按照多个行业的质量标准制造MEMS

按照多个行业的质量标准制造MEMS

微机电系统 （MEMS） 是在结合了电子功能和机械动作的专业微电子工厂中制造的设备。MEMS 作为一个技术平台，能够制造出独特的传感器和致动器，这些传感器和致动器可以充当眼睛、耳朵、鼻子、舌头，甚至器官。虽然 MEMS 的前景才刚刚开始被挖掘，但制造 MEMS 的挑战是艰巨的，因为该类别涵盖了许多不同类型的设备，用于各种行业，每个行业都有独特的标准和技术要求。

MEMS 技术的特点是定制设计，通常具有高纵横比（即高、瘦和易碎）的特征。其中许多设备用于具有苛刻的热条件和机械应力的恶劣环境中。虽然 MEMS 器件的制造方式与集成电路的制造方式相似，但 MEMS 通常使用较少传统的材料并具有更广泛的功能。集成电路的外形尺寸往往只属于几个基本类别，而 MEMS 设备则采用更广泛的形式，包括加速度计、陀螺仪、压力传感器、打印机喷嘴、显示设备、麦克风等。

由于 MEMS 的应用和外形尺寸差异很大，因此按照高质量标准制造它们极具挑战性。本文探讨了 MEMS 的特定应用，以及如何通过使用严格的质量系统方法来实现高产量和一致的交付。

例如，Sensera 制造的一种特别具有挑战性的产品是包含数千个微柱的硅模具——在这种情况下，微柱的直径约为 6 µm（大约是人类头发厚度的 1/10）和 40 µm 高。这些模具用作制造聚合物膜的模具。这些膜用于微流体装置，用于芯片上的器官应用，以更好地了解人类生物学。

正如哈佛大学 Wyss 仿生工程研究所的高级工程师 Richard Novak 博士所描述的，“这些被称为‘器官芯片’的微芯片为传统的动物试验提供了一种潜在的替代方案。每个单独的器官芯片都由一种透明的柔性聚合物组成，其大小与计算机记忆棒相当。该聚合物包含中空的微流体通道，这些通道内衬有活的人体细胞。通道与人工静脉接口，人工静脉也排列着人体细胞。可以对这些通道施加机械力来模拟活体器官的功能，包括肺中的呼吸运动和肠道中的蠕动样变形。”

尽管在模具中均匀地间隔微柱的任务看起来很简单，但它带来了许多制造困难。首先，这些高密度、高纵横比的特征很脆弱，很容易被最轻微的接触破坏。由于柱子是用于在聚合物膜上形成孔的模具的一个特征，因此损坏的柱子将导致膜上缺少孔，从而阻碍芯片上器官中所需的细胞交换。此外，破碎的柱子会变成碎片，如果移位和重新连接，将有可能损坏其他柱子区域。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。

此外，这数千个微柱就像一块磁铁，可以吸附灰尘和颗粒。事实上，微柱被用于一些除尘设备中，特别是因为它们具有吸尘特性。在 MEMS 设备中，任何微小的灰尘颗粒、衣服纤维或皮肤或头发上的污染物都会导致缺陷，从而导致设备无法使用。

这导致制造这些零件时面临的最大挑战之一：遵守严格的缺陷标准。这些严格的缺陷标准是必要的，因为芯片上的器官用于人体血液的研究项目，如果用于由缺陷模具引起的缺陷设备，则会被浪费。此外，需要精确的测试设备来确保结果的准确性和可重复性。

制造这些设备时的另一个挑战是满足支柱的严格尺寸标准。工艺条件的任何不稳定性或轻微变化都会导致柱尺寸发生较大变化，这也会导致器件故障。

实施严格的质量管理体系 （QMS） 最有助于克服和继续克服所有这些挑战。质量管理体系侧重于流程和系统的持续改进、风险和机会的持续分析以及预防不合格。质量管理体系从提出材料采购请求的那一刻起实施。它贯穿整个制造过程，仅在产品交付给客户时才结束。

质量管理体系最重要的元素是持续监控生产过程中最细微的方面。在照片处理期间和之后，例如， 光刻胶涂层工具的性能、光刻胶临界尺寸 （CD） 和晶圆清洁度都会受到监控并保持实时记录。

在统计过程控制图和钢丝圈过程控制计划（图 3）中，Sensera 不仅设置了 测量需要的规格上限 （USL）和规格下限 （LSL），还设置了控制上限 （UCL） 和下限控制限 （LCL）。持续监控这些控制限制可以识别关键工艺参数的趋势和小漂移，从而可以对其进行纠正。

【图3 | 统计过程控制图（上）和钢丝圈过程控制计划（下）的例子。］

如此密集、如此详细地监控生产过程可能看起来几乎是强迫症，但我们发现为了保持 MEMS 制造所需的微观精度，这是必要的。这种质量控制过程将 Sensera 的产量提高了 20%。

审核编辑：郭婷