PCM在MEMS陀螺工艺中的应用

孙天玲 胥超 付兴中 杨志 崔玉兴

摘要：PCM 作为工艺过程监控手段，是半导体制造过程中的一个重要的监测工具。它主要是加工过程中的电参数测量，反映出产品在制作过程中的异常和一致性。本论文针对MEMS陀螺的生产过程，设计符合前道工艺线的PCM结构，然后运用SPC统计控制技术对数据进行分析，可以有效提高工艺能力，反映出产品质量。

关键词：微机械陀螺;PCM测试结构;测试系统;统计过程控制

中图分类号：TP271.4    文献标识码：A   文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

硅微机械陀螺由于其体积小，重量轻，功耗低，抗过载能力强，环境适应性好、易于集成和实现智能化等优点^[1]，在军用和民用两大领域上的应用越来越广泛^[2，3]。就实现硅基陀螺而言，现在几乎所有的表面加工元件都是使用3层或少于3层的结构材料设计并制造的，设计的结构材料层数越多，可能制成的器件复杂性也就越高。

本文研究的是电容式微机械陀螺，采用3层结构通过键合技术生产制造的芯片，在实际制作时，产品的一致性无法保障。在加工过程中会引入各种误差，光刻后产生CD线宽误差，刻蚀后产生支撑梁宽度以及侧面垂直度误差，高温键合和机械减薄后产生残余应力，这些加工误差会导致陀螺阻尼不对称、质量不平衡及支撑梁不等弹性，以上非理想因素是陀螺正交误差、寄生科氏力、失调误差和非线性产生的主要因素;如何实现工艺稳定， 生产出性能稳定一致的陀螺机械结构，是MEMS陀螺在实际工程应用中需解决的一项技术问题。

本文针对电容式MEMS陀螺，设计前道PCM结构，将工艺过程中的关键尺寸梳齿结构转换为电参数测试，实现了工艺过程中PCM测试，提高了测试的自动化程度和一致性监控。

1 PCM图形设计及测试系统

1. PCM图形设计

陀螺芯片由底板、中间层及盖板三层硅结构组成。底板为300um厚的低阻硅，并在底板的上表面制作有一定深度的腔体结构。中间层为一定厚度的低阻硅，中间层制作有敏感惯性力的可动结构。盖板为300um厚的低阻硅，在盖板的下表面制作有一定深度的腔体结构和金属布线层，其中金属布线层用于信号互联。底板和可动中间层采用SOI圆片键合，释放完可动结构后，再与盖板进行共晶键合实现陀螺圆片级真空封装。

在工艺工程中，需实现对生产中每个工序的参数进行监控， 主要包括体电阻、欧姆接触、金属布线电阻等。反映了各工艺过程的一致性及对最终产品的影响。其中结构层制作的可动结构（梳齿结构）是陀螺芯片的关键工序;它的质量决定了产品的性能指标，在工艺制造过程中可采用扫描电镜或CDSEM来观测梳齿结构的尺寸，但梳齿的整体形貌无法监测，PCM监测图形将梳齿的物理尺寸转化为电容电测试方法对梳齿的质量进行监控，反映了梳齿间距，隔离度，垂直度以及对称性。

通过上述监控点，PCM结构主要有两类类：（1）工艺中的当步SPC监控图形和光刻对位标识等;（2）电测试自动测试参数，如体电阻，梳齿电容，布线电阻及接触电阻等。

1.2 PCM自动测试系统

PCM自动测试系统，由xx型号半自动探针台、万用表，数字电源表，矩阵开关，LCR表和测试软件，测试系统采用GPIB总线进行通信控制^[4]，如图1所示。通过测试软件自动控制探针台的移动，实现圆片MAP自动测试;测试精确能够满足产品需求，测试速度快，测试系统的一致性通过验证片实现长期监控，仪表按照监测手段定期计量，确保测试系统的稳定可靠，保证了测试数据的准确性，能够反映了加工过程中的一致性及异常性。

2测试结果与分析

以关键参数电容为例，实际电容数据与关键线宽见表1所示，PCM电容参数的大小很好的反映了线宽参数的大小，表明该PCM设计图形可作为工艺加工过程中的监控图形。高精度数字电源表还可监测电容的隔离度，反映了工艺过程中梳齿之间的质量，此参数与陀螺性能指标密切相关。

运用SPC技术处理数据^[5]，做出均值控制图。在规范限的限制范围内，无规律地上下波动，如果出现异常。就需要进行分析判断， 找出原因进行调整^[6]，如图2所示。将PCM参数与陀螺芯片频率参数进行对比，如图3所示，通过上述参数，可确认该PCM不仅能准确监控工艺过程中的关键参数尺寸，而且能反映正式管芯的圆片中测参数;通过PCM的应用简化了工艺中的手动操作，缩短了工艺操作时长;通过PCM参数的SPC技术，对工艺进行连续监控，分析控制图，及时发現问题和趋势，改进工艺条件，确保产品的质量及一致性。

3 结论

本文中针对硅微机械陀螺加工工艺过程，设计PCM 监控图形， 利用自动测试系统实现工艺过程中在线监控。运用SPC 技术分析数据， 发现工艺问题， 保障了工艺的稳定控制， 且该PCM结构能够准确的反映出产品的正式性能指标，提高了产品的最终成品率和一致性。实现了工艺过程的稳定可控。

参考文献

[1]施芹.提高硅微机械陀螺仪性能若干关键技术研究[D].南京：东南大学，2005.

[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.