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用于快速测试大型MEMS阵列的三项技术

时间：2010-6-8 10:18作者：乏味阅读(1610) 评论: 0

导读：基于MEMS的产品正在蓬勃发展，这在游戏控制器、移动电话等汽车和消费类电子产品中尤为突出。其他产品要想复制这些成功模式，不仅需要优秀的MEMS设计和工艺，同时也需要对MEMS的功能和可靠性进行精确并有效的测试。

基于MEMS的产品正在蓬勃发展，这在游戏控制器、移动电话等汽车和消费类电子产品中尤为突出。其他产品要想复制这些成功模式，不仅需要优秀的MEMS设计和工艺，同时也需要对MEMS的功能和可靠性进行精确并有效的测试。比利时的研究人员展示了高效、快速测试MEMS产品的可行性：已开发出三种自动光学技术，可用于度量、成品率、功能和可靠性测试，目前的应用是面积为10cm²的大型单片MEMS器件，具有1千1百万个微镜组成的阵列。

对测试工程师来说，MEMS器件的测试是一项巨大的挑战。与CMOS器件不同，MEMS通常带有可动部件。这样，除常见的电失效机制外，还有额外的“机械”失效机制：例如疲劳、蠕变、粘结、自运动。另一个与MEMS相关的难题是承载器件的封装腔体。因此还需要考虑与此相关的封装失效：放气、密封性、封装引起的应力等等。特别是小腔体的密闭性测试尤为困难。

目前很多用于MEMS的测试设备进行的主要是光学和电学测量。然而，可实现自动化、无损且低成本测试的理想工具尚未出现。比利时研究机构IMEC的研究人员在现有的设备上进行了开创性的开发，向理想的MEMS测试工具迈进一步。

研究人员挑战的是具有1千1百万微镜的阵列，该阵列在高压模拟CMOS顶部通过自有的SiGe微镜阵列技术完成。几项新技术主要针对器件表面、成品率和可靠性进行检测。

自动晶圆级形貌测试

与所有MEMS一样，可动部件的形貌对微镜来说也非常重要。最常用的工具是在垂直方向上扫描其光学干涉条纹，这是一种快捷的方法。然而，这种工具主要采用手动调整，可用来研究单独的器件，并没有装配可以扫描大面积——我们研究的微镜芯片面积为10cm²——范围大量相同MEMS的功能。因此我们对系统进行了一些调整：（1）为干涉仪加装自动移动的X-Y晶圆平台，可以移动晶圆。每个视场（50倍物镜）内具有165个微镜，因此66.181次无重复的视场移动可以覆盖整个阵列。（2）开发出软件（基于Matlab 7.3.0）可以在晶圆范围内移动系统并采集每一视场内的数据。（3）采用图像识别软件检测每一视场内的单个MEMS器件。实现这一目的需要采用一组模板作为基准，可以是MEMS阵列的照片，甚至设计版图。（4）数据分析软件将每个器件的测量参数与预先定义的参数进行比较。在微镜应用中，可以衡量每一个微镜的镜面弯曲、倾斜和脱离。可动的微镜应该保持尽量平整。（5）特定的软件可用来将每一视场的图像拼接起来。

这里描述的方法虽然针对的是微镜阵列，但可以推广到其他关注表面信息的应用中。可用于阵列、芯片或者晶圆级测量。

图1. 比利时的研究人员开发出可快捷测量和分析百万个MEMS器件的新方法，在具有1千1百万微镜阵列上进行了演示。

图2. 可动的微镜需要尽可能平整。采用新的基于形貌测试的方法，在阵列中，像倾斜、弯曲和垂直偏移这样的缺陷都可被检测出来。以弯曲缺陷为例，将会得到缺陷分布图，其中弯曲的MEMS器件将会被标出，并带有其高度参数。

用于MEMS的全晶圆快速成品率测试

微镜的功能成品率目前是通过在显微镜上加装差分干涉对比光学设备实现。其测量原理是微镜在运动（比如倾斜）和非运动（比如平整）条件下反射的差异。带有半自动晶圆探针的显微镜可以在晶圆上运动定位，提高了整个系统的吞吐率。可以测量出每个器件（运动或非运动状态）反射光的平均灰度。提取视场范围内所有器件的灰度值，之后拼接出在芯片或晶圆上的分布图。这样，可以快速进行成品率测试，并得到芯片或晶圆上图形化的缺陷分布。此外，还可将该信息与早期阶段（比如工艺过程中）进行的其他检测结合起来。

图3. 采用新的全晶圆功能成品率测试工具，基于差分干涉对比显微镜，可以检测出缺陷，甚至能区分出单独和团簇缺陷。

用于MEMS的长期可靠性测试

我们还开发出了基于扫描激光多普勒振动仪和相应软件的光学检测技术。该技术可以自动提取像垂直运动、运动倾斜、共振频率、步进响应等依赖时间的参数。测试的流程如下，首先找到一个可作为模板的器件，之后标记出好的芯片，再定义出扫描的位置，最后在需要扫描的区域之外或者未标记的（比如缺陷的）MEMS位置清除扫描点。例如，可以做出测试微镜的最大可能倾角分布图。

图4. 采用激光多普勒振动仪研究MEMS运动的流程。采用该技术，可以做出测试微镜的最大可能倾角分布图。

这套流程的独特之处在于可以用于长期可靠性测试。为了实现这一目标，在测试时定期补偿系统的偏移非常重要。可以通过自动对焦系统来实现Z轴偏移。对XY轴偏移来说，可以通过检测一个模板器件的位置来探测偏移，之后使扫描点也移动相同的位置。这样可以实现对小尺寸器件的长期监控。在微镜应用中，对共振频率的监控超过3x1012循环（例如超过400小时）。还未发现性能退化，证明了这些器件的高可靠性。

图5. 对单独微镜采用基于扫描激光多普勒振动仪的测试流程，对共振频率进行长期测试（超过400小时）。

结论

我们已经开发出三套基于商用系统的光学检测技术。自行开发的流程和软件可以扩展这些工具的功能和实用性。这些系统的有效性已经在由1千1百万个微镜组成的大型（10cm²）微镜阵列中得到了证明。由于这些系统的内在特性，它们可用于很多MEMS研究中，可以快速、自动化并精确地进行表面（自动晶圆级形貌测试）、功能成品率（全晶圆快速成品率测试），以及依赖时间的功能信息和长期可靠性（扫描激光多普勒振动仪）测试。

AuthorsEls.Parton@imec.be

Els Parton received her engineering degree and PhD in Biological Sciences at the Katholieke Universiteit Leuven (K.U.Leuven), Belgium. She joined IMEC in 2001 as a scientific editor and is jointly responsible for authoring and editing the research organization’s numerous company technical documents and publications. E-mail:

Ingrid De Wolf received the M. Sc. degree in Physics and Ph.D. in Sciences, Physics, both from the "Katholieke Universiteit Leuven”, Belgium. From September 1989 on she joined the Reliability group of IMEC in Leuven, Belgium. She worked in the field of reliability physics of semiconductor devices, with special attention for mechanical stress aspects and failure analysis. From beginning 1999 on, she heads the group Reliability and Modelling (REMO), where research is focused on reliability and failure aspects of MEMS, MEMS-packaging, and (3D)-IC-interconnect and packaging. She is part time professor at the Metals and Applied Materials engineering department of the “Katholieke Universiteit Leuven” in Belgium.

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