MEMS晶圓級全自動動態4D原位測量技術-MPI&英鉑探針臺解決方案返回列表

微機電系統（MEMS）的使用已經在航空、汽車、生物醫學、消費品、醫療和電信等行業變得越來越普遍。在晶圓級別測試階段，早期的MEMS設備測試至關重要，為確保高產量和可靠性，并且要以低成本實現，需要先進的光學測量技術，而電氣測試無法實現這一點。

本文介紹了一種使用自動或半自動探針臺與激光多普勒振動計相結合的光學測量技術，可以在晶圓級別對MEMS器件進行動態響應測量。該技術可以實現高精度的實時動態響應測量，標準儀器的頻率帶寬高達25MHz，專業設置的頻率帶寬高達6GHz。該解決方案基于晶圓處理、晶圓探測、樣品激發、光學測量、過程控制和數據處理等成熟技術組件。本文還介紹了幾個特性研究的例子，以證明該技術在典型應用領域的有效性。

光學測量系統

為了對MEMS器件進行光學表征，可以使用多種測量技術和商業解決方案來測量各種物理特性，如尺寸、薄膜厚度、臺階高度、橫截面、粗糙度、應力、靜摩擦、彈性模量、響應時間和熱性能等?；竟鈱W顯微鏡具有數字圖像處理功能，可以提供尺寸分析和變形測量，而更先進的光學測量系統可以針對特定功能進行定制，如3D形狀測量、動態響應、高橫向分辨率和/或高垂直分辨率。由于光學測量是一種非接觸測量原理，因此非常適用于晶圓級測試。

如果需要實時功能來表征設備的動態機械特性，激光多普勒測振（LDV）是一種合適的方法，可以提供最高的位移分辨率，但受到光的散粒噪聲的限制。集成了激光多普勒振動計的光學微系統分析儀是MEMS器件動態響應測量的理想工具，因為MEMS器件通常涉及用于傳感和驅動的主動移動元件。動態響應測量提供了一些關鍵信息，這些信息僅通過電氣測試無法確定，例如微鏡的穩定時間動態、諧振器的位移幅度和懸臂梁的諧振頻率等。為了實現精確、實時和高分辨率的非侵入式測量，除了可用于面外測量的掃描激光多普勒振動計外，還可以選擇使用頻閃視頻顯微鏡和白光干涉儀等技術，以增加對靜態形狀的表面形貌測量功能。

目前該儀器在整個MEMS社區中被用于對微鏡、懸臂梁、加速度計、陀螺儀、執行器、射頻開關、超聲波換能器、噴墨器、擴音器、壓力傳感器、諧振器等器件進行表征。應用范圍包括以下幾個方面：

1、動態測試：對器件的響應進行動態測試，以確定機械參數，如共振頻率、剛度以及在施加特定物理刺激后的減震效果。

2、材料參數模型識別：基于振動測量數據，識別材料參數模型，例如用于測定MEMS膜的材料應力。

3、設計驗證：通過測量性能與預期有限元模型的一致性，對設計進行驗證。

4、沉降時間測量：測量沉降時間動態，以確定精確的運動與時間關系，并呈現響應的3D可視化效果。

5、校準：在廣泛的運動和頻率范圍內，校準執行器和傳感器的位移與驅動電壓之間的關系。

6、表征制造過程：進行形貌測量，確定制造過程后的特征，如形狀、幾何形狀、曲率、粗糙度、臺階高度、薄膜應力、分層等。

本文介紹了完整晶圓級測試站的技術組件，包括探針臺和激光多普勒振動計，樣品激勵方案以及展示該方法多功能性的典型應用。理解操作原理對于了解該技術的潛力、優勢和局限性非常重要。文章對該技術進行了詳細總結，并通過示例展示了如何將上述技術用于關鍵應用。（圖1）

圖1展示了MEMS晶圓級測試中不同振動計應用的分類

激光多普勒振動儀

激光多普勒振動儀是一種使用激光技術來測量振動結構上選定點的速度和位移的光學儀器。激光振動儀具有無接觸量測、不受表面特性或環境條件影響等特點。激光束的聚焦能力可以達到低于1微米的斑點直徑，可用于研究光學顯微鏡下可見的MEMS結構。激光多普勒振動儀具有廣泛的頻率范圍（從直流到GHz級），高動態范圍（超過170 dB）和大振幅范圍（從0.01微米/秒到150米/秒），可用于全息和其他技術的測量。

激光多普勒振動儀利用多普勒效應，通過測量從移動目標反向散射的光傳遞的信息，獲得運動量、速度和位移等參數。光波的相位受到表面位移的調節，而瞬時速度則會改變光波。通過干涉技術，將接收到的光波與參考光波混合，使兩者在光探針器處重新組合。改進后的Mach-Zehnder干涉儀的基本布置如圖2所示。

圖 2：改進型馬赫-曾德爾干涉儀的光學原理圖

LDV測量儀器可以擴展到3D振動計的設置，從而提供面外和面內運動的pm分辨率。LDV的一個具體特性是它在單個點進行測量，而不像使用視頻干涉測量技術那樣捕捉整個場景。對于晶圓級的在線檢測來說，單點測量是迄今為止提取特征機械參數最快的方法。然而，如果需要使用掃描鏡在X和Y方向上偏轉激光測量光束，LDV技術就可以擴展到全區域掃描。

下面是圖3，顯示了帶有2D掃描鏡M的原理圖。激光測量光束可以定位在實時顯微鏡視頻上可見的任何點。這項技術用于逐點掃描區域，以測量結構的速度場。每個點的相位是通過同時測量附加參考通道（通常是由內部信號發生器產生的驅動信號）來確定的。根據這些數據，可以計算出3D偏轉形狀。結果包括結構上速度和/或位移場的映射，可以在頻域或時域中顯示響應的3D動畫。

圖 3：顯微鏡掃描激光測振儀的光學布局

最近的發展是通過結合紅外相機實現紅外短相干光源，將這種方法擴展到硅蓋帽MEMS中的光學振動測量。復雜的深度掃描允許將測量平面精確定位在設備的移動組件處，并抑制來自設備的所有其他非移動功能層的干擾貢獻。因此，這種方法可以在MEMS的開發和制造過程中對所有相關點進行測量，并在最終封裝之前進行檢查。

晶圓級測試可選擇手動或自動的探針臺。為了不受限制地觀察被測試器件（DUT）并將探針與測試墊對準，放置在卡盤上的晶圓探針臺上配備了光學對準顯微鏡。電探測可以采用多種方式，從直流信號到高頻射頻信號不等。此外，觸點的數量也可以根據需要進行調整，從簡單的手動探針定位器到需要探針卡的多個探針。有時，在探測區域上方放置其他儀器是必要的。例如，在光學測試中，可能需要使用不同尺寸的積分球來收集設備發射的光。如果設備對光敏感，還可以使用特定的光源進行刺激?；蛘?，對于非光學組件，可以使用磁鐵進行激勵。

光學分析工具可以測量DUT的機械特性和行為，例如3D運動或形貌。MEMS是這類器件的一個典型例子，其可以通過電刺激實現自動運動。在手動探針臺上，如果可以直接觀察到探針尖端和焊盤，可以輕松地使用測量相關的顯微鏡替換標準對準顯微鏡。

對于自動探針系統，顯微鏡與相機結合使用以實現自動晶圓對準，這對于自動晶圓測試至關重要。無論是手動還是自動探針系統，顯微鏡的首要任務是正確對準晶圓并將探針與焊盤匹配。隨后，在探針臺自動跨越晶圓時，顯微鏡需要切換到不同的儀器進行測量。

MPI提供兩種自動化晶圓測試的解決方案，即可更換的顯微鏡橋和離軸對準相機。

可更換的顯微鏡橋采用模塊化設計，可以在兩個位置之間快速切換，以支持晶圓對準或使用所需的測量儀器。位置的切換可以手動或自動完成，當測試盒中有多個晶圓時，需要完全自動化的測試能力。顯微鏡橋具有卓越的穩定性，可以承載兩個X、Y、Z線性驅動單元和附加的儀器。根據需要，可以在顯微鏡橋上放置不同的標準顯微鏡驅動單元，從簡單的X、Y、Z平臺到重型電動示波器支架。（圖4a）

圖4b：通過自動聚焦和重新聚焦，可確保出色的信號和數據質量

激發固有頻率

激發固有頻率振動測量的先決條件是對其進行激發。某些傳感器，如壓電層或電容梳結構等功能元件，可以自然地激發振動，例如共振器或慣性傳感器。然而，許多傳感器（如基于膜的傳感器）沒有用于產生機械力的功能元件。對于這種被動傳感器，振動必須由外部激發。有兩種不同的方法。一種是通過激光熱激法來激發傳感器結構的振動；另一種是通過靜電激發在高達10 MHz頻率范圍內進行激發。對于后一種方法，將連接到高壓放大器的電極放置在距離傳感器表面幾微米處。電極由透明材料氧化銦錫（ITO）制成，并安裝在玻璃載體上，以實現最大程度的靜電力，同時不干擾測振儀的光束路徑。此外，由于振動測量法具有極高的測量靈敏度，因此可以測量僅由環境熱噪聲激發的結構的共振頻率，例如建筑物。這種方法也用于標定原子力顯微鏡（AFM）探針尖端。

振動測量的有效應用性

振動測量的應用廣泛，除了用于傳感器功能測試（例如諧振器），還可以用于檢測制造缺陷，如膜裂紋，并通過測量和仿真數據間接識別幾何和材料參數。IMMS開發的軟件解決方案可以通過優化算法自動確定傳感器參數，從而減少設置工作并使非專家用戶輕松獲取廣泛的傳感器參數。

振動法與其他非連接、非破壞性測量方法相比，提供了很多重要優勢，其中之一是可以確定材料參數，如楊氏模量和材料應力。另一個優勢是它可以在整個生產過程中（從晶圓生產到封裝）用于質量控制。

好/壞分類：

一個簡單的應用是通過使用具有良好和有缺陷的參考傳感器的“學習階段”，對傳感器進行好/壞分類。如果正常功能的傳感器和有缺陷的傳感器的固有頻率不同，那么通過對大量良好參考傳感器進行測量，可以確定標準偏差，并將其作為傳感器生產中好/壞分類的標準。

對于具有對稱結構（例如圓形或方形膜）的傳感器，在名義上對稱的情況下，會存在許多固有頻率對，它們在相同值下相互錯位。而在不對稱的情況下，這些頻率對會發生分裂。這種分裂頻率對可以用于檢測缺陷，例如膜裂紋或不對稱材料應力，這可能在封裝過程中發生。IMMS開發了一種頻率響應后處理工具，可以檢測這種分裂。（見圖5）

參數識別：

參數識別方法主要基于通過固有頻率的振動測量和模態分析的仿真數據來確定與幾何形狀和材料有關的感興趣參數。通過優化算法，可以根據后處理工具內的測量數據確定傳感器參數。（見圖6）

圖6：參數識別方法

根據研究的結構，這個過程通?？梢宰R別一個到三個參數。然后，可以從要識別的參數數量推導出需要測量的最小自然頻率數量。如果測得的固有頻率多于必需的固有頻率數量，則可以從中確定估計的參數識別誤差（EIE）。

從測得的頻率響應中，可以提取參數的固有頻率、幅度和品質因數的值；如果有多個測量點，還可以提取形態信息。參數識別始終使用固有頻率值。如果感興趣的是對腔體內部壓力的確定，那么品質因數也會考慮在參數識別中。特別要考慮相鄰頻率下的振型關系，因為材料應力的影響可能導致標稱序列的變化。所有感興趣的參數都可以根據頻率值、質量和形態來確定。因此，不需要額外考慮頻率幅度；此外，避免了依賴于激勵的振動幅度的復雜計算（特別是如果該計算是在外部完成的）。

識別階段：

參數識別過程可以分為三個階段。首先，必須檢查是否可以以所需的分辨率使用該方法確定所尋求的參數。因此，在進行參數識別之前，需要進行靈敏度分析，以確定固有頻率相對于感興趣的參數的靈敏度。對于簡單的結構或基礎研究，可以使用解析公式；對于更復雜的結構，有限元 (FE) 程序提供適當的靈敏度分析。如果研究的結構不具備所需的靈敏度，那么可以使用專門設計的測試結構來確定所需的參數。（見圖7）

為了了解傳感器，首先是進行表征階段，然后采用密集測量點網絡進行頻率測量。同時，選擇適當的頻率模式進行識別和驗證，并在必要時調整有限元模型。在第三個階段，也是最后一個階段，優化了針對晶圓生產的過程，旨在最大程度地減少測量點數量和測量時間（通常小于一秒）。

下面是一個示例，說明參數識別的過程?？梢酝ㄟ^計算具有材料應力的簡支二次膜的固有頻率公式，很好地說明這一點（基本假設是其他夾緊條件不會改變參數依賴性）。該公式描述了固有頻率(fm,n)與楊氏模量(E)、密度(ρ)、泊松比(ν)、膜高度(h)、尺寸(a)以及固有應力(σ)之間的關系：

fm,n=12aρ(m2+n2)σ+Eh2(m2+n2)2π212a2(1-ν2)

與參數識別相關的是幾何項與應力項之間的比率。如果幾何項與應力項的比率非常大，比如在壓力傳感器中，可以確定給定膜尺寸的膜厚度。對于非常薄的薄膜傳感器，如麥克風或熱電堆，這個比率是相反的。由于應力項相對于幾何項非常大，因此可以準確識別材料應力。

測試結構的開發也是重要的。為了使用測量的固有頻率來確定材料或幾何參數，必須滿足先決條件，即固有頻率對于所關心的傳感器參數具有函數依賴性，并且多個參數之間必須彼此線性無關。如果給定的傳感器結構不能滿足這些先決條件，可以通過設計專門用于振動測量或兩種不同結構組合評估的測試結構來進行參數識別。

一個例子是無應力方形膜結構的厚度和尺寸之間的線性相關參數。通過固有頻率值，只能確定厚度與尺寸的比率，而不能確定它們的實際值。如果模型輸入變量的工藝相關公差（例如氫氧化鉀蝕刻過程中的膜尺寸）意味著標稱參數（例如膜厚度）的識別實際上也涉及其他參數的識別，那么無法精確確定感興趣的參數。解決膜厚度識別問題的方法是使用兩個不同尺寸矩形測試結構的組合評估。通過測量兩個不同尺寸矩形膜的前三個固有頻率，可以確定膜的厚度和尺寸。

另一個例子是通過基于梁的結構，結合評估不同結構的測量數據，來識別楊氏模量和材料應力。由于在兩側夾緊的梁上無法同時高精度地確定楊氏模量和材料應力，可以先在自由懸臂上確定楊氏模量，然后在夾緊梁上確定材料應力。

綜上所述，先進的晶圓級測試系統可用于MEMS器件生產中的工業質量保證，以驗證機械功能組件的正確運行。激光多普勒測振儀是一種用于實時寬帶測量動態響應的工具，其分辨率可達皮米級。本文提供了在晶圓級快速、自動化生產測試中如何利用LDV的示例，以提高產量并最終降低產品成本。

MSA-600

TS2000-SE

產品介紹：

MPI的TS2000-SE/8寸半自動探針臺是具有創新功能的200mm自動化晶圓測試系統，其包含獨特的側面自動裝卸功能和超高屏蔽下的超低噪聲環境。

特色功能：

MPI的TS2000-SE/8寸半自動探針臺發布新功能，側面帶有VCE，可完美解放您的雙手，實現精準定位，完成自動扎針，使測試過程更加方便快捷。

產品概要：

1、ShielDEnvironment

MPI ShielDEnvironment是一個高性能的微屏蔽暗箱，可為超低噪聲，低電容測量提供出色的EMI和不透光的屏蔽測試環境

2、自動化晶圓裝載系統

該功能提供了非常方便的晶圓裝載，并且易于針對自動程序進行預對準，可支持100mm、150mm、200mm等不同尺寸的晶圓，針對高低溫環境下可提高測試效率

3、ERS獨特的 AC3冷卻技術

MPI旗下全系列探針臺系統均采用ERS的AC3冷卻技術和自我管理系統，可使用回收的冷卻空氣吹掃MPI ShielDEnvironment，可大幅減少30%至50%的空氣消耗

4、側視影像系統(VCE)

借助MPI8寸探針臺獨特的自動側視– VCE影像系統可視化的觀察探針針尖與樣品之間的接觸，使用DC或RF等探針卡非常安全

技術優勢：

1、模塊量測 - DC-IV / DC-CV / Pulse-IV

2、射頻和毫米波 - 26 GHz 至 110 GHz 及以上

3、失效分析 - 探針卡 / 節間探測

4、可靠性測試 - 熱/ 冷 / 長時間測試

5、高功率測試 - 至高 10 kV / 600 A

6、MPI ShielDEnvironment™ 屏蔽環境，專為 EMI / RFI / Light-Tight 屏蔽所設計的精密量測環境

7、支持飛安級低漏電值量測

8、支持溫度范圍 -60 °C 至 300 °C