中科融合MEMS质量管控 | 持续提升MEMS微镜鲁棒性与耐久性

中科融合是一家国际领先的先进光学智能传感器芯片企业，是国内唯一拥有自主研发“MEMS芯片+SOC芯片+核心算法”，并且提供完整的AI+3D芯片以及模组产品的创新型高新技术企业。MEMS激光微振镜投射芯片是实现动态结构光条纹投影的核心部件。

中科融合自主开发了全套工艺，良率高，核心参数国内领先，在国际上具有竞争力。而MEMS的质量（鲁棒性以及耐久性）则会受到其从设计到迭代的技术寿命中每一步的影响，强化MEMS研发过程质量管控对提高产品的质量有着至关重要的作用，以下将对MEMS质量影响因素进行总结：

PART01 技术类型

中科融合在设计关于应用在光学智能传感的MEMS以及流片之前，首先考虑此MEMS芯片设计以及制程需要基于什么技术类型，从制程的类型上来说，可以大致分为以下两种：

<ol class=" list-paddingleft-2" style="padding: 0px 0px 0px 40px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; color: rgba(0, 0, 0, 0.9); font-family: system-ui, -apple-system, BlinkMacSystemFont, " helvetica="" neue",="" "pingfang="" sc",="" "hiragino="" sans="" gb",="" "microsoft="" yahei="" ui",="" yahei",="" arial,="" sans-serif;="" font-size:="" 15px;="" letter-spacing:="" 2px;="" text-align:="" justify;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" list-style-position:="" outside;="" overflow-wrap:="" break-word="" !important;"="">

• Bulk micromachining

• Surface micromachining

Bulk Micromachining是一种通过光刻/蚀刻等步骤在材料内部生成结构的方法，其典型代表为SOI制程，它的好处是，MEMS的材料性质与结构尺寸主要由使用的晶圆材料构成，因此拥有较低的原生应力（intrinsic stress）、较低的材料缺陷以及相对更准确的尺寸控制，进而拥有更好的鲁棒性与耐久性。但缺点是，每一种设计都需要重新定制流片过程，因此大批量生产需要投入较多的人力物力确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长材料层，后续使用光刻/蚀刻等步骤生成MEMS结构，其典型的代表为TSMC 0.35um 2p4m CMOS制程和PolyMUMPs等。由于使用类似IC制程的工艺流程，因此非常适合大批量生产。但是，由于每层结构都是使用CVD或PVD生成，所以其结构厚度以及原生应力会有比较大的生产公差，导致生产出的MEMS的均一性相对较低，并且会有大量的形变以及蠕变问题。



典型PolyMUMPs制程截面图

（点击查看大图）




两相比较，中科融合产品选择了Bulk Micromachining这种类型的制程来保证MEMS微镜的鲁棒性以及耐久性。




PART02 机械应力

针对中科融合的MEMS微镜，在设计中需要考虑的一大因素为结构在工作中的应力，其为决定MEMS寿命的重要因素。在实际设计中，需要保证产品在工作条件下的应力远小于材料失效应力，而MEMS材料的失效应力与其在工作中的最大应力的比例为安全系数。中科融合的设计使用足够高的安全系数，因此，可以保证在正常工作状态，MEMS的寿命达到10¹¹次循环以上。






单晶硅循环寿命对主应力上限

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PART03 生产管控




制定MEMS微振镜流片计划、储备流片所需特制SOI wafer、交付时间。跟进fab流片进度，及时更新流片交付日期，确保按质按量交付。制定合理工艺参数，增加PCM，监控关键工艺步骤，要求fab及时提供需求的工艺监控测试数据，在满足工艺参数定义的范围内，经确认后对各个工艺逐一放行。对每一批次Lot的良率进行统计及分析，确保良率稳定。




在MEMS芯片储备数量满足公司生产的前提下，对同一Lot分多批次进行放行，减少MEMS芯片在公司生产环节过程中的储存时间，减少外界环境对MEMS的影响时间。已经完成流片并且交付的MEMS芯片，需进行真空包装封存。






PART04 检测与筛查

MEMS芯片来料会经历一系列的来料检，其中包括外观检（目检，是否有明显的缺陷以及尺寸偏差）、电学性质检测（阻抗检测等）、机械检测（谐振频率以及品质参数等）以及老化检测。





具体步骤如下：目检 – 封装 – 打线 – 电学性质检测 – 老化测试 – 电学性质测试。在老化测试中，MEMS会工作在高于正常工况的FoV，同时，MEMS的机械参数会被测量并记录。




此系列测试能够对MEMS进行足够的筛查，进而过滤掉可能出现严重失效的残次品。在老化测试前后，MEMS的电学性能也会被测量并比较，以保证其在测试前后不会出现明显的变化。




  

目检中发现的典型问题

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PART05 热应力

由于不同材料热胀冷缩而引入的应力，是产品不能稳定工作的重要原因之一，甚至可能引起与MEMS微镜贴合相关结构件的碎裂进而严重失效。在中科融合的产品中，由于底座材料和MEMS材料的热膨胀系数相差较大，因此，我们选用了合适的材料和粘合剂来降低热应力引入的失效风险。




PART06驱动信号频谱分量

不同单体的MEMS设备都拥有多个谐振模态，而某些特定的模态的触发会引发MEMS的功能性失效，对MEMS谐振模态的了解以及对驱动信号的正确选择可以极大程度上避免此类的功能性失效从而保证产品的寿命与稳定性。




基于中科融合的MEMS的设计，其某一个高阶模态会导致机械应力在特定位置聚集。如果驱动信号存在接近此模态的频率分量，则有极大可能，在温漂/应力导致的MEMS谐振频率漂移以及温度引起的驱动信号频率漂移的相互作用下，MEMS会在此特定模态发生谐振，进而极大增加由于机械应力造成的严重失效。




为此，中科融合的驱动信号会根据MEMS的机械特性，在特定区域增加信号滤波，以降低失效可能。




PART07 失效分析以及设计迭代

在MEMS设计和生产中，有个别单体失效是很难从设计阶段考虑到并且进行规避，需要基于失效分析对设计与生产进行迭代，从而提升MEMS的鲁棒性以及性能的稳定性。例如我们曾遇到过的MEMS断轴问题，在研发团队对问题的逐一排查过程中，我们发现，其断裂位置与生产过程中产生的台阶有强相关性，见下图：






失效处SEM图




而此台阶的产生可以依靠设计进行规避，因此，我们对此处的版图进行了修改，从源头上避免了台阶的产生。






产品质量是企业技术、管理能力以及人员素质的综合反映。伴随人类社会的进步和人们生活水平的提高，终端用户对产品质量要求越来越高。因此，企业要想长期可持续发展，必须围绕质量这个核心开展研发与制造活动。加强质量管理，持续提高产品质量，从而更好地为用户服务、为行业赋能。