一文了解MEMS晶圓級(jí)測(cè)試系統(tǒng)

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)屬于21 世紀(jì)前沿技術(shù)，是對(duì)MEMS加速度計(jì)、MEMS 陀螺儀及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的總稱(chēng)。MEMS 器件特征尺寸從毫米、微米甚至到納米量級(jí)，涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多個(gè)學(xué)科。在產(chǎn)品的研制方面，能夠顯著提升裝備輕量化、小型化、精確化和集成化程度，因此應(yīng)用極為廣泛。MEMS 產(chǎn)品制造與經(jīng)典的IC 最大區(qū)別在于其含有機(jī)械部分，封裝環(huán)節(jié)占整個(gè)器件成本的大部分，如果在最終封裝之后測(cè)出器件失效不但浪費(fèi)成本，還浪費(fèi)了研究和開(kāi)發(fā)(RD)、工藝過(guò)程和代工時(shí)間，因此，MEMS產(chǎn)品的晶圓級(jí)測(cè)試在早期產(chǎn)品功能測(cè)試、可靠性分析及失效分析中，可以降低產(chǎn)品成本和加速上市時(shí)間，對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化非常關(guān)鍵。

晶圓級(jí)測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于MEMS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全周期的3個(gè)階段：(1)產(chǎn)品研發(fā)(RD)階段：用以驗(yàn)證器件工作和生產(chǎn)的可行性，獲得早期器件特征。(2)產(chǎn)品試量產(chǎn)階段：驗(yàn)證器件以較高成品率量產(chǎn)的能力。(3)量產(chǎn)階段：最大化吞吐量和降低成本。本文分析了國(guó)內(nèi)和國(guó)際MEMS晶圓級(jí)測(cè)試系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀，參照下表中的RM 8096和RM 8097，給出了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有問(wèn)題的解決方案。

MEMS晶圓級(jí)測(cè)試系統(tǒng)硬件

1. 測(cè)試系統(tǒng)

正如引言所說(shuō)，一般MEMS產(chǎn)品的成品率比IC產(chǎn)品要低很多，成本分析發(fā)現(xiàn)60%～80%的制造成本來(lái)自于封裝階段，圖1中當(dāng)成品率為50%時(shí)，采用晶圓級(jí)測(cè)試的芯片能節(jié)省30%總成本，可見(jiàn)采用晶圓級(jí)測(cè)試技術(shù)，可以極大降低MEMS量產(chǎn)成本，提高器件可靠性。

圖1 有無(wú)晶圓級(jí)測(cè)試條件下總成本對(duì)比

國(guó)際上主流的MEMS開(kāi)發(fā)廠商，如美國(guó)的德州儀器(TI)、模擬器件(ADI)、飛思卡爾半導(dǎo)體(Freescale)、Silicon Microstructures(SMI)公司，歐洲的Robert Bosch、意法半導(dǎo)體(ST)，日本的豐田電裝(DENSO)、歐姆龍(Omron)公司等均配備與MEMS晶圓級(jí)產(chǎn)品配套測(cè)試系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)而言，某些高校均建立了服務(wù)于自身MEMS生產(chǎn)線的晶圓級(jí)測(cè)試系統(tǒng)，如清華大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、東南大學(xué)、哈工大等;一些科研院所亦然，如中國(guó)電科49所、13所、26所、46所等。測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)結(jié)構(gòu)和功能各異，其中，航天新銳公司在MEMS晶圓級(jí)測(cè)試系統(tǒng)的研制方面優(yōu)勢(shì)明顯，推出了LS1100系列MEMS晶圓片全參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試產(chǎn)品包括流量計(jì)、加速度計(jì)、陀螺儀等。測(cè)試系統(tǒng)由探針臺(tái)和一系列測(cè)量儀器，用于測(cè)量晶圓片的動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)。系統(tǒng)測(cè)試速率達(dá)到8s/芯片;圓片最大為6 in(1 in=2.54 cm);參量包括微小電容(最低10aF)、電阻(1Ω～1GΩ)、固有頻率(最高20kHz)、品質(zhì)因數(shù)(最高200000)、帶寬(最高10kHz)共5種，準(zhǔn)確度最高達(dá)±1%。

2. 專(zhuān)用探針卡

探卡是連接芯片管腳和標(biāo)準(zhǔn)儀器必要手段，是晶圓級(jí)芯片自動(dòng)測(cè)試的核心部分。

國(guó)際上，早在1995年，Beiley M等人提出了一種陣列結(jié)構(gòu)的薄膜式探卡，該探卡采用聚酰亞胺作為薄膜，并將探針做到薄膜當(dāng)中;2002年，由Park S等人提出利用了Ⅲ型硅片研制的懸臂梁結(jié)構(gòu)探卡，可以承受一定的接觸力，并能使探針針尖產(chǎn)生足夠的位移，因此，目前國(guó)際上通用的探卡形式為該種形式。

國(guó)內(nèi)而言，生產(chǎn)商使用MEMS懸臂梁式芯片測(cè)試探卡開(kāi)展晶圓級(jí)測(cè)試工作。探卡的主要性能包括機(jī)械方面以及電學(xué)方面特性。探卡的機(jī)械特性主要通過(guò)檢測(cè)懸臂梁的彈性系數(shù)來(lái)測(cè)量。近年來(lái)，納米壓痕技術(shù)已經(jīng)成為MEMS結(jié)構(gòu)機(jī)械特性測(cè)試的一個(gè)重要手段。利用Nano Indenter XP納米壓痕系統(tǒng)，在探針針尖上施加一個(gè)逐步增大的接觸力，可得力—位移曲線，加載與卸載過(guò)程的力-位移曲線幾乎重合，說(shuō)明懸臂梁在整個(gè)受力過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生塑性變形。利用半導(dǎo)體探針測(cè)試臺(tái)可以檢測(cè)探卡的電學(xué)特性。開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，在相鄰兩個(gè)懸臂梁針尖上加上20 mV的直流電壓，測(cè)得漏電流僅為0.04 pA，即開(kāi)路情況下相鄰懸臂梁探針之間的絕緣電阻高達(dá)500GΩ。而在探卡針尖相互短接時(shí)，可以測(cè)得通路電阻約為1.6 Ω。也就是說(shuō)，對(duì)于一個(gè)懸臂梁，其探卡背面的針尖到探卡正面的引線點(diǎn)的互聯(lián)電阻僅為0.8 Ω，這已達(dá)到目前芯片測(cè)試的基本要求。另外，利用一種半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀(HP4284A)測(cè)試了相鄰兩個(gè)探針引線焊盤(pán)之間的寄生電容，結(jié)果僅為0.02～0.03pF。綜上，國(guó)內(nèi)此類(lèi)結(jié)構(gòu)的探卡在機(jī)械性能和電學(xué)性能方面均滿(mǎn)足MEMS晶圓級(jí)測(cè)試系統(tǒng)批量測(cè)試的要求。

MEMS晶圓級(jí)測(cè)試技術(shù)

1. 國(guó)際現(xiàn)狀

國(guó)外MEMS發(fā)展非常重視基礎(chǔ)技術(shù)尤其是測(cè)試技術(shù)的建設(shè)，建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室，如美國(guó)的MCNC、SANDIA國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)的BOSCH實(shí)驗(yàn)室等。此外，成立于2003年的MEMUNITY是微系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際性組織，主要研究微機(jī)械產(chǎn)品的計(jì)量與測(cè)試。通過(guò)研究晶圓級(jí)測(cè)試技術(shù)所用的裝置，降低MEMS產(chǎn)品生產(chǎn)成本，推動(dòng)微電子機(jī)械系統(tǒng)的商業(yè)化。該組織主要目標(biāo)是了解下一代微機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械和電性能的測(cè)量技術(shù)最新進(jìn)展，討論晶圓級(jí)測(cè)試策略和標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。晶圓級(jí)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域取得了多項(xiàng)研究成果。最近，MEMUNITY完成了協(xié)同PAR-TEST項(xiàng)目的工作，項(xiàng)目的成果是開(kāi)發(fā)出了一種集成式晶圓級(jí)MEMS器件測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)是一種半自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)(SUSS PA200)，具有精確、自動(dòng)的定位和圓片繪圖功能，通過(guò)一個(gè)靜電探針卡驅(qū)動(dòng)膜片，利用一個(gè)激光多普勒計(jì)測(cè)量面外運(yùn)動(dòng)。通過(guò)測(cè)量本征頻率可以提取特征參數(shù)，所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果用于優(yōu)化器件設(shè)計(jì)和制造工藝，以及確定好壞的管芯測(cè)試。

2. 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

我國(guó)MEMS晶圓級(jí)測(cè)試技術(shù)研究始于20世紀(jì)90年代初，經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，初步形成了幾個(gè)研究力量比較集中的地區(qū)，如京津、華東、東北、西南、西北地區(qū)等。由于MEMS晶圓級(jí)測(cè)試的對(duì)象為立體微結(jié)構(gòu)，其測(cè)試技術(shù)與傳統(tǒng)IC晶圓測(cè)試相比有很大不同，難點(diǎn)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：待測(cè)芯片為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，無(wú)任何電路元件;芯片的信號(hào)非常微弱，如電容量?jī)H為aF級(jí)，提取困難，抗干擾能力差;測(cè)試項(xiàng)目除了靜態(tài)測(cè)試之外，還需要大量動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)試，如諧振頻率、阻尼系數(shù)、帶寬等。前文中提及國(guó)內(nèi)航天新銳的測(cè)試技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，特別是采用低寄生參數(shù)探針、專(zhuān)用微小電容檢測(cè)電路、檢測(cè)電路與探卡集成、屏蔽與隔振、寄生參數(shù)補(bǔ)償五種技術(shù)減小寄生參數(shù)對(duì)待測(cè)電容的影響，實(shí)現(xiàn)微小電容檢測(cè)。

MEMS測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證

目前，國(guó)內(nèi)MEMS晶圓級(jí)測(cè)試系統(tǒng)主要開(kāi)展的是晶圓片電參數(shù)的測(cè)量，而國(guó)際上針對(duì)此部門(mén)的研究已經(jīng)趨于成熟，國(guó)際上針對(duì)芯片和產(chǎn)品的力學(xué)參數(shù)開(kāi)展了大量研究，下面逐一闡述。

1. 國(guó)際驗(yàn)證方案

國(guó)際上采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的Janet Cassard提出的提供了一種五合一的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(reference material, RM)解決MEMS晶圓級(jí)測(cè)試系統(tǒng)的驗(yàn)證。這種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是一種獨(dú)立具有測(cè)試結(jié)構(gòu)的芯片，這種測(cè)試結(jié)構(gòu)是通過(guò)五種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法獲取材料和空間特性的?？蛻?hù)可以通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在本機(jī)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)中的測(cè)試數(shù)據(jù)與此標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在NIST(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院)的同一測(cè)試系統(tǒng)中所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)來(lái)進(jìn)行溯源。此外，五合一MEMS還可以應(yīng)用于過(guò)程測(cè)量及驗(yàn)證、客戶(hù)系統(tǒng)本地測(cè)量、實(shí)驗(yàn)室比對(duì)、糾紛及仲裁、儀器的校準(zhǔn)等方面。

MEMS五合一芯片是用以測(cè)量空間和材料特性的NIST標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，分為RM8096和RM8097。RM8096是用1.5μm的化合物半導(dǎo)體(CMOS)工藝線和顯微機(jī)械加工刻蝕制成的。據(jù)報(bào)道此標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的每一層均為化合物氧化層。RM8097是由多層表面顯微機(jī)械加工MEMS多晶硅的背面刻蝕技術(shù)制成，其中第一、第二層的多晶硅材料特性是公開(kāi)報(bào)道的。

“五種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法”用于MEMS五合一芯片的特性測(cè)試，分別為：楊氏模量、臺(tái)階高度、殘余應(yīng)變、應(yīng)變梯度以及平面長(zhǎng)度。其中，楊氏模量和臺(tái)階高度的測(cè)試方法已經(jīng)在“國(guó)際半導(dǎo)體儀器和材料(SEMI)”被報(bào)道，而殘余應(yīng)變、應(yīng)變梯度、平面長(zhǎng)度三者的測(cè)量方法由“美國(guó)國(guó)際測(cè)量材料聯(lián)合社(ASTM)”公開(kāi)報(bào)道，上述每種測(cè)量方法均有一系列的準(zhǔn)確度和修正數(shù)據(jù)。

“8個(gè)技術(shù)特性”是標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)中具有代表性的典型參數(shù)，即前文敘述中提到的五種加上以下三種：殘余應(yīng)力、應(yīng)力梯度、橫梁厚度。殘余應(yīng)力和應(yīng)力梯度是通過(guò)楊氏模量測(cè)試方法計(jì)算得到的;橫梁厚度特性是利用RM8096通過(guò)基于電物理技術(shù)、加上RM8097通過(guò)光機(jī)械技術(shù)，應(yīng)用臺(tái)階高度測(cè)量方法獲得的(在NIST特刊SP260—177中提及)。因此，五種測(cè)試方法可以用于獲得8個(gè)技術(shù)特性參數(shù)。

正如列舉的各個(gè)測(cè)試方法所涉及的，楊氏模量的測(cè)試方法使用的是光學(xué)振動(dòng)計(jì)、頻閃觀測(cè)儀的激光干涉儀或同類(lèi)儀器。其它四種測(cè)量方法使用的是光學(xué)激光干涉儀和針式表面光度計(jì)或同類(lèi)儀器。MEMS計(jì)算器可對(duì)MEMS特性參量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在每一個(gè)數(shù)據(jù)分析表單的最下方有檢定區(qū)。如果所有的相關(guān)單元均顯示“OK”，則數(shù)據(jù)驗(yàn)證通過(guò);否則，特定區(qū)域會(huì)提示“修正數(shù)據(jù)并重新計(jì)算”。

每一個(gè)“五合一芯片”均附帶標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)一份，包括相應(yīng)數(shù)據(jù)分析表單、五種測(cè)量方法和NISTSP260-177。附帶的相應(yīng)數(shù)據(jù)分析表單給出了對(duì)應(yīng)測(cè)量方法的特殊測(cè)試結(jié)構(gòu)，同時(shí)包括用于在NIST獲取標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)中測(cè)量結(jié)果的原始數(shù)據(jù)。SP260是一本全面的MEMS五合一用戶(hù)使用手冊(cè);它列出了基于NIST相同測(cè)量結(jié)構(gòu)的同一SEMI或ASTM標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法;同時(shí)，推薦一種可與NIST標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)相比較的測(cè)量方法，以驗(yàn)證用戶(hù)文件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法的正確性。

2. 國(guó)內(nèi)驗(yàn)證手段

我國(guó)目前已經(jīng)購(gòu)置或組建多臺(tái)MEMS晶圓級(jí)測(cè)試系統(tǒng)，驗(yàn)證手段尚處于空白階段。由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)此類(lèi)專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)樣片，因此，測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和一致性驗(yàn)證問(wèn)題尚未解決，仍停留在“單臺(tái)儀器拆分計(jì)量”的層面，未開(kāi)展系統(tǒng)的整體校準(zhǔn)工作，各系統(tǒng)參數(shù)無(wú)法溯源到探針端面，難以保證MEMS產(chǎn)品參數(shù)的準(zhǔn)確和一致性，為產(chǎn)品質(zhì)量埋下隱患。

存在的差距

無(wú)論從硬件組成還是從測(cè)試技術(shù)和驗(yàn)證手段比較，目前我們與國(guó)際還有一定的差距，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：

1)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試硬件系統(tǒng)。盡管早期測(cè)試有諸多好處，但對(duì)大部分制造商來(lái)說(shuō)很難找到標(biāo)準(zhǔn)化、獨(dú)立運(yùn)行的測(cè)試系統(tǒng)，且尚無(wú)同一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可依循。MEMS測(cè)試必須通過(guò)添加適當(dāng)?shù)哪K進(jìn)行非電激勵(lì)輸入測(cè)量和非電信號(hào)輸出檢測(cè)，晶圓探針可以被擴(kuò)展成一個(gè)開(kāi)放的、通用的測(cè)試平臺(tái)，根據(jù)測(cè)試需要可以方便地調(diào)整。整個(gè)開(kāi)放平臺(tái)可以用于測(cè)試不同的產(chǎn)品如：壓力傳感器、微麥克風(fēng)和微鏡等。

2)測(cè)試技術(shù)有待提高。在激勵(lì)信號(hào)方面，除了電激勵(lì)和電測(cè)試之外，器件可能還需要進(jìn)行聲學(xué)、發(fā)光、振動(dòng)、流體、壓力、溫度、化學(xué)或動(dòng)力激勵(lì)輸入;在測(cè)試平臺(tái)方面，器件可能需要開(kāi)放的平臺(tái)且在受控的環(huán)境中測(cè)試才能保護(hù)器件不受環(huán)境的損傷或正確地在封裝的環(huán)境內(nèi)激勵(lì)器件。MEMS器件的晶圓級(jí)測(cè)試可以在測(cè)試所需的真空中或在特殊的氣體環(huán)境中操作，需要精確可控的測(cè)試環(huán)境。

3)系統(tǒng)驗(yàn)證手段空白。目前國(guó)內(nèi)的測(cè)試系統(tǒng)鑒于晶圓級(jí)測(cè)試的微觀性和用于探針末端的標(biāo)準(zhǔn)樣片的缺乏，無(wú)法從準(zhǔn)確度方面對(duì)其進(jìn)行量值傳遞，從而難以保證其溯源性，無(wú)法發(fā)揮晶圓級(jí)測(cè)試的優(yōu)越性，難以保障剔除芯片的合理性和準(zhǔn)確性。

結(jié)束語(yǔ)

自20世紀(jì)60年代微機(jī)械技術(shù)誕生以來(lái)，MEMS晶圓測(cè)試技術(shù)隨著MEMS產(chǎn)品的發(fā)展而逐漸成熟，隨著制造器件實(shí)用化、高可靠性、成本低廉的要求，測(cè)試系統(tǒng)出現(xiàn)了如下發(fā)展趨勢(shì)：未來(lái)MEMS晶圓級(jí)測(cè)試系統(tǒng)向著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的開(kāi)放式平臺(tái)發(fā)展;在參數(shù)級(jí)計(jì)量測(cè)試方面，急需利用MEMS或IC技術(shù)研制高穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)樣片，是行之有效的校準(zhǔn)方案;在產(chǎn)品級(jí)測(cè)試方面，參照NIST的MEMS五合一測(cè)試芯片，急需通過(guò)對(duì)MEMS芯片添加外圍電路形成模塊化的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)的手段，解決非電信號(hào)激勵(lì)下的測(cè)試難題，研制符合相應(yīng)激勵(lì)信號(hào)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，與國(guó)際NIST標(biāo)準(zhǔn)接軌，進(jìn)一步趕超國(guó)際水平，提升我國(guó)MEMS晶圓級(jí)測(cè)試的整體水平。