯度。材料（或化學）的不連續(xù)性和反應物梯度會導致化學物質(zhì)吸附速率出現(xiàn)差異。除溫度梯度以外，晶圓邊緣反應物消耗量和副產(chǎn)物排放速率的變化也會導致吸附速率發(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致等離子體殼層彎曲并進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)，泛林集團采用了三管齊下的升級策略：

●   利用先進技術(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先進設(shè)備——用于硅通孔刻蝕的Syndion^?和用于導體刻蝕的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，包括增強的負載鎖定氣流、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。然后通過導入MEMS布局或根據(jù)MEMS+組件庫的參數(shù)元素進行組合即可創(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入MEMS+執(zhí)行仿真試驗。隨后可將MEMS設(shè)計的降階模型導入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電、靜電、壓電、壓阻和阻尼效應。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械行為，或使用第三方FEA工具將基底形變導入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可以預測工藝變更對下游過程的影響，因而晶圓廠無須再進行“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)可以導入虛擬過程模型用于校準模型、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)很復雜，任何工藝缺陷（例如溝槽側(cè)壁角度和輪廓誤差）都會導致交叉耦合和器件故障。

音叉陀螺儀的驅(qū)動件和傳感模塊應完全正交。工藝缺陷通常會導致驅(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行測試，并基于測試結(jié)果進行工藝開發(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)對虛擬模型進行校準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)來更準確地測量測試晶圓的斜率也可以達到同樣的效果。

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)應用持續(xù)推升對MEMS器件的需求，半導體行業(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。泛林集團開發(fā)的各種先進工具可以解決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構(gòu)的合作經(jīng)驗，泛林的產(chǎn)品和服務將持續(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。