PCM在MEMS陀螺工藝中的應用

孫天玲 胥超 付興中 楊志 崔玉興

摘要：PCM 作為工藝過程監(jiān)控手段，是半導體制造過程中的一個重要的監(jiān)測工具。它主要是加工過程中的電參數(shù)測量，反映出產(chǎn)品在制作過程中的異常和一致性。本論文針對MEMS陀螺的生產(chǎn)過程，設計符合前道工藝線的PCM結構，然后運用SPC統(tǒng)計控制技術對數(shù)據(jù)進行分析，可以有效提高工藝能力，反映出產(chǎn)品質量。

關鍵詞：微機械陀螺;PCM測試結構;測試系統(tǒng);統(tǒng)計過程控制

中圖分類號：TP271.4??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

硅微機械陀螺由于其體積小，重量輕，功耗低，抗過載能力強，環(huán)境適應性好、易于集成和實現(xiàn)智能化等優(yōu)點^[1]，在軍用和民用兩大領域上的應用越來越廣泛^[2，3]。就實現(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層的結構材料設計并制造的，設計的結構材料層數(shù)越多，可能制成的器件復雜性也就越高。

本文研究的是電容式微機械陀螺，采用3層結構通過鍵合技術生產(chǎn)制造的芯片，在實際制作時，產(chǎn)品的一致性無法保障。在加工過程中會引入各種誤差，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面垂直度誤差，高溫鍵合和機械減薄后產(chǎn)生殘余應力，這些加工誤差會導致陀螺阻尼不對稱、質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、失調誤差和非線性產(chǎn)生的主要因素;如何實現(xiàn)工藝穩(wěn)定， 生產(chǎn)出性能穩(wěn)定一致的陀螺機械結構，是MEMS陀螺在實際工程應用中需解決的一項技術問題。

本文針對電容式MEMS陀螺，設計前道PCM結構，將工藝過程中的關鍵尺寸梳齒結構轉換為電參數(shù)測試，實現(xiàn)了工藝過程中PCM測試，提高了測試的自動化程度和一致性監(jiān)控。

1 PCM圖形設計及測試系統(tǒng)

1. PCM圖形設計

陀螺芯片由底板、中間層及蓋板三層硅結構組成。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構。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結構。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構和金屬布線層，其中金屬布線層用于信號互聯(lián)。底板和可動中間層采用SOI圓片鍵合，釋放完可動結構后，再與蓋板進行共晶鍵合實現(xiàn)陀螺圓片級真空封裝。

在工藝工程中，需實現(xiàn)對生產(chǎn)中每個工序的參數(shù)進行監(jiān)控， 主要包括體電阻、歐姆接觸、金屬布線電阻等。反映了各工藝過程的一致性及對最終產(chǎn)品的影響。其中結構層制作的可動結構（梳齒結構）是陀螺芯片的關鍵工序;它的質量決定了產(chǎn)品的性能指標，在工藝制造過程中可采用掃描電鏡或CDSEM來觀測梳齒結構的尺寸，但梳齒的整體形貌無法監(jiān)測，PCM監(jiān)測圖形將梳齒的物理尺寸轉化為電容電測試方法對梳齒的質量進行監(jiān)控，反映了梳齒間距，隔離度，垂直度以及對稱性。

通過上述監(jiān)控點，PCM結構主要有兩類類：（1）工藝中的當步SPC監(jiān)控圖形和光刻對位標識等;（2）電測試自動測試參數(shù)，如體電阻，梳齒電容，布線電阻及接觸電阻等。

1.2 PCM自動測試系統(tǒng)

PCM自動測試系統(tǒng)，由xx型號半自動探針臺、萬用表，數(shù)字電源表，矩陣開關，LCR表和測試軟件，測試系統(tǒng)采用GPIB總線進行通信控制^[4]，如圖1所示。通過測試軟件自動控制探針臺的移動，實現(xiàn)圓片MAP自動測試;測試精確能夠滿足產(chǎn)品需求，測試速度快，測試系統(tǒng)的一致性通過驗證片實現(xiàn)長期監(jiān)控，儀表按照監(jiān)測手段定期計量，確保測試系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，保證了測試數(shù)據(jù)的準確性，能夠反映了加工過程中的一致性及異常性。

2測試結果與分析

以關鍵參數(shù)電容為例，實際電容數(shù)據(jù)與關鍵線寬見表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PCM設計圖形可作為工藝加工過程中的監(jiān)控圖形。高精度數(shù)字電源表還可監(jiān)測電容的隔離度，反映了工藝過程中梳齒之間的質量，此參數(shù)與陀螺性能指標密切相關。

運用SPC技術處理數(shù)據(jù)^[5]，做出均值控制圖。在規(guī)范限的限制范圍內，無規(guī)律地上下波動，如果出現(xiàn)異常。就需要進行分析判斷， 找出原因進行調整^[6]，如圖2所示。將PCM參數(shù)與陀螺芯片頻率參數(shù)進行對比，如圖3所示，通過上述參數(shù)，可確認該PCM不僅能準確監(jiān)控工藝過程中的關鍵參數(shù)尺寸，而且能反映正式管芯的圓片中測參數(shù);通過PCM的應用簡化了工藝中的手動操作，縮短了工藝操作時長;通過PCM參數(shù)的SPC技術，對工藝進行連續(xù)監(jiān)控，分析控制圖，及時發(fā)現(xiàn)問題和趨勢，改進工藝條件，確保產(chǎn)品的質量及一致性。

3 結論

本文中針對硅微機械陀螺加工工藝過程，設計PCM 監(jiān)控圖形， 利用自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)工藝過程中在線監(jiān)控。運用SPC 技術分析數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)工藝問題， 保障了工藝的穩(wěn)定控制， 且該PCM結構能夠準確的反映出產(chǎn)品的正式性能指標，提高了產(chǎn)品的最終成品率和一致性。實現(xiàn)了工藝過程的穩(wěn)定可控。

參考文獻

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[2]YazdiN， Ayazi F， Najafi K.Micromachined Inertial Sensors[J].Prec of the IEEE，1998， 86（8）：1640-1659.

[3]Song Cimoo. CommercialVision of Silicon Based Inertial Sensors[C]//Digest of Technical Papers of The 9^thInternational Confer-ence on Solid State Sensors and Actuators， Transducers97， Chi-cage， 1997： 839-84.