微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 是在結(jié)合了電子功能和機(jī)械動(dòng)作的專業(yè)微電子工廠中制造的設(shè)備。MEMS 作為一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，能夠制造出獨(dú)特的傳感器和致動(dòng)器，這些傳感器和致動(dòng)器可以充當(dāng)眼睛、耳朵、鼻子、舌頭，甚至器官。雖然 MEMS 的前景才剛剛開始被挖掘，但制造 MEMS 的挑戰(zhàn)是艱巨的，因?yàn)樵擃悇e涵蓋了許多不同類型的設(shè)備，用于各種行業(yè)，每個(gè)行業(yè)都有獨(dú)特的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。

MEMS 技術(shù)的特點(diǎn)是定制設(shè)計(jì)，通常具有高縱橫比（即高、瘦和易碎）的特征。其中許多設(shè)備用于具有苛刻的熱條件和機(jī)械應(yīng)力的惡劣環(huán)境中。雖然 MEMS 器件的制造方式與集成電路的制造方式相似，但 MEMS 通常使用較少傳統(tǒng)的材料并具有更廣泛的功能。集成電路的外形尺寸往往只屬于幾個(gè)基本類別，而 MEMS 設(shè)備則采用更廣泛的形式，包括加速度計(jì)、陀螺儀、壓力傳感器、打印機(jī)噴嘴、顯示設(shè)備、麥克風(fēng)等。

由于 MEMS 的應(yīng)用和外形尺寸差異很大，因此按照高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制造它們極具挑戰(zhàn)性。本文探討了 MEMS 的特定應(yīng)用，以及如何通過使用嚴(yán)格的質(zhì)量系統(tǒng)方法來實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量和一致的交付。

例如，Sensera 制造的一種特別具有挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品是包含數(shù)千個(gè)微柱的硅模具——在這種情況下，微柱的直徑約為 6 μm（大約是人類頭發(fā)厚度的 1/10）和 40 μm 高。這些模具用作制造聚合物膜的模具。這些膜用于微流體裝置，用于芯片上的器官應(yīng)用，以更好地了解人類生物學(xué)。

正如哈佛大學(xué) Wyss 仿生工程研究所的高級(jí)工程師 Richard Novak 博士所描述的，“這些被稱為‘器官芯片’的微芯片為傳統(tǒng)的動(dòng)物試驗(yàn)提供了一種潛在的替代方案。每個(gè)單獨(dú)的器官芯片都由一種透明的柔性聚合物組成，其大小與計(jì)算機(jī)記憶棒相當(dāng)。該聚合物包含中空的微流體通道，這些通道內(nèi)襯有活的人體細(xì)胞。通道與人工靜脈接口，人工靜脈也排列著人體細(xì)胞?？梢詫?duì)這些通道施加機(jī)械力來模擬活體器官的功能，包括肺中的呼吸運(yùn)動(dòng)和腸道中的蠕動(dòng)樣變形。”

盡管在模具中均勻地間隔微柱的任務(wù)看起來很簡單，但它帶來了許多制造困難。首先，這些高密度、高縱橫比的特征很脆弱，很容易被最輕微的接觸破壞。由于柱子是用于在聚合物膜上形成孔的模具的一個(gè)特征，因此損壞的柱子將導(dǎo)致膜上缺少孔，從而阻礙芯片上器官中所需的細(xì)胞交換。此外，破碎的柱子會(huì)變成碎片，如果移位和重新連接，將有可能損壞其他柱子區(qū)域。在處理這些芯片時(shí)，我們必須非常小心，以保證微柱陣列的完整性。

此外，這數(shù)千個(gè)微柱就像一塊磁鐵，可以吸附灰塵和顆粒。事實(shí)上，微柱被用于一些除塵設(shè)備中，特別是因?yàn)樗鼈兙哂形鼔m特性。在 MEMS 設(shè)備中，任何微小的灰塵顆粒、衣服纖維或皮膚或頭發(fā)上的污染物都會(huì)導(dǎo)致缺陷，從而導(dǎo)致設(shè)備無法使用。

這導(dǎo)致制造這些零件時(shí)面臨的最大挑戰(zhàn)之一：遵守嚴(yán)格的缺陷標(biāo)準(zhǔn)。這些嚴(yán)格的缺陷標(biāo)準(zhǔn)是必要的，因?yàn)樾酒系钠鞴儆糜谌梭w血液的研究項(xiàng)目，如果用于由缺陷模具引起的缺陷設(shè)備，則會(huì)被浪費(fèi)。此外，需要精確的測(cè)試設(shè)備來確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

制造這些設(shè)備時(shí)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是滿足支柱的嚴(yán)格尺寸標(biāo)準(zhǔn)。工藝條件的任何不穩(wěn)定性或輕微變化都會(huì)導(dǎo)致柱尺寸發(fā)生較大變化，這也會(huì)導(dǎo)致器件故障。

實(shí)施嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系 （QMS） 最有助于克服和繼續(xù)克服所有這些挑戰(zhàn)。質(zhì)量管理體系側(cè)重于流程和系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)、風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)會(huì)的持續(xù)分析以及預(yù)防不合格。質(zhì)量管理體系從提出材料采購請(qǐng)求的那一刻起實(shí)施。它貫穿整個(gè)制造過程，僅在產(chǎn)品交付給客戶時(shí)才結(jié)束。

質(zhì)量管理體系最重要的元素是持續(xù)監(jiān)控生產(chǎn)過程中最細(xì)微的方面。在照片處理期間和之后，例如， 光刻膠涂層工具的性能、光刻膠臨界尺寸 （CD） 和晶圓清潔度都會(huì)受到監(jiān)控并保持實(shí)時(shí)記錄。

在統(tǒng)計(jì)過程控制圖和鋼絲圈過程控制計(jì)劃（圖 3）中，Sensera 不僅設(shè)置了 測(cè)量需要的規(guī)格上限 （USL）和規(guī)格下限 （LSL），還設(shè)置了控制上限 （UCL） 和下限控制限 （LCL）。持續(xù)監(jiān)控這些控制限制可以識(shí)別關(guān)鍵工藝參數(shù)的趨勢(shì)和小漂移，從而可以對(duì)其進(jìn)行糾正。

【圖3 | 統(tǒng)計(jì)過程控制圖（上）和鋼絲圈過程控制計(jì)劃（下）的例子。］

如此密集、如此詳細(xì)地監(jiān)控生產(chǎn)過程可能看起來幾乎是強(qiáng)迫癥，但我們發(fā)現(xiàn)為了保持 MEMS 制造所需的微觀精度，這是必要的。這種質(zhì)量控制過程將 Sensera 的產(chǎn)量提高了 20%。

審核編輯：郭婷