MEMS传感器测试：显微镜下隐藏着的八大工艺问题
2016-02-04 08:55:56   来源：SITRI   评论：0   点击：

Femto Tools是瑞士一家专门生产微纳测量和加工仪器的公司，主要的产品有压力传感器探针、纳米移动平台和定位系统、数据采集和控制系统等。产品主要应用于生物与生物工程、材料科学、MEMS表征、微型机器手臂、纳米技术等。

如果您致力于学术研究，那么MEMS传感器研发领域会相当地令人兴奋，但与此同时也面临着很大压力。您将会在净化室带上很长的时间，可能在一段时间内看不见阳光，导师为了撰写发表学术性文章会不停地督促您完成样板试制。当研发一种新的MEMS传感器制造工艺时，最初的几片晶圆通常不会量产可工作的器件。根据工艺的复杂性和创新性，将需要几个星期、几个月甚至几年的时间去得到为数不多的好芯片。

您可能会问自己这样一个问题：怎样才能使MEMS传感器工艺研发进度更加高效呢？个人建议，花点时间和精力去仔细检查所有工艺步骤。听起来似乎很简单，但往往检查部分是被忽略的。在某些情况下，即使在所有结构都是错误的情况下人们还在继续处理晶圆。同样，您可能认为已经制造出能工作的器件，但是经过切片、胶合、键合后，发现没有一个芯片能正常工作。

在一台光学显微镜下，许多制造步骤都可以简单地被观察，通常只需要几分钟来帮助确定MEMS传感器制造问题。然而，最难的是显微镜也不能帮助确定的问题。以下所列举的是光学显微镜镜头之外的八大问题，针对每个问题，给出针对性的检查方法。

1. 不精确的MEMS传感器结构层厚

许多工艺方法（如物理气相沉积法、化学气相沉积法或电镀法）都会依赖沉积材料来构建机械结构或电子元件，而光学显微镜看不到的材料层的厚度对于性能影响相当重要。

常见的检查方法/设备:
- 轮廓仪
- 椭圆仪
- 切割晶圆，通过扫描电子显微镜观察（破坏性的测试）
- 基于探针的微机械测试

2. 边墙形貌（sidewall profile）不佳

微结构的边墙对器件性能有很大程度上的影响。通过光学显微镜看结构，所看到的边墙不是很好。特别是，刻蚀不足和沟槽通常是看不见的。然而，这些几何形变会明显改变弹簧和柔性板的机械性能。

常见的检查方法/设备:
- 切割晶圆，通过扫描电子显微镜观察（破坏性的测试）
- 基于探针的微机械测试

3. 粘附力问题

MEMS传感器结构内层与层之间的粘附力可能很微小，光学显微镜也许会看到分层迹象，但微小的粘结层是观察不到的。

常见的检查方法/设备:
- 声学显微镜
- 基于探针的微机械测试（破坏性的测试）

4. 内应力和应力梯度

内部应力是使用薄膜常见的问题。在生产过程中产生的应力会导致器件良率和性能降低，以及淀积膜的分层和开裂。

常见的检查方法/设备:
- 光学晶圆曲面测量
- 结合显微镜或白光干涉测厚仪测试晶圆结构
- 基于探针的微机械测试晶圆结构

5. 裂纹

大多数裂纹都可以在光学显微镜下看到，但是，在某些情况下，由于分辨率的局限性，细的“发际线”裂缝是不可见的。

常见的检查方法/设备:
- 探针台电性测试
- 声学显微镜
- 基于探针的微机械测试

6. 失败的释放工艺

所谓释放工艺，通常是为了形成MEMS器件中可动的机械部分，通过对连接机械部分到基底的材料进行不完全刻蚀来实现。当释放失败时，重要的是找到大部分释放结构释放成功而锚点没有释放好的区域。

常见的检查方法/设备：
- 单芯片器件层或结构测试（破坏性测试）（Break-off device layer of a single chip or a test structure）
基于探针的微机械测试

7. 粘滞作用

像悬臂梁、薄膜、梭形阀这些机械结构可能由于结构的释放会和底层基板粘连，导致器件永久性失效。如果MEMS传感器结构和衬底之间的距离非常小，那么通过显微镜观察曲率是不可见的。如果您想要好芯片，恐怕只有在封测环节来挑选了。

常见的检查方法/设备:
- 探针台电性测试（如电容传感器）
- 基于探针的微机械测试

8. 不精确的材料特性

新型材料在MEMS传感器器件已经显示其巨大的潜力。但是，薄膜材料比本体材料更能展示出不同的特性。尤其使用聚合物时，如杨氏模量、线性度、磁滞现象等机械性能严重依赖于工艺参数。不精确或者是不理想的材料特性可能会降低器件性能，甚至导致器件失效。

常见的检查方法/设备:
- 探针台（针对电性能）
- X射线探测器（化学计量分析）
- 基于探针的微机械测试（针对机械性能）