從概念到批量生產升級MEMS 制造
——泛林集團開發的先進工藝解決晶圓制造領域難題，滿足MEMS 器件市場的強勁需求

泛林集團客戶支持事業部戰略營銷高級總監David Haynes 博士

長期以來，電腦、手機以及一些汽車應用一直是推動半導體器件增長的動力。這些傳統市場的發展也在加速催化對各種相關新應用的需求，包括人工智能(AI)、虛擬現實(VR)、增強現實(AR)、機器人技術、醫療傳感器以及更先進的汽車電子產品，而以上各種應用的發展又刺激了對各類半導體的需求，包括邏輯芯片、控制IC、圖像傳感器以及MEMS 組件。

電腦、手機或汽車應用都需要各種類型的傳感器（例如圖像傳感器和/ 或MEMS 傳感器）來感知周邊環境并提供客戶需要的核心功能。在這種情況下，近年來傳感器的需求呈現出強勁的兩位數增長，這對于成熟市場來說頗為不易。2018年，MEMS 和傳感器在整個IC 市場的占比超過了10%。根據法國市場調研公司Yole Développement 的《2020 年MEMS 行業報告》，到2025 年，MEMS 器件的出貨量預計將從2019 年的240 多億翻倍至500 多億。

1 機遇與挑戰并存

傳感器，尤其是MEMS 器件的市場機遇也面臨著制造方面的挑戰，具體包括：

（1）晶圓尺寸過渡：目前圖像傳感器制造使用的是300 mm 晶圓，而MEMS 器件的制造將在不久的將來從小直徑晶圓轉移至300 mm 晶圓。所有晶圓制造廠都面臨邊緣不連續性的問題，而這個問題在晶圓尺寸提升至300 mm 后會更難解決。

（2）加工：MEMS 和邏輯CMOS 的晶圓加工是完全不同的。在加工MEMS 晶圓時，器件制造商可能需要用到雙面拋光晶圓、帶薄膜的空腔晶圓、需特殊傳動的臨時鍵合晶圓、單晶圓清洗、結構釋放刻蝕和斜面工程技術。

（3）深度反應離子刻蝕(DRIE)：MEMS 器件生產需要降低斜率、更好地關鍵尺寸和深度均勻性以及其他與集成和覆蓋相關的半關鍵刻蝕工藝。另外，對未來的MEMS 制造來說，提升分辨率和生產率也非常重要。

（4）等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)的特殊要求：MEMS 制造對沉積過程中的應力控制有極高的要求并可能需要低溫加工技術。

（5）壓電材料：有越來越多的壓電材料被用來實現MEMS 器件的功能。但對于制造設備來說，這些材料屬于具有獨特性和制造要求的新物質。鉬(Mo)和鉑(Pt)等電極材料可用于避免在壓電層極化過程中產生不均勻的電場。

（6）晶圓尺寸的影響：任何刻蝕都要面臨邊緣不連續性以及由其導致的邊緣反應物、鈍化和鞘層梯度（見圖1）。

腔室和晶圓之間的溫度差會導致溫度的不連續性，這種不連續性又會導致鈍化梯度。材料（或化學）的不連續性和反應物梯度會導致化學物質吸附速率出現差異。除溫度梯度以外，晶圓邊緣反應物消耗量和副產物排放速率的變化也會導致吸附速率發生變化。在晶圓的邊緣，從偏置表面到接地或懸浮表面的變化也會導致等離子體殼層彎曲并因此而改變離子相對于晶圓的運動軌跡。

任何晶圓的刻蝕都涉及邊緣不連續性，而且隨著晶圓尺寸提升至300 mm，這些問題對良率的影響會更為顯著。對300 mm 晶圓來說，外層8 mm 邊緣的表面積占比可達10%左右，即使是外層2 mm邊緣也幾乎占據晶圓表面積的3%，依然具有不可忽視的影響。

圖1 300 mm 邏輯、存儲器和MEMS 制造商都面臨邊緣的不連續性問題

2 升級MEMS 制造的策略

針對MEMS 器件制造領域的挑戰，泛林集團采用了三管齊下的升級策略：

（1）利用先進技術升級MEMS 加工能力，例如深硅刻蝕(DSiE)、PECVD 和光刻膠去除技術。

（2）用各種手段解決客戶的高價值挑戰，包括投資材料科學研究、減少開發時間、延長設備的生命周期以及更順利地實現晶圓設備從200 mm 到300 mm 的過渡。

（3）提供工具助力客戶進行MEMS 開發和工藝優化。

泛林研發的很多創新技術現在正被廣泛用于解決MEMS 制造面臨的問題。舉例來說，泛林的變壓器耦合等離子體(TCP)技術能在整個晶圓表面實現出色的等離子體均勻性，而我們的變壓器耦合和電容調諧線圈能創建多個均勻高功率密度晶圓區域。

泛林可提供針對300 mm 晶圓開發但同樣適用于200 mm MEMS 制造的領先設備技術。如DSiETMG 深度反應離子刻蝕(DRIE)設備就是結合了泛林的深硅刻蝕技術以及300 mm 先進設備（用于硅通孔刻蝕的Syndion?和用于導體刻蝕的Kiyo?系列）所具備的特性。

泛林在其他設備上也采用相同的策略，使用經過現場驗證的升級手段來提升機臺的性能。舉例來說，用于Express 處理程序的VECTOR?PECVD（用于300 mm 晶圓的先進電介質沉積設備）在經過針對200 mm 工藝的調整后已經能夠滿足MEMS 的制造要求。

VECTOR 現在使用的增強型原子氟源能為工藝腔室提供更高濃度的自由基，由此提升效率并縮短腔室清潔時間。專為VECTOR 研發、用于減少缺陷的套件也為之帶來眾多改進，包括增強的負載鎖定氣流、LTM 阻尼器、伺服冷卻功能、基座傳動裝置、自動晶圓對中(AWC)等。類似地，原本已經很成熟的SP203L 單晶圓清洗系統也通過泛林最新的控制系統軟件得到了升級。

3 基于協作的工藝優化

在通過設備改進提升晶圓相關性能的同時，晶圓廠也必須優化其工藝流程以提高可靠性、產量和良率。新流程的開發可能需要經歷多個“構建和測試”周期，因此其時間和金錢成本會比較高。得益于對Coventor 的收購，泛林在器件設計、工藝建模（包括“虛擬制造”）和新式虛擬計量技術方面開始有所建樹，能夠避免上述的多周期現象并提高解決方案的交付速度（見圖2）。

圖2 使用器件建模和虛擬制造平臺的反饋可以實現工藝優化以改善MEMS 的制造和設計

基于MEMS+?或CoventorWare? （包含CoventorMP? MEMS 設計平臺） 的MEMS 器件設計可以作為工藝優化（參見圖2）的第一步。

上述設計過程的第一步是輸入材料特性和工藝描述。然后通過導入MEMS 布局或根據MEMS+ 組件庫的參數元素進行組合即可創建器件模型。MEMS+ 用戶可以通過組合高級有限元或特定于MEMS 的基本構成要素實現完整的設計。創建器件模型后即可將其導入MEMS+ 執行仿真試驗。隨后可將MEMS 設計的降階模型導入MathWorks 或Cadence 環境執行系統或電路仿真試驗。前述所有形式的模型都可以用3D 展示。

MEMS+3D 模型還可以被轉移至Coventor-Ware。CoventorWare 使用專門的預處理器，并設有針對MEMS 器件優化的網格劃分選項。該工具包含一套適用于各種MEMS 物理建模的現場解決工具，其中涵蓋了世界一流的耦合機電、靜電、壓電、壓阻和阻尼效應。它還支持封裝效果分析，具體實現方法包括直接模擬封裝和基板的熱機械行為，或使用第三方FEA 工具將基底形變導入MEMS+器件模型。

上述步驟完成后可以用SEMulator3D?在MEMS 設計上執行虛擬制造和工藝建模。SEMulator3D 可基于一系列單元加工步驟創建虛擬3D半導體器件模型。通過使用集成了工藝流程的完整模型，SEMulator3D 可以預測工藝變更對下游過程的影響，因而晶圓廠無須再進行“構建和測試”。虛擬制造技術可用于運行數字化實驗設計(DoE)生成虛擬計量數據，并針對設計給出反饋。泛林設備的實際工藝處理結果數據可以導入虛擬過程模型用于校準模型、優化工藝開發和縮短尋找“配方”所需的時間。

4 成功的方向

我們可以通過一項高級MEMS 陀螺儀研究案例來展現工藝優化的概念。MEMS 陀螺儀的結構很復雜，任何工藝缺陷（例如溝槽側壁角度和輪廓誤差）都會導致交叉耦合和器件故障。音叉陀螺儀的驅動件和傳感模塊應完全正交。工藝缺陷通常會導致驅動件發生偏離設計意圖的振動，而這種振動正是導致正交誤差(QR)的一大原因。

在過去，陀螺儀可以容許微小的傾斜（約0.1°），但如今的高級陀螺儀可以容許的誤差則要小得多。良率高低的差異可能就是由于溝槽設計中微小的斜率誤差或其他不理想因素。然而，使用傳統的SEM 計量技術又難以精確測量這種極其微小的斜率。在這種情況下，要想保證性能，就必須制造出完整的器件進行測試，并基于測試結果進行工藝開發，而這整個過程要循環多次才能推斷出真正滿足要求的刻蝕工藝。

很明顯，上述開發過程非常適合用虛擬模型處理。通過將斜率納入虛擬模型可以精準確定斜率變化帶來的各種影響，包括對器件性能的影響。此外還可以根據測得的性能數據對虛擬模型進行校準以及通過仿真測試確定斜率。使用這一技術可以縮短制造工藝的開發時間并提高良率。

上述概念已被實際應用于開發一款高級MEMS 陀螺儀并成功提高了良率（見圖3）。

圖3 在實際應用中通過工藝優化將良率損失從35%降低到了不足1%

良率在優化前和優化后的巨大變化（從大約65%提升到99%）部分是由于能夠建模并了解斜率對器件性能的影響。通過設計一種新的計量技術來更準確地測量測試晶圓的斜率也可以達到同樣的效果。

綜上，通過綜合利用虛擬模型、創新的計量技術以及泛林的工藝和硬件開發能力可以有效縮短工藝開發周期并提升良率。

5 MEMS 的美好未來

隨著消費品、汽車和物聯網應用持續推升對MEMS 器件的需求，半導體行業將需要更多基于200 mm 晶圓的生產能力，而與其配套的ASIC 則依賴制程在28 nm 以上的300 mm 晶圓生產能力。泛林集團開發的各種先進工具可以解決200 mm和300 mm 晶圓生產領域的各種制造難題，并提供統一且高產的MEMS 制造解決方案。

結合泛林的領先技術和Coventor 的建模技術，再加上我們與代工廠和研究機構的合作經驗，其產品和服務將持續加快提供解決方案的速度，并由此縮短全新MEMS 產品的上市時間。