Как сделать МЭМС: от идеи до реализации⁠⁠

В предыдущем посте я попросил оставить в комментариях темы, которые были бы интересны. Сразу предупрежу, что некоторые вопросы не будут мной разобраны в том виде, в котором они сформулированы, чтобы не опозориться не вводить никого в заблуждение. Но постараюсь рассказать о чем-то наиболее приближенном по моему мнению.

@sweeper.xms оставил две темы, начну со второй:

Каков путь от программы на Verilog/VHDL до реального чипа, минуя ПЛМ?

Область моих компетенции связана непосредственно с микроэлектромеханическими системами (МЭМС), а точнее я занимаюсь разработкой технологии их изготовления. Поэтому расскажу, какой нужно проделать путь от идеи до реализации ее в виде конечного продукта. Надеюсь, будет интересно не нудно.

МЭМС - это такой чип, состоящий из механической части (именуется чувствительным элементом), которая может вибрировать, перемещаться или изгибаться, и электрической части (обычно интегральная схема специального назначения, она же ASIC), которая позволяет считывать и преобразовывать сигналы, и управлять механической частью. Короче, это всякие микромеханические акселерометры (датчики ускорения), гироскопы (датчики угловой скорости), датчики давления и т.п. Зачем они нужны? Конечно же для функции автоповорота экрана в смартфоне, иначе как ещё смотреть видео на Ютубе Рутубе. На самом деле применяют датчики МЭМС много где.

Приступим к идее. Во-первых, нужно определиться для каких целей делать датчик. Универсальных решений не существует, к сожалению. Не получится сделать и суперкомпактный, и мегаточный, и со сверхнизким потреблением энергии, да ещё и практически бесплатный. Поэтому у топовых компаний типа Analog Devices только микромеханических акселерометров более 15 разновидностей! Отмечу, что электроника может быть универсальной, и одна и та же интегральная схема может хорошо подходить для большинства датчиков. Подробно я разберу именно механическую часть (чувствительный элемент). У каждого чувствительного элемента есть особый слой (именуют его обычно приборным) или слои, которые являются определяющими с точки зрения характеристик датчика.

С помощью ПО Comsol Multiphysics или Ansys подбирают конструкцию этого особого слоя или слоев, чтобы они потенциально обеспечивали нужные характеристики. Затем уже в виде некой принципиальной схемы разрабатывают целиком топологию чувствительного элемента, который вообще может состоять не просто из нескольких слоев, но и из нескольких пластин.

Как только с топологией определились, появляется намек уже на какую-то документацию. Важно понимать, что топологию и конструкцию разрабатывают с учётом имеющихся технологических возможностей, а также наличия конкретного материала. Условно, если в наличии имеются пластины толщиной 380 мкм или особый слой могут сделать сейчас только толщиной 100 мкм, то в первую очередь будут исходить из этого. После согласования топологии и конструкции чувствительного элемента обычно утверждают геометрические размеры и электрические параметры, которые будут контролировать в процессе изготовления для определения качества изделия и его работоспособности. Далее формируют документацию для изготовления фотошаблонов для литографии в формате GDSII. Во-первых, необходимо полностью отрисовать все слои и посмотреть, как в пределах одного чипа они накладываются друг на друга. Во-вторых, необходимо размножить разместить чипы на подложке как можно больше и плотнее друг к другу. Но меру тоже нужно знать, поэтому от края пластины обычно отступают 5-10 мм. В-третьих, нужны метки совмещения для литографии.

Главными элементами меток совмещения являются нониусы, их размер и расстояние между ними позволяют оценивать рассовмещение слоев между друг другом. При заказе фотошаблонов также указывают, какие области должны быть прозрачными, а какие нет. Некоторые фотошаблоны должны быть ещё и отзеркалены. Короче, одна ошибка и ты ошибся. Технологический процесс изготовления в виде маршрута набрасывают ещё при формировании документации на фотошаблоны. Делают сопроводительную документацию на изготовление. Также параллельно заказывают необходимые материалы (всякие фоторезисты, проявители, смыватели, кислоты, щелочи и т.п.). И ждут уведомления от озона поставку фотошаблонов и материалов.

Как только все необходимое есть, начинают отрабатывать какие-то отдельные элементы или операции, чтобы потенциально меньше возникло проблем где-то в середине процесса изготовления. И наконец-то пробуют сделать первую партию пластин. Помните, я упоминал, что для изготовления одного МЭМСа (или одной партии) может потребоваться несколько пластин?

Микроэлектроника построена фактически на планарной технологии. Это когда вы на лицевой стороне пластины последовательно формируете различные слои, что и приводит к изготовлению конечного продукта. В МЭМС так не получится, так как есть всякие подвижные элементы. А чтобы они двигались нужны различные ямы полости над ними, под ними, между ними. Кроме этого все эти подвижные элементы следует располагать в герметичном объеме (чтобы в зазоры размером 2-3 микрометра не попадали твердые частицы в принципе), а в некоторых случаях ещё и нужно поддерживать вакуум!

Так что чтобы сделать одну пластину, нужно запустить минимум 2-3 и помолиться надеяться на чудо. Почему? Потому что может случиться вот это:

Поэтому обычно запускают 10-20 пластин, чтобы на выходе гарантировано получить 1-2 с готовыми изделиями.

После того, как получили хотя бы одну пластину с чувствительными элементами, проводят контроль на зондовой станции, которая тыкается своими иголками зондами в металлические контакты и измеряет электрические параметры (ёмкости, сопротивления). По неким установленным критериям бракуют чипы и появляется карта годных чипов по пластине. Пластину кромсают пилят между чипами, чтобы их отделить друг от друга. После этого годные чипы устанавливают в корпус вместе с электроникой. Микросваркой соединяют чип с электроникой и выводят контакты на корпус. Затем корпус закрывают крышкой и герметизируют. Вот и получили первый датчик МЭМС. Но бывают нюансы, например, датчик давления ставят на штуцер. Дальше начинаются испытания для определения характеристик датчика и степень соответствия с тем, что закладывали в самом начале. Вероятность получить с первого раза даже что-то работающее невысока, а уж чтобы это соответствовало ожиданиям, ещё ниже. Поэтому идёт поиск виноватых проблем и их решений, чтобы добиться нужных характеристик изделий. Корректируют конструкцию, топологию, технологию, фотошаблоны, то есть идет нормальный итерационный процесс.

На этом пожалуй завершу. Что-то я мог упустить, что-то опустил специально. Получилась простыня, я честно старался написать ёмко, но не смог, не получилось.