MEMS晶圓級測試系統(tǒng)現(xiàn)狀及未來展望

喬玉娥, 劉 巖, 程曉輝, 丁立強, 丁 晨, 梁法國

(中國電子科技集團公司 第十三研究所,河北 石家莊 050051)

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MEMS晶圓級測試系統(tǒng)現(xiàn)狀及未來展望

喬玉娥, 劉 巖, 程曉輝, 丁立強, 丁 晨, 梁法國

(中國電子科技集團公司 第十三研究所,河北 石家莊 050051)

微機電系統(tǒng)(MEMS)產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用使得晶圓級測試技術(shù)必要性日益凸顯。分析了國內(nèi)和國際MEMS晶圓級測試系統(tǒng)硬件和MEMS晶圓級測試技術(shù)的現(xiàn)狀。參照國際上利用RM8096/8097標準物質(zhì)(RM)對MEMS產(chǎn)品進行計量測試的方法，給出了針對我國現(xiàn)有MEMS晶圓級測試系統(tǒng)校準問題的初步解決方案。并指出了該類測試系統(tǒng)今后向著標準化模塊化方向發(fā)展的趨勢。

微機電系統(tǒng); 晶圓級測試系統(tǒng); 測試技術(shù); 標準物質(zhì)

0 引 言

微機電系統(tǒng)(MEMS)屬于21世紀前沿技術(shù)，是對MEMS加速度計、MEMS陀螺儀及慣性導航系統(tǒng)的總稱。MEMS器件特征尺寸從毫米、微米甚至到納米量級，涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多個學科[1]。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)別在于其含有機械部分，封裝環(huán)節(jié)占整個器件成本的大部分，如果在最終封裝之后測出器件失效不但浪費成本，還浪費了研究和開發(fā)(R&D)、工藝過程和代工時間，因此，MEMS產(chǎn)品的晶圓級測試在早期產(chǎn)品功能測試、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間，對于微機電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化非常關(guān)鍵。

晶圓級測試技術(shù)應(yīng)用于MEMS產(chǎn)品開發(fā)全周期的3個階段:1)產(chǎn)品研發(fā)(R&D)階段：用以驗證器件工作和生產(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。本文分析了國內(nèi)和國際MEMS晶圓級測試系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀，參照RM8096和RM8097，給出了國內(nèi)現(xiàn)有問題的解決方案。

1 MEMS晶圓級測試系統(tǒng)硬件

1.1 測試系統(tǒng)

正如引言所說，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 %的制造成本來自于封裝階段，圖 1中當成品率為50 %時，采用晶圓級測試的芯片能節(jié)省30 %總成本，可見采用晶圓級測試技術(shù)，可以極大降低MEMS量產(chǎn)成本，提高器件可靠性。

圖1 有無晶圓級測試條件下總成本對比Fig 1 Total cost comparison under test condition with and without presence of wafer

國際上主流的MEMS研制單位，如美國的德州儀器(TI)、模擬器件(ADI)、飛思卡爾半導體(Freescale)、Silicon Microstructures(SMI)公司，歐洲的Robert Bosch、意法半導體 (ST)，日本的豐田電裝(DENSO)、歐姆龍(Omron)公司等均配備與MEMS晶圓級產(chǎn)品配套測試系統(tǒng)。

國內(nèi)而言，某些高校均建立了服務(wù)于自身MEMS生產(chǎn)線的晶圓級測試系統(tǒng)，如清華大學、北京大學、復旦大學、東南大學、哈工大等；一些科研院所亦然，如中國電科49所、13所、26所、46所等。測試系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品特點結(jié)構(gòu)和功能各異，其中航天新銳公司在MEMS晶圓級測試系統(tǒng)的研制方面優(yōu)勢明顯，推出了LS1100系列MEMS晶圓片全參數(shù)自動測試系統(tǒng)。測試產(chǎn)品包括流量計、加速度計、陀螺儀等。測試系統(tǒng)由探針臺和一系列測量儀器，用于測量晶圓片的動態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)。系統(tǒng)測試速率達到8 s/芯片；圓片最大為6 in(1 in=2.54 cm)；參量包括微小電容(最低10 aF)[2]、電阻(1 Ω～1 GΩ)、固有頻率(最高20 kHz)、品質(zhì)因數(shù)(最高200 000)、帶寬(最高10 kHz)共5種，準確度最高達± 1%。

1.2 專用探針卡

探卡是連接芯片管腳和標準儀器必要手段，是晶圓級芯片自動測試的核心部分。

國際上，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[4]，該探卡采用聚酰亞胺作為薄膜，并將探針做到薄膜當中；2002年，由Park S等人提出利用了Ⅲ型硅片[3]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，目前國際上通用的探卡形式為該種形式。

國內(nèi)而言，生產(chǎn)商使用MEMS懸臂梁式芯片測試探卡[4]開展晶圓級測試工作。探卡的主要性能包括機械方面以及電學方面特性。探卡的機械特性主要通過檢測懸臂梁的彈性系數(shù)來測量。近年來，納米壓痕技術(shù)已經(jīng)成為MEMS結(jié)構(gòu)機械特性測試的一個重要手段[5]。利用Nano Indenter XP納米壓痕系統(tǒng)，在探針針尖上施加一個逐步增大的接觸力，可得力—位移曲線，加載與卸載過程的力—位移曲線幾乎重合，說明懸臂梁在整個受力過程中沒有產(chǎn)生塑性變形。利用半導體探針測試臺可以檢測探卡的電學特性。開路狀態(tài)時，在相鄰兩個懸臂梁針尖上加上20 mV的直流電壓，測得漏電流僅為0.04 pA，即開路情況下相鄰懸臂梁探針之間的絕緣電阻高達500 GΩ。而在探卡針尖相互短接時，可以測得通路電阻約為1.6 Ω。也就是說，對于一個懸臂梁，其探卡背面的針尖到探卡正面的引線點的互聯(lián)電阻僅為0.8 Ω，這已達到目前芯片測試的基本要求。另外，利用一種半導體參數(shù)測試儀(HP4284A)測試了相鄰兩個探針引線焊盤之間的寄生電容，結(jié)果僅為0.02～0.03 pF。綜上，國內(nèi)此類結(jié)構(gòu)的探卡在機械性能和電學性能方面均滿足MEMS晶圓級測試系統(tǒng)批量測試的要求。

2 MEMS晶圓級測試技術(shù)

2.1 國際現(xiàn)狀

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)的實驗室，如美國的MCNC、SANDIA國家實驗室、德國的BOSCH實驗室等。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，主要研究微機械產(chǎn)品的計量與測試。通過研究晶圓級測試技術(shù)所用的裝置，降低MEMS產(chǎn)品生產(chǎn)成本，推動微電子機械系統(tǒng)的商業(yè)化。該組織主要目標是了解下一代微機電系統(tǒng)機械和電性能的測量技術(shù)最新進展，討論晶圓級測試策略和標準化問題。晶圓級測試技術(shù)領(lǐng)域取得了多項研究成果。最近，MEMUNITY完成了協(xié)同PAR-TEST項目的工作，項目的成果是開發(fā)出了一種集成式晶圓級MEMS器件測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)是一種半自動探測系統(tǒng)(SUSS PA200)，具有精確、自動的定位和圓片繪圖功能，通過一個靜電探針卡驅(qū)動膜片，利用一個激光多普勒計測量面外運動。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)計和制造工藝，以及確定好壞的管芯測試。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國MEMS晶圓級測試技術(shù)研究始于20世紀90年代初，經(jīng)過20年的發(fā)展，初步形成了幾個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，難點主要體現(xiàn)在3個方面：待測芯片為純機械結(jié)構(gòu)，無任何電路元件；芯片的信號非常微弱，如電容量僅為aF級，提取困難，抗干擾能力差；測試項目除了靜態(tài)測試之外，還需要大量動態(tài)指標測試，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[6]、檢測電路與探卡集成、屏蔽與隔振、寄生參數(shù)補償五種技術(shù)減小寄生參數(shù)對待測電容的影響，實現(xiàn)微小電容檢測。

3 MEMS測試系統(tǒng)驗證

目前，國內(nèi)MEMS晶圓級測試系統(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)品的力學參數(shù)開展了大量研究，下面逐一闡述。

3.1 國際驗證方案

國際上采用美國國家標準技術(shù)研究院的Janet Cassard提出的提供了一種五合一的標準物質(zhì)(reference material,RM)解決MEMS晶圓級測試系統(tǒng)的驗證。這種標準物質(zhì)是一種獨立具有測試結(jié)構(gòu)的芯片，這種測試結(jié)構(gòu)是通過五種標準的測試方法獲取材料和空間特性的?？蛻艨梢酝ㄟ^將標準物質(zhì)在本機構(gòu)測試系統(tǒng)中的測試數(shù)據(jù)與此標準物質(zhì)在NIST(國家標準技術(shù)研究院)的同一測試系統(tǒng)中所得數(shù)據(jù)進行比對來進行溯源。此外，五合一MEMS還可以應(yīng)用于過程測量及驗證、客戶系統(tǒng)本地測量、實驗室比對、糾紛及仲裁、儀器的校準等方面。

MEMS五合一芯片是用以測量空間和材料特性的NIST標準物質(zhì)，分為RM8096和RM8097。RM8096是用1.5 μm的化合物半導體(CMOS)工藝線和顯微機械加工刻蝕制成的。據(jù)報道此標準物質(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道的。

“五種標準測試方法”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，楊氏模量和臺階高度的測試方法已經(jīng)在“國際半導體儀器和材料(SEMI)”被報道，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)”公開報道，上述每種測量方法均有一系列的準確度和修正數(shù)據(jù)。

“8個技術(shù)特性”是標準物質(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算得到的；橫梁厚度特性是利用RM8096通過基于電物理[7]技術(shù)、加上RM8097通過光機械[8]技術(shù)，應(yīng)用臺階高度測量方法獲得的(在NIST特刊SP260—177[11]中提及)。因此，五種測試方法可以用于獲得8個技術(shù)特性參數(shù)。

正如列舉的各個測試方法所涉及的，楊氏模量的測試方法使用的是光學振動計、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激光干涉儀和針式表面光度計或同類儀器。MEMS計算器網(wǎng)址(http://srdata.nist.gov/gateway/)可對MEMS特性參量進行數(shù)據(jù)分析。在每一個數(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)驗證通過；否則，特定區(qū)域會提示“修正數(shù)據(jù)并重新計算”。

每一個“五合一芯片”均附帶標準物質(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NIST SP 260—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)，同時包括用于在NIST獲取標準物質(zhì)證書中測量結(jié)果的原始數(shù)據(jù)。SP 260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標準測量方法；同時，推薦一種可與NIST標準物質(zhì)證書相比較的測量方法，以驗證用戶文件標準測量方法的正確性。

3.2 國內(nèi)驗證手段

我國目前已經(jīng)購置或組建多臺MEMS晶圓級測試系統(tǒng)，驗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)備的標準物質(zhì)和標準樣片，因此，測試系統(tǒng)的準確度和一致性驗證問題尚未解決，仍停留在“單臺儀器拆分計量”的層面[9]，未開展系統(tǒng)的整體校準工作，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)的準確和一致性，為產(chǎn)品質(zhì)量埋下隱患。

4 存在的差距

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

1)缺乏標準化測試硬件系統(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準化、獨立運行的測試系統(tǒng)，且尚無同一的測試標準可依循。MEMS測試必須通過添加適當?shù)哪K進行非電激勵輸入測量和非電信號輸出檢測，晶圓探針可以被擴展成一個開放的、通用的測試平臺，根據(jù)測試需要可以方便地調(diào)整。整個開放平臺可以用于測試不同的產(chǎn)品如：壓力傳感器、微麥克風和微鏡等。

2)測試技術(shù)有待提高。在激勵信號方面，除了電激勵和電測試之外，器件可能還需要進行聲學、發(fā)光、振動、流體、壓力、溫度、化學或動力激勵輸入；在測試平臺方面，器件可能需要開放的平臺且在受控的環(huán)境中測試才能保護器件不受環(huán)境的損傷或正確地在封裝的環(huán)境內(nèi)激勵器件。MEMS器件的晶圓級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)驗證手段空白。目前國內(nèi)的測試系統(tǒng)鑒于晶圓級測試的微觀性和用于探針末端的標準樣片的缺乏，無法從準確度方面對其進行量值傳遞，從而難以保證其溯源性，無法發(fā)揮晶圓級測試的優(yōu)越性，難以保障剔除芯片的合理性和準確性。

5 結(jié)束語

自20世紀60年代微機械技術(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，隨著制造器件實用化、高可靠性、成本低廉的要求，測試系統(tǒng)[10]出現(xiàn)了如下發(fā)展趨勢：未來MEMS晶圓級測試系統(tǒng)向著標準化、模塊化的開放式平臺發(fā)展[13]；在參數(shù)級計量測試方面，急需利用MEMS或IC技術(shù)研制高穩(wěn)定性標準樣片，是行之有效的校準方案；在產(chǎn)品級測試方面，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準測試平臺的手段，解決非電信號激勵下的測試難題，研制符合相應(yīng)激勵信號測試的標準物質(zhì)，與國際NIST標準接軌，進一步趕超國際水平，提升我國MEMS晶圓級測試的整體水平。

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Present situation and future prospect of MEMS wafer level test system

QIAO Yu-e, LIU Yan, CHENG Xiao-hui, DING Li-qiang, DING Chen, LIANG Fa-guo

(The 13th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Shijiazhuang 050051,China)

Wide application of MEMS products makes it necessary to study on wafer level testing technology.Domestic & international present situation of hardware of MEMS wafer level test system and testing technology of MEMS wafer level are analyzed.Referring to RM8096/8097 reference material(RM),a preliminary solution for calibration problem of system is given.Trend of standardization and modularization that testing system can expand in the future is pointed out.

MEMS;wafer level test system; testing technology; reference material(RM)

2016—03—04

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0001—03

TB 972

A

1000—9787(2016)10—0001—03

喬玉娥(1980-)女，河北石家莊人，碩士，高級工程師，主要研究方向為電磁計量和半導體器件測試。

綜述與評論