MEMS晶圓級(jí)測試系統(tǒng)詳解

MEMS晶圓級(jí)測試系統(tǒng)

國外MEMS發(fā)展非常重視基礎(chǔ)技術(shù)尤其是測試技術(shù)的建設(shè)，建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室，如美國的MCNC、SANDIA國家實(shí)驗(yàn)室、德國的BOSCH實(shí)驗(yàn)室等。此外，成立于2003年的MEMUNITY是微系統(tǒng)測試技術(shù)領(lǐng)域的國際性組織，主要研究微機(jī)械產(chǎn)品的計(jì)量與測試。通過研究晶圓級(jí)測試技術(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)械和電性能的測量技術(shù)最新進(jìn)展，討論晶圓級(jí)測試策略和標(biāo)準(zhǔn)化問題。晶圓級(jí)測試技術(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)目的成果是開發(fā)出了一種集成式晶圓級(jí)MEMS器件測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)是一種半自動(dòng)探測系統(tǒng)（SUSS PA200），具有精確、自動(dòng)的定位和圓片繪圖功能，通過一個(gè)靜電探針卡驅(qū)動(dòng)膜片，利用一個(gè)激光多普勒計(jì)測量面外運(yùn)動(dòng)。通過測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試。

2. 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國MEMS晶圓級(jí)測試技術(shù)研究始于20世紀(jì)90年代初，經(jīng)過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)測試的對象為立體微結(jié)構(gòu)，其測試技術(shù)與傳統(tǒng)IC晶圓測試相比有很大不同，難點(diǎn)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：待測芯片為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，無任何電路元件；芯片的信號(hào)非常微弱，如電容量僅為aF級(jí)，提取困難，抗干擾能力差；測試項(xiàng)目除了靜態(tài)測試之外，還需要大量動(dòng)態(tài)指標(biāo)測試，如諧振頻率、阻尼系數(shù)、帶寬等。前文中提及國內(nèi)航天新銳的測試技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，特別是采用低寄生參數(shù)探針、專用微小電容檢測電路、檢測電路與探卡集成、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)對待測電容的影響，實(shí)現(xiàn)微小電容檢測。

MEMS測試系統(tǒng)驗(yàn)證

目前，國內(nèi)MEMS晶圓級(jí)測試系統(tǒng)主要開展的是晶圓片電參數(shù)的測量，而國際上針對此部門的研究已經(jīng)趨于成熟，國際上針對芯片和產(chǎn)品的力學(xué)參數(shù)開展了大量研究，下面逐一闡述。

1. 國際驗(yàn)證方案

國際上采用美國國家標(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)立具有測試結(jié)構(gòu)的芯片，這種測試結(jié)構(gòu)是通過五種標(biāo)準(zhǔn)的測試方法獲取材料和空間特性的?？蛻艨梢酝ㄟ^將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在本機(jī)構(gòu)測試系統(tǒng)中的測試數(shù)據(jù)與此標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在NIST（國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院）的同一測試系統(tǒng)中所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對來進(jìn)行溯源。此外，五合一MEMS還可以應(yīng)用于過程測量及驗(yàn)證、客戶系統(tǒng)本地測量、實(shí)驗(yàn)室比對、糾紛及仲裁、儀器的校準(zhǔn)等方面。

MEMS五合一芯片是用以測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報(bào)道的。

“五種標(biāo)準(zhǔn)測試方法”用于MEMS五合一芯片的特性測試，分別為：楊氏模量、臺(tái)階高度、殘余應(yīng)變、應(yīng)變梯度以及平面長度。其中，楊氏模量和臺(tái)階高度的測試方法已經(jīng)在“國際半導(dǎo)體儀器和材料（SEMI）”被報(bào)道，而殘余應(yīng)變、應(yīng)變梯度、平面長度三者的測量方法由“美國國際測量&材料聯(lián)合社（ASTM）”公開報(bào)道，上述每種測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)力梯度是通過楊氏模量測試方法計(jì)算得到的；橫梁厚度特性是利用RM8096通過基于電物理技術(shù)、加上RM8097通過光機(jī)械技術(shù)，應(yīng)用臺(tái)階高度測量方法獲得的（在NIST特刊SP260—177中提及）。因此，五種測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)測試方法所涉及的，楊氏模量的測試方法使用的是光學(xué)振動(dòng)計(jì)、頻閃觀測儀的激光干涉儀或同類儀器。其它四種測量方法使用的是光學(xué)激光干涉儀和針式表面光度計(jì)或同類儀器。MEMS計(jì)算器可對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；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)證書一份，包括相應(yīng)數(shù)據(jù)分析表單、五種測量方法和NISTSP260-177。附帶的相應(yīng)數(shù)據(jù)分析表單給出了對應(yīng)測量方法的特殊測試結(jié)構(gòu)，同時(shí)包括用于在NIST獲取標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書中測量結(jié)果的原始數(shù)據(jù)。SP260是一本全面的MEMS五合一用戶使用手冊；它列出了基于NIST相同測量結(jié)構(gòu)的同一SEMI或ASTM標(biāo)準(zhǔn)測量方法；同時(shí)，推薦一種可與NIST標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書相比較的測量方法，以驗(yàn)證用戶文件標(biāo)準(zhǔn)測量方法的正確性。

2. 國內(nèi)驗(yàn)證手段

我國目前已經(jīng)購置或組建多臺(tái)MEMS晶圓級(jí)測試系統(tǒng)，驗(yàn)證手段尚處于空白階段。由于國內(nèi)尚無針對此類專用測試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)樣片，因此，測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和一致性驗(yàn)證問題尚未解決，仍停留在“單臺(tái)儀器拆分計(jì)量”的層面，未開展系統(tǒng)的整體校準(zhǔn)工作，各系統(tǒng)參數(shù)無法溯源到探針端面，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

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

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

2）測試技術(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；在測試平臺(tái)方面，器件可能需要開放的平臺(tái)且在受控的環(huán)境中測試才能保護(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)測試可以在測試所需的真空中或在特殊的氣體環(huán)境中操作，需要精確可控的測試環(huán)境。

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

結(jié)束語

自20世紀(jì)60年代微機(jī)械技術(shù)誕生以來，MEMS晶圓測試技術(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，測試系統(tǒng)出現(xiàn)了如下發(fā)展趨勢：未來MEMS晶圓級(jí)測試系統(tǒng)向著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的開放式平臺(tái)發(fā)展；在參數(shù)級(jí)計(jì)量測試方面，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)測試方面，參照NIST的MEMS五合一測試芯片，急需通過對MEMS芯片添加外圍電路形成模塊化的標(biāo)準(zhǔn)測試平臺(tái)的手段，解決非電信號(hào)激勵(lì)下的測試難題，研制符合相應(yīng)激勵(lì)信號(hào)測試的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，與國際NIST標(biāo)準(zhǔn)接軌，進(jìn)一步趕超國際水平，提升我國MEMS晶圓級(jí)測試的整體水平。