PCM在MEMS陀螺工藝中的應(yīng)用

孫天玲 胥超 付興中 楊志 崔玉興

摘要：PCM 作為工藝過(guò)程監(jiān)控手段，是半導(dǎo)體制造過(guò)程中的一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)工具。它主要是加工過(guò)程中的電參數(shù)測(cè)量，反映出產(chǎn)品在制作過(guò)程中的異常和一致性。本論文針對(duì)MEMS陀螺的生產(chǎn)過(guò)程，設(shè)計(jì)符合前道工藝線的PCM結(jié)構(gòu)，然后運(yùn)用SPC統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以有效提高工藝能力，反映出產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：微機(jī)械陀螺;PCM測(cè)試結(jié)構(gòu);測(cè)試系統(tǒng);統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制

中圖分類號(hào)：TP271.4??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

硅微機(jī)械陀螺由于其體積小，重量輕，功耗低，抗過(guò)載能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性好、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等優(yōu)點(diǎn)^[1]，在軍用和民用兩大領(lǐng)域上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛^[2，3]。就實(shí)現(xiàn)硅基陀螺而言，現(xiàn)在幾乎所有的表面加工元件都是使用3層或少于3層的結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)并制造的，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)材料層數(shù)越多，可能制成的器件復(fù)雜性也就越高。

本文研究的是電容式微機(jī)械陀螺，采用3層結(jié)構(gòu)通過(guò)鍵合技術(shù)生產(chǎn)制造的芯片，在實(shí)際制作時(shí)，產(chǎn)品的一致性無(wú)法保障。在加工過(guò)程中會(huì)引入各種誤差，光刻后產(chǎn)生CD線寬誤差，刻蝕后產(chǎn)生支撐梁寬度以及側(cè)面垂直度誤差，高溫鍵合和機(jī)械減薄后產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這些加工誤差會(huì)導(dǎo)致陀螺阻尼不對(duì)稱、質(zhì)量不平衡及支撐梁不等彈性，以上非理想因素是陀螺正交誤差、寄生科氏力、失調(diào)誤差和非線性產(chǎn)生的主要因素;如何實(shí)現(xiàn)工藝穩(wěn)定， 生產(chǎn)出性能穩(wěn)定一致的陀螺機(jī)械結(jié)構(gòu)，是MEMS陀螺在實(shí)際工程應(yīng)用中需解決的一項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題。

本文針對(duì)電容式MEMS陀螺，設(shè)計(jì)前道PCM結(jié)構(gòu)，將工藝過(guò)程中的關(guān)鍵尺寸梳齒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為電參數(shù)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了工藝過(guò)程中PCM測(cè)試，提高了測(cè)試的自動(dòng)化程度和一致性監(jiān)控。

1 PCM圖形設(shè)計(jì)及測(cè)試系統(tǒng)

1. PCM圖形設(shè)計(jì)

陀螺芯片由底板、中間層及蓋板三層硅結(jié)構(gòu)組成。底板為300um厚的低阻硅，并在底板的上表面制作有一定深度的腔體結(jié)構(gòu)。中間層為一定厚度的低阻硅，中間層制作有敏感慣性力的可動(dòng)結(jié)構(gòu)。蓋板為300um厚的低阻硅，在蓋板的下表面制作有一定深度的腔體結(jié)構(gòu)和金屬布線層，其中金屬布線層用于信號(hào)互聯(lián)。底板和可動(dòng)中間層采用SOI圓片鍵合，釋放完可動(dòng)結(jié)構(gòu)后，再與蓋板進(jìn)行共晶鍵合實(shí)現(xiàn)陀螺圓片級(jí)真空封裝。

在工藝工程中，需實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)中每個(gè)工序的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控， 主要包括體電阻、歐姆接觸、金屬布線電阻等。反映了各工藝過(guò)程的一致性及對(duì)最終產(chǎn)品的影響。其中結(jié)構(gòu)層制作的可動(dòng)結(jié)構(gòu)（梳齒結(jié)構(gòu)）是陀螺芯片的關(guān)鍵工序;它的質(zhì)量決定了產(chǎn)品的性能指標(biāo)，在工藝制造過(guò)程中可采用掃描電鏡或CDSEM來(lái)觀測(cè)梳齒結(jié)構(gòu)的尺寸，但梳齒的整體形貌無(wú)法監(jiān)測(cè)，PCM監(jiān)測(cè)圖形將梳齒的物理尺寸轉(zhuǎn)化為電容電測(cè)試方法對(duì)梳齒的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，反映了梳齒間距，隔離度，垂直度以及對(duì)稱性。

通過(guò)上述監(jiān)控點(diǎn)，PCM結(jié)構(gòu)主要有兩類類：（1）工藝中的當(dāng)步SPC監(jiān)控圖形和光刻對(duì)位標(biāo)識(shí)等;（2）電測(cè)試自動(dòng)測(cè)試參數(shù)，如體電阻，梳齒電容，布線電阻及接觸電阻等。

1.2 PCM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

PCM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，由xx型號(hào)半自動(dòng)探針臺(tái)、萬(wàn)用表，數(shù)字電源表，矩陣開(kāi)關(guān)，LCR表和測(cè)試軟件，測(cè)試系統(tǒng)采用GPIB總線進(jìn)行通信控制^[4]，如圖1所示。通過(guò)測(cè)試軟件自動(dòng)控制探針臺(tái)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圓片MAP自動(dòng)測(cè)試;測(cè)試精確能夠滿足產(chǎn)品需求，測(cè)試速度快，測(cè)試系統(tǒng)的一致性通過(guò)驗(yàn)證片實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)控，儀表按照監(jiān)測(cè)手段定期計(jì)量，確保測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，保證了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，能夠反映了加工過(guò)程中的一致性及異常性。

2測(cè)試結(jié)果與分析

以關(guān)鍵參數(shù)電容為例，實(shí)際電容數(shù)據(jù)與關(guān)鍵線寬見(jiàn)表1所示，PCM電容參數(shù)的大小很好的反映了線寬參數(shù)的大小，表明該P(yáng)CM設(shè)計(jì)圖形可作為工藝加工過(guò)程中的監(jiān)控圖形。高精度數(shù)字電源表還可監(jiān)測(cè)電容的隔離度，反映了工藝過(guò)程中梳齒之間的質(zhì)量，此參數(shù)與陀螺性能指標(biāo)密切相關(guān)。

運(yùn)用SPC技術(shù)處理數(shù)據(jù)^[5]，做出均值控制圖。在規(guī)范限的限制范圍內(nèi)，無(wú)規(guī)律地上下波動(dòng)，如果出現(xiàn)異常。就需要進(jìn)行分析判斷， 找出原因進(jìn)行調(diào)整^[6]，如圖2所示。將PCM參數(shù)與陀螺芯片頻率參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示，通過(guò)上述參數(shù)，可確認(rèn)該P(yáng)CM不僅能準(zhǔn)確監(jiān)控工藝過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)尺寸，而且能反映正式管芯的圓片中測(cè)參數(shù);通過(guò)PCM的應(yīng)用簡(jiǎn)化了工藝中的手動(dòng)操作，縮短了工藝操作時(shí)長(zhǎng);通過(guò)PCM參數(shù)的SPC技術(shù)，對(duì)工藝進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，分析控制圖，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和趨勢(shì)，改進(jìn)工藝條件，確保產(chǎn)品的質(zhì)量及一致性。

3 結(jié)論

本文中針對(duì)硅微機(jī)械陀螺加工工藝過(guò)程，設(shè)計(jì)PCM 監(jiān)控圖形， 利用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程中在線監(jiān)控。運(yùn)用SPC 技術(shù)分析數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)工藝問(wèn)題， 保障了工藝的穩(wěn)定控制， 且該P(yáng)CM結(jié)構(gòu)能夠準(zhǔn)確的反映出產(chǎn)品的正式性能指標(biāo)，提高了產(chǎn)品的最終成品率和一致性。實(shí)現(xiàn)了工藝過(guò)程的穩(wěn)定可控。

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