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(dǎo)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(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多個學(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，參照下表中的RM 8096和RM 8097，給出了國內(nèi)現(xiàn)有問題的解決方案。
MEMS晶圓級測試系統(tǒng)硬件
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。
MEMS晶圓級測試技術(shù)
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. 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、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。
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(xué)參數(shù)開展了大量研究，下面逐一闡述。
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。客戶可以通過將標準物質(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1.5μm的化合物半導(dǎo)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(dǎo)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通過基于電物理技術(shù)、加上RM8097通過光機械技術(shù)，應(yīng)用臺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(xué)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(xué)激光干涉儀和針式表面光度計或同類儀器。MEMS計算器可對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)。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。
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，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。
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(fēng)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(xué)、發(fā)光、振動、流體、壓力、溫度、化學(xué)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。
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)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；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。
圖1 有無晶圓級測試條件下總成本對比
國際上主流的MEMS開發(fā)廠商，如美國的德州儀器（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(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，準確度最高達±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，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(xué)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。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(dǎo)體探針測試臺可以檢測探卡的電學(xué)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500GΩ。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(dǎo)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0.02～0.03pF。綜上，國內(nèi)此類結(jié)構(gòu)的探卡在機械性能和電學(xué)性能方面均滿足MEMS晶圓級測試系統(tǒng)批量測試的要求。