Sensera公司实例告诉您：MEMS制造如何满足跨行业质量标准
2018-06-23 10:30:28   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，微机电系统（MEMS）是在专业微电子代工厂完成制造的器件，结合了电子功能和机械功能。MEMS作为一种技术平台，已经制造出独特的传感器和执行器，可以“扮演”眼睛、耳朵、鼻子、舌头甚至器官的角色。最初MEMS给予了人类无限的遐想和希望，但在实际制造时面临的挑战却常常令人畏惧。这是因为MEMS种类繁多，应用于各行各业中，而每个行业都有独特的标准和技术要求。

定制设计是MEMS技术的特点，通常具有高纵深比（高、细、易断）。很多MEMS器件用于苛刻的热环境并受到机械应力。虽然MEMS制造与集成电路（IC）制造相似，但MEMS通常使用非常规材料，还需要具备更广泛的功能。从分类的角度看，IC分为几种基本类型，而MEMS器件呈现多种形式，包括加速度计、陀螺仪、压力传感器、喷墨打印头、显示器、麦克风等。

MEMS的应用和种类繁多，因此制造高质量MEMS器件是非常具有挑战性的。本文探讨了MEMS的具体应用，以及如何通过正规的质量系统实现产品质量一致性的量产交付。

例如，由MEMS器件领先供应商Sensera在硅片上制造的器件中排布了数千个微柱（micropillars）——微柱直径约6微米（大约是头发丝直径的十分之一），高40微米。这些管芯被用作制造聚合物膜的模具。聚合物膜可以应用在微流控装置中，用于器官芯片，从而更好地理解人体生物学。

微柱放大500倍后的扫描电子显微镜（SEM）图片

正如哈佛大学Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering（怀斯生物启发工程研究所）高级工程师Richard Novak博士所描述的那样：“这些被称为器官芯片的微型芯片，为替代传统的动物试验提供了可能。每颗器官芯片都包含一层柔性聚合物膜，大小与计算机记忆棒相当，聚合物中含有排列了人体活细胞的微流控管道。通道与人工静脉相连接，其中也排列了人体活细胞。施加于这些通道的机械力模拟活体器官的功能，包括肺的呼吸和肠道蠕动状的变形。”

将这些微柱均匀分布在模具中看似简单，制造起来困难颇多。首先，这些高密度、高纵深比的特征意味着易碎，最轻微的接触都会导致断裂。芯片的特点是排列很多微柱，从而在聚合物膜中产生很多孔，微柱断裂的后果是导致膜中的孔缺失，进而阻止了器官芯片上理想的细胞交换。此外，断裂的微柱“残骸”如果移位和重新附着，将会破坏其他微柱区域形貌。在处理这些芯片时，我们必须非常小心，以保证微柱阵列的完整性。

管芯上的微柱在聚合物膜中形成了对应的孔（图片来自Wyss Institute）

此外，数千个微柱就像磁铁一样吸附污垢和颗粒。事实上，由于其具有吸尘特性，在一些除尘器件中使用了微柱。在MEMS器件中，任何细小的灰尘颗粒、衣物纤维或来自皮肤或头发的污染物都会导致缺陷，导致功能丧失。

这是制造MEMS器件面临的最大挑战之一：符合严格的缺陷标准。严格的缺陷标准是必要的，因为在人体血液研究项目中使用器官芯片时，有缺陷的模具会造成器件的缺陷，那么所有的研究都是徒劳的。此外，准确的测试装置也是必要的，这样才能确保结果的准确性和可重复性。

制造这类器件的另一项挑战是微柱对关键尺寸（critical dimensions，CD）的严格要求。工艺制造过程的任何不稳定或轻微偏移都会导致微柱尺寸发生明显的变化，这也会导致器件失效。

实施严格的质量管理体系（QMS）是持续克服这些问题最有力的助手。QMS注重过程和系统的持续改进，不断分析风险和机会，预防不合格发生。QMS从材料采购申请开始实施，贯穿整个制造过程，直至产品交付到客户，才会做出最终结论。

QMS中最重要的环节是对生产过程中最重要控制节点的持续监控。例如，在光刻工艺中，监控光刻胶的涂胶设备状态、光刻CD和晶圆表面的清洁度，并实时记录。

在统计过程控制图和随工单过程控制计划中，Sensera不仅设置了规格上限（USL）和规格下限（LSL），还设置了控制上限（UCL）和控制上限（LCL）。连续监测这些控制限有助于识别关键工艺参数的变化趋势和漂移，并在适当的时刻采取纠正措施。

统计过程控制图和随工单过程控制计划的示意图

在细节上如此严密地监控生产过程，可能看起来不可思议，但是为了保证MEMS制造对微观精度的要求，这是必要的。事实证明，对过程的质量控制帮助Sensera将良率提高了20%。

延伸阅读：

《MEMS产业现状-2018版》

《器官芯片-2017版》

《液体活检：从分离到下游应用-2018版》

《人造器官技术和市场分析-2017版》

《微流控技术的即时需求检测应用》