一文了解MEMS晶圆级测试系统

微机电系统（MEMS）属于21 世纪前沿技术，是对MEMS加速度计、MEMS 陀螺仪及惯性导航系统的总称。MEMS 器件特征尺寸从毫米、微米甚至到纳米量级，涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多个学科。在产品的研制方面，能够显著提升装备轻量化、小型化、化和集成化程度，因此应用极为广泛。MEMS 产品制造与经典的IC 区别在于其含有机械部分，封装环节占整个器件成本的大部分，如果在终封装之后测出器件失效不但浪费成本，还浪费了研究和开发（R&D）、工艺过程和代工时间，因此，MEMS产品的晶圆级测试在早期产品功能测试、可靠性分析及失效分析中，可以降低产品成本和加速上市时间，对于微机电系统产业化非常关键。

晶圆级测试技术应用于MEMS产品开发全周期的3个阶段：（1）产品研发（R&D）阶段：用以验证器件工作和生产的可行性，获得早期器件特征。（2）产品试量产阶段：验证器件以较高成品率量产的能力。（3）量产阶段：化吞吐量和降低成本。本文分析了国内和国际MEMS晶圆级测试系统硬件和系统技术现状，参照下表中的RM 8096和RM 8097，给出了国内现有问题的解决方案。

MEMS晶圆级测试系统硬件

1. 测试系统

正如引言所说，一般MEMS产品的成品率比IC产品要低很多，成本分析发现60%～80%的制造成本来自于封装阶段，图1中当成品率为50%时，采用晶圆级测试的芯片能节省30%总成本，可见采用晶圆级测试技术，可以极大降低MEMS量产成本，提高器件可靠性。

图1 有无晶圆级测试条件下总成本对比

国际上主流的MEMS开发厂商，如美国的德州仪器（TI）、模拟器件（ADI）、飞思卡尔半导体（Freescale）、Silicon Microstructures（SMI）公司，欧洲的Robert Bosch、意法半导体（ST），日本的丰田电装（DENSO）、欧姆龙（Omron）公司等均配备与MEMS晶圆级产品配套测试系统。

国内而言，某些高校均建立了服务于自身MEMS生产线的晶圆级测试系统，如清华大学、北京大学、复旦大学、东南大学、哈工大等；一些科研院所亦然，如中国电科49所、13所、26所、46所等。测试系统根据产品特点结构和功能各异，其中，航天新锐公司在MEMS晶圆级测试系统的研制方面优势明显，推出了LS1100系列MEMS晶圆片全参数自动测试系统。测试产品包括流量计、加速度计、陀螺仪等。测试系统由探针台和一系列测量仪器，用于测量晶圆片的动态参数和静态参数。系统测试速率达到8s/芯片；圆片为6 in（1 in=2.54 cm）；参量包括微小电容（10aF）、电阻（1Ω～1GΩ）、固有频率（20kHz）、品质因数（200000）、带宽（10kHz）共5种，准确度达±1%。

2. 专用探针卡

探卡是连接芯片管脚和标准仪器必要手段，是晶圆级芯片自动测试的部分。

国际上，早在1995年，Beiley M等人提出了一种阵列结构的薄膜式探卡，该探卡采用聚酰亚胺作为薄膜，并将探针做到薄膜当中；2002年，由Park S等人提出利用了Ⅲ型硅片研制的悬臂梁结构探卡，可以承受一定的接触力，并能使探针针尖产生足够的位移，因此，目前国际上通用的探卡形式为该种形式。

国内而言，生产商使用MEMS悬臂梁式芯片测试探卡开展晶圆级测试工作。探卡的主要性能包括机械方面以及电学方面特性。探卡的机械特性主要通过检测悬臂梁的弹性系数来测量。近年来，纳米压痕技术已经成为MEMS结构机械特性测试的一个重要手段。利用Nano Indenter XP纳米压痕系统，在探针针尖上施加一个逐步增大的接触力，可得力—位移曲线，加载与卸载过程的力-位移曲线几乎重合，说明悬臂梁在整个受力过程中没有产生塑性变形。利用半导体探针测试台可以检测探卡的电学特性。开路状态时，在相邻两个悬臂梁针尖上加上20 mV的直流电压，测得漏电流仅为0.04 pA，即开路情况下相邻悬臂梁探针之间的绝缘电阻高达500GΩ。而在探卡针尖相互短接时，可以测得通路电阻约为1.6 Ω。也就是说，对于一个悬臂梁，其探卡背面的针尖到探卡正面的引线点的互联电阻仅为0.8 Ω，这已达到目前芯片测试的基本要求。另外，利用一种半导体参数测试仪（HP4284A）测试了相邻两个探针引线焊盘之间的寄生电容，结果仅为0.02～0.03pF。综上，国内此类结构的探卡在机械性能和电学性能方面均满足MEMS晶圆级测试系统批量测试的要求。

MEMS晶圆级测试技术

1. 国际现状

国外MEMS发展非常重视基础技术尤其是测试技术的建设，建立了相应的实验室，如美国的MCNC、SANDIA国家实验室、德国的BOSCH实验室等。此外，成立于2003年的MEMUNITY是微系统测试技术领域的国际性组织，主要研究微机械产品的计量与测试。通过研究晶圆级测试技术所用的装置，降低MEMS产品生产成本，推动微电子机械系统的商业化。该组织主要目标是了解下一代微机电系统机械和电性能的测量技术进展，讨论晶圆级测试策略和标准化问题。晶圆级测试技术领域取得了多项研究成果。近，MEMUNITY完成了协同PAR-TEST项目的工作，项目的成果是开发出了一种集成式晶圆级MEMS器件测试系统。该测试系统是一种半自动探测系统（SUSS PA200），具有、自动的定位和圆片绘图功能，通过一个静电探针卡驱动膜片，利用一个激光多普勒计测量面外运动。通过测量本征频率可以提取特征参数，所得到的数据结果用于优化器件设计和制造工艺，以及确定好坏的管芯测试。

2. 国内现状

我国MEMS晶圆级测试技术研究始于20世纪90年代初，经过20年的发展，初步形成了几个研究力量比较集中的地区，如京津、华东、东北、西南、西北地区等。由于MEMS晶圆级测试的对象为立体微结构，其测试技术与传统IC晶圆测试相比有很大不同，难点主要体现在3个方面：待测芯片为纯机械结构，无任何电路元件；芯片的信号非常微弱，如电容量仅为aF级，提取困难，抗干扰能力差；测试项目除了静态测试之外，还需要大量动态指标测试，如谐振频率、阻尼系数、带宽等。前文中提及国内航天新锐的测试技术处于国内地位，特别是采用低寄生参数探针、专用微小电容检测电路、检测电路与探卡集成、屏蔽与隔振、寄生参数补偿五种技术减小寄生参数对待测电容的影响，实现微小电容检测。

MEMS测试系统验证

目前，国内MEMS晶圆级测试系统主要开展的是晶圆片电参数的测量，而国际上针对此部门的研究已经趋于成熟，国际上针对芯片和产品的力学参数开展了大量研究，下面逐一阐述。

1. 国际验证方案

国际上采用美国国家标准技术研究院的Janet Cassard提出的提供了一种五合一的标准物质（reference material, RM）解决MEMS晶圆级测试系统的验证。这种标准物质是一种独立具有测试结构的芯片，这种测试结构是通过五种标准的测试方法获取材料和空间特性的。客户可以通过将标准物质在本机构测试系统中的测试数据与此标准物质在NIST（国家标准技术研究院）的同一测试系统中所得数据进行比对来进行溯源。此外，五合一MEMS还可以应用于过程测量及验证、客户系统本地测量、实验室比对、纠纷及仲裁、仪器的校准等方面。

MEMS五合一芯片是用以测量空间和材料特性的NIST标准物质，分为RM8096和RM8097。RM8096是用1.5μm的化合物半导体（CMOS）工艺线和显微机械加工刻蚀制成的。据报道此标准物质的每一层均为化合物氧化层。RM8097是由多层表面显微机械加工MEMS多晶硅的背面刻蚀技术制成，其中、第二层的多晶硅材料特性是公开报道的。

“五种标准测试方法”用于MEMS五合一芯片的特性测试，分别为：杨氏模量、台阶高度、残余应变、应变梯度以及平面长度。其中，杨氏模量和台阶高度的测试方法已经在“国际半导体仪器和材料（SEMI）”被报道，而残余应变、应变梯度、平面长度三者的测量方法由“美国国际测量&材料联合社（ASTM）”公开报道，上述每种测量方法均有一系列的准确度和修正数据。

“8个技术特性”是标准物质证书中具有代表性的典型参数，即前文叙述中提到的五种加上以下三种：残余应力、应力梯度、横梁厚度。残余应力和应力梯度是通过杨氏模量测试方法计算得到的；横梁厚度特性是利用RM8096通过基于电物理技术、加上RM8097通过光机械技术，应用台阶高度测量方法获得的（在NIST特刊SP260—177中提及）。因此，五种测试方法可以用于获得8个技术特性参数。

正如列举的各个测试方法所涉及的，杨氏模量的测试方法使用的是光学振动计、频闪观测仪的激光干涉仪或同类仪器。其它四种测量方法使用的是光学激光干涉仪和针式表面光度计或同类仪器。MEMS计算器可对MEMS特性参量进行数据分析。在每一个数据分析表单的下方有检定区。如果所有的相关单元均显示“OK”，则数据验证通过；否则，特定区域会提示“修正数据并重新计算”。

每一个“五合一芯片”均附带标准物质证书一份，包括相应数据分析表单、五种测量方法和NISTSP260-177。附带的相应数据分析表单给出了对应测量方法的特殊测试结构，同时包括用于在NIST获取标准物质证书中测量结果的原始数据。SP260是一本全面的MEMS五合一用户使用手册；它列出了基于NIST相同测量结构的同一SEMI或ASTM标准测量方法；同时，推荐一种可与NIST标准物质证书相比较的测量方法，以验证用户文件标准测量方法的正确性。

2. 国内验证手段

我国目前已经购置或组建多台MEMS晶圆级测试系统，验证手段尚处于空白阶段。由于国内尚无针对此类专用测试设备的标准物质和标准样片，因此，测试系统的准确度和一致性验证问题尚未解决，仍停留在“单台仪器拆分计量”的层面，未开展系统的整体校准工作，各系统参数无法溯源到探针端面，难以保证MEMS产品参数的准确和一致性，为产品质量埋下隐患。

存在的差距

无论从硬件组成还是从测试技术和验证手段比较，目前我们与国际还有一定的差距，主要体现在3个方面：

1）缺乏标准化测试硬件系统。尽管早期测试有诸多好处，但对大部分制造商来说很难找到标准化、独立运行的测试系统，且尚无同一的测试标准可依循。MEMS测试必须通过添加适当的模块进行非电激励输入测量和非电信号输出检测，晶圆探针可以被扩展成一个开放的、通用的测试平台，根据测试需要可以方便地调整。整个开放平台可以用于测试不同的产品如：压力传感器、微麦克风和微镜等。

2）测试技术有待提高。在激励信号方面，除了电激励和电测试之外，器件可能还需要进行声学、发光、振动、流体、压力、温度、化学或动力激励输入；在测试平台方面，器件可能需要开放的平台且在受控的环境中测试才能保护器件不受环境的损伤或正确地在封装的环境内激励器件。MEMS器件的晶圆级测试可以在测试所需的真空中或在特殊的气体环境中操作，需要可控的测试环境。

3）系统验证手段空白。目前国内的测试系统鉴于晶圆级测试的微观性和用于探针末端的标准样片的缺乏，无法从准确度方面对其进行量值传递，从而难以保证其溯源性，无法发挥晶圆级测试的优越性，难以保障剔除芯片的合理性和准确性。

结束语

自20世纪60年代微机械技术诞生以来，MEMS晶圆测试技术随着MEMS产品的发展而逐渐成熟，随着制造器件实用化、高可靠性、成本低廉的要求，测试系统出现了如下发展趋势：未来MEMS晶圆级测试系统向着标准化、模块化的开放式平台发展；在参数级计量测试方面，急需利用MEMS或IC技术研制高稳定性标准样片，是行之有效的校准方案；在产品级测试方面，参照NIST的MEMS五合一测试芯片，急需通过对MEMS芯片添加外围电路形成模块化的标准测试平台的手段，解决非电信号激励下的测试难题，研制符合相应激励信号测试的标准物质，与国际NIST标准接轨，进一步赶超国际水平，提升我国MEMS晶圆级测试的整体水平。