微機電系統 （MEMS） 是在結合了電子功能和機械動作的專業微電子工廠中制造的設備。MEMS 作為一個技術平臺，能夠制造出獨特的傳感器和致動器，這些傳感器和致動器可以充當眼睛、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 的挑戰是艱巨的，因為該類別涵蓋了許多不同類型的設備，用于各種行業，每個行業都有獨特的標準和技術要求。

MEMS 技術的特點是定制設計，通常具有高縱橫比（即高、瘦和易碎）的特征。其中許多設備用于具有苛刻的熱條件和機械應力的惡劣環境中。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基本類別，而 MEMS 設備則采用更廣泛的形式，包括加速度計、陀螺儀、壓力傳感器、打印機噴嘴、顯示設備、麥克風等。

由于 MEMS 的應用和外形尺寸差異很大，因此按照高質量標準制造它們極具挑戰性。本文探討了 MEMS 的特定應用，以及如何通過使用嚴格的質量系統方法來實現高產量和一致的交付。

例如，Sensera 制造的一種特別具有挑戰性的產品是包含數千個微柱的硅模具——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用，以更好地了解人類生物學。

正如哈佛大學 Wyss 仿生工程研究所的高級工程師 Richard Novak 博士所描述的，“這些被稱為‘器官芯片’的微芯片為傳統的動物試驗提供了一種潛在的替代方案。每個單獨的器官芯片都由一種透明的柔性聚合物組成，其大小與計算機記憶棒相當。該聚合物包含中空的微流體通道，這些通道內襯有活的人體細胞。通道與人工靜脈接口，人工靜脈也排列著人體細胞。可以對這些通道施加機械力來模擬活體器官的功能，包括肺中的呼吸運動和腸道中的蠕動樣變形。”

盡管在模具中均勻地間隔微柱的任務看起來很簡單，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特征，因此損壞的柱子將導致膜上缺少孔，從而阻礙芯片上器官中所需的細胞交換。此外，破碎的柱子會變成碎片，如果移位和重新連接，將有可能損壞其他柱子區域。在處理這些芯片時，我們必須非常小心，以保證微柱陣列的完整性。

此外，這數千個微柱就像一塊磁鐵，可以吸附灰塵和顆粒。事實上，微柱被用于一些除塵設備中，特別是因為它們具有吸塵特性。在 MEMS 設備中，任何微小的灰塵顆粒、衣服纖維或皮膚或頭發上的污染物都會導致缺陷，從而導致設備無法使用。

這導致制造這些零件時面臨的最大挑戰之一：遵守嚴格的缺陷標準。這些嚴格的缺陷標準是必要的，因為芯片上的器官用于人體血液的研究項目，如果用于由缺陷模具引起的缺陷設備，則會被浪費。此外，需要精確的測試設備來確保結果的準確性和可重復性。

制造這些設備時的另一個挑戰是滿足支柱的嚴格尺寸標準。工藝條件的任何不穩定性或輕微變化都會導致柱尺寸發生較大變化，這也會導致器件故障。

實施嚴格的質量管理體系 （QMS） 最有助于克服和繼續克服所有這些挑戰。質量管理體系側重于流程和系統的持續改進、風險和機會的持續分析以及預防不合格。質量管理體系從提出材料采購請求的那一刻起實施。它貫穿整個制造過程，僅在產品交付給客戶時才結束。

質量管理體系最重要的元素是持續監控生產過程中最細微的方面。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） 和晶圓清潔度都會受到監控并保持實時記錄。

在統計過程控制圖和鋼絲圈過程控制計劃（圖 3）中，Sensera 不僅設置了 測量需要的規格上限 （USL）和規格下限 （LSL），還設置了控制上限 （UCL） 和下限控制限 （LCL）。持續監控這些控制限制可以識別關鍵工藝參數的趨勢和小漂移，從而可以對其進行糾正。

【圖3 | 統計過程控制圖（上）和鋼絲圈過程控制計劃（下）的例子。］

如此密集、如此詳細地監控生產過程可能看起來幾乎是強迫癥，但我們發現為了保持 MEMS 制造所需的微觀精度，這是必要的。這種質量控制過程將 Sensera 的產量提高了 20%。

審核編輯：郭婷