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

2023-08-17 11:15:44 英鉑科學(xué)儀器（上海）有限公司

產(chǎn)品：MSA-600、MPI TS2000-SE

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的使用已經(jīng)在航空、汽車、生物醫(yī)學(xué)、消費(fèi)品、醫(yī)療和電信等行業(yè)變得越來越普遍。在晶圓級別測試階段，早期的MEMS設(shè)備測試至關(guān)重要，為確保高產(chǎn)量和可靠性，并且要以低成本實(shí)現(xiàn)，需要先進(jìn)的光學(xué)測量技術(shù)，而電氣測試無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

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(jì)相結(jié)合的光學(xué)測量技術(shù)，可以在晶圓級別對MEMS器件進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)測量。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)時(shí)動態(tài)響應(yīng)測量，標(biāo)準(zhǔn)儀器的頻率帶寬高達(dá)25MHz，專業(yè)設(shè)置的頻率帶寬高達(dá)6GHz。該解決方案基于晶圓處理、晶圓探測、樣品激發(fā)、光學(xué)測量、過程控制和數(shù)據(jù)處理等成熟技術(shù)組件。本文還介紹了幾個(gè)特性研究的例子，以證明該技術(shù)在典型應(yīng)用領(lǐng)域的有效性。

光學(xué)測量系統(tǒng)

為了對MEMS器件進(jìn)行光學(xué)表征，可以使用多種測量技術(shù)和商業(yè)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(yīng)力、靜摩擦、彈性模量、響應(yīng)時(shí)間和熱性能等?；竟鈱W(xué)顯微鏡具有數(shù)字圖像處理功能，可以提供尺寸分析和變形測量，而更先進(jìn)的光學(xué)測量系統(tǒng)可以針對特定功能進(jìn)行定制，如3D形狀測量、動態(tài)響應(yīng)、高橫向分辨率和/或高垂直分辨率。由于光學(xué)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(shí)時(shí)功能來表征設(shè)備的動態(tài)機(jī)械特性，激光多普勒測振（LDV）是一種合適的方法，可以提供較高的位移分辨率，但受到光的散粒噪聲的限制。集成了激光多普勒振動計(jì)的光學(xué)微系統(tǒng)分析儀是MEMS器件動態(tài)響應(yīng)測量的理想工具，因?yàn)镸EMS器件通常涉及用于傳感和驅(qū)動的主動移動元件。動態(tài)響應(yīng)測量提供了一些關(guān)鍵信息，這些信息僅通過電氣測試無法確定，例如微鏡的穩(wěn)定時(shí)間動態(tài)、諧振器的位移幅度和懸臂梁的諧振頻率等。為了實(shí)現(xiàn)精確、實(shí)時(shí)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(jì)外，還可以選擇使用頻閃視頻顯微鏡和白光干涉儀等技術(shù)，以增加對靜態(tài)形狀的表面形貌測量功能。

目前該儀器在整個(gè)MEMS社區(qū)中被用于對微鏡、懸臂梁、加速度計(jì)、陀螺儀、執(zhí)行器、射頻開關(guān)、超聲波換能器、噴墨器、擴(kuò)音器、壓力傳感器、諧振器等器件進(jìn)行表征。應(yīng)用范圍包括以下幾個(gè)方面：

1、動態(tài)測試：對器件的響應(yīng)進(jìn)行動態(tài)測試，以確定機(jī)械參數(shù)，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(shù)模型識別：基于振動測量數(shù)據(jù)，識別材料參數(shù)模型，例如用于測定MEMS膜的材料應(yīng)力。

3、設(shè)計(jì)驗(yàn)證：通過測量性能與預(yù)期有限元模型的一致性，對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

4、沉降時(shí)間測量：測量沉降時(shí)間動態(tài)，以確定精確的運(yùn)動與時(shí)間關(guān)系，并呈現(xiàn)響應(yīng)的3D可視化效果。

5、校準(zhǔn)：在廣泛的運(yùn)動和頻率范圍內(nèi)，校準(zhǔn)執(zhí)行器和傳感器的位移與驅(qū)動電壓之間的關(guān)系。

6、表征制造過程：進(jìn)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(yīng)力、分層等。

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

圖1展示了MEMS晶圓級測試中不同振動計(jì)應(yīng)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(shù)來測量振動結(jié)構(gòu)上選定點(diǎn)的速度和位移的光學(xué)儀器。激光振動儀具有無接觸量測、不受表面特性或環(huán)境條件影響等特點(diǎn)。激光束的聚焦能力可以達(dá)到低于1微米的斑點(diǎn)直徑，可用于研究光學(xué)顯微鏡下可見的MEMS結(jié)構(gòu)。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(tài)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(shù)的測量。

激光多普勒振動儀利用多普勒效應(yīng)，通過測量從移動目標(biāo)反向散射的光傳遞的信息，獲得運(yùn)動量、速度和位移等參數(shù)。光波的相位受到表面位移的調(diào)節(jié)，而瞬時(shí)速度則會改變光波。通過干涉技術(shù)，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(jìn)后的Mach-Zehnder干涉儀的基本布置如圖2所示。

圖 2：改進(jìn)型馬赫-曾德爾干涉儀的光學(xué)原理圖

LDV測量儀器可以擴(kuò)展到3D振動計(jì)的設(shè)置，從而提供面外和面內(nèi)運(yùn)動的pm分辨率。LDV的一個(gè)具體特性是它在單個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，而不像使用視頻干涉測量技術(shù)那樣捕捉整個(gè)場景。對于晶圓級的在線檢測來說，單點(diǎn)測量是迄今為止提取特征機(jī)械參數(shù)較快的方法。然而，如果需要使用掃描鏡在X和Y方向上偏轉(zhuǎn)激光測量光束，LDV技術(shù)就可以擴(kuò)展到全區(qū)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(shí)時(shí)顯微鏡視頻上可見的任何點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)用于逐點(diǎn)掃描區(qū)域，以測量結(jié)構(gòu)的速度場。每個(gè)點(diǎn)的相位是通過同時(shí)測量附加參考通道（通常是由內(nèi)部信號發(fā)生器產(chǎn)生的驅(qū)動信號）來確定的。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出3D偏轉(zhuǎn)形狀。結(jié)果包括結(jié)構(gòu)上速度和/或位移場的映射，可以在頻域或時(shí)域中顯示響應(yīng)的3D動畫。

圖 3：顯微鏡掃描激光測振儀的光學(xué)布局

最近的發(fā)展是通過結(jié)合紅外相機(jī)實(shí)現(xiàn)紅外短相干光源，將這種方法擴(kuò)展到硅蓋帽MEMS中的光學(xué)振動測量。復(fù)雜的深度掃描允許將測量平面精確定位在設(shè)備的移動組件處，并抑制來自設(shè)備的所有其他非移動功能層的干擾貢獻(xiàn)。因此，這種方法可以在MEMS的開發(fā)和制造過程中對所有相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行測量，并在最終封裝之前進(jìn)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(zhǔn)，放置在卡盤上的晶圓探針臺上配備了光學(xué)對準(zhǔn)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(diǎn)的數(shù)量也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從簡單的手動探針定位器到需要探針卡的多個(gè)探針。有時(shí)，在探測區(qū)域上方放置其他儀器是必要的。例如，在光學(xué)測試中，可能需要使用不同尺寸的積分球來收集設(shè)備發(fā)射的光。如果設(shè)備對光敏感，還可以使用特定的光源進(jìn)行刺激?；蛘撸瑢τ诜枪鈱W(xué)組件，可以使用磁鐵進(jìn)行激勵。

光學(xué)分析工具可以測量DUT的機(jī)械特性和行為，例如3D運(yùn)動或形貌。MEMS是這類器件的一個(gè)典型例子，其可以通過電刺激實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)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(guān)的顯微鏡替換標(biāo)準(zhǔn)對準(zhǔn)顯微鏡。

對于自動探針系統(tǒng)，顯微鏡與相機(jī)結(jié)合使用以實(shí)現(xiàn)自動晶圓對準(zhǔn)，這對于自動晶圓測試至關(guān)重要。無論是手動還是自動探針系統(tǒng)，顯微鏡的首要任務(wù)是正確對準(zhǔn)晶圓并將探針與焊盤匹配。隨后，在探針臺自動跨越晶圓時(shí)，顯微鏡需要切換到不同的儀器進(jìn)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(zhǔn)相機(jī)。

可更換的顯微鏡橋采用模塊化設(shè)計(jì)，可以在兩個(gè)位置之間快速切換，以支持晶圓對準(zhǔn)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(dāng)測試盒中有多個(gè)晶圓時(shí)，需要完全自動化的測試能力。顯微鏡橋具有卓越的穩(wěn)定性，可以承載兩個(gè)X、Y、Z線性驅(qū)動單元和附加的儀器。根據(jù)需要，可以在顯微鏡橋上放置不同的標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡驅(qū)動單元，從簡單的X、Y、Z平臺到重型電動示波器支架。（圖4a）

此外，顯微鏡橋可更換并配備了一個(gè)集成的安全開關(guān)，只有當(dāng)儀器處于上部位置時(shí)才允許移動。這一點(diǎn)對于使用單個(gè)定位器以避免潛在碰撞是非常重要的。

當(dāng)只需要固定放大倍率時(shí)，可以使用離軸對準(zhǔn)相機(jī)，這在許多測試情況下都適用。它位于探針臺內(nèi)探測區(qū)域的北部。卡盤移動包括在顯微鏡下方的移動，并執(zhí)行完整的晶圓對準(zhǔn)，類似于使用標(biāo)準(zhǔn)同軸顯微鏡。目前，顯微鏡橋上的空間只能容納一個(gè)檢查顯微鏡。根據(jù)需求，可以配合 Z 運(yùn)動，使用固定、手動或電動的 X、Y 運(yùn)動來對設(shè)備進(jìn)行聚焦。（見圖4b）

圖4b：通過自動聚焦和重新聚焦，可確保出色的信號和數(shù)據(jù)質(zhì)量

激發(fā)固有頻率

激發(fā)固有頻率振動測量的先決條件是對其進(jìn)行激發(fā)。某些傳感器，如壓電層或電容梳結(jié)構(gòu)等功能元件，可以自然地激發(fā)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(chǎn)生機(jī)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(fā)。有兩種不同的方法。一種是通過激光熱激法來激發(fā)傳感器結(jié)構(gòu)的振動；另一種是通過靜電激發(fā)在高達(dá)10 MHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行激發(fā)。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(shí)現(xiàn)較大程度的靜電力，同時(shí)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(huán)境熱噪聲激發(fā)的結(jié)構(gòu)的共振頻率，例如建筑物。這種方法也用于標(biāo)定原子力顯微鏡（AFM）探針尖端。

振動測量的有效應(yīng)用性

振動測量的應(yīng)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(shù)據(jù)間接識別幾何和材料參數(shù)。IMMS開發(fā)的軟件解決方案可以通過優(yōu)化算法自動確定傳感器參數(shù)，從而減少設(shè)置工作并使非專家用戶輕松獲取廣泛的傳感器參數(shù)。

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(yōu)勢，其中之一是可以確定材料參數(shù)，如楊氏模量和材料應(yīng)力。另一個(gè)優(yōu)勢是它可以在整個(gè)生產(chǎn)過程中（從晶圓生產(chǎn)到封裝）用于質(zhì)量控制。

好/壞分類：

一個(gè)簡單的應(yīng)用是通過使用具有良好和有缺陷的參考傳感器的“學(xué)習(xí)階段”，對傳感器進(jìn)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(jìn)行測量，可以確定標(biāo)準(zhǔn)偏差，并將其作為傳感器生產(chǎn)中好/壞分類的標(biāo)準(zhǔn)。

對于具有對稱結(jié)構(gòu)（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(fā)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(yīng)力，這可能在封裝過程中發(fā)生。IMMS開發(fā)了一種頻率響應(yīng)后處理工具，可以檢測這種分裂。（見圖5）

參數(shù)識別：

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

圖6：參數(shù)識別方法

根據(jù)研究的結(jié)構(gòu)，這個(gè)過程通常可以識別一個(gè)到三個(gè)參數(shù)。然后，可以從要識別的參數(shù)數(shù)量推導(dǎo)出需要測量的最小自然頻率數(shù)量。如果測得的固有頻率多于必需的固有頻率數(shù)量，則可以從中確定估計(jì)的參數(shù)識別誤差（EIE）。

從測得的頻率響應(yīng)中，可以提取參數(shù)的固有頻率、幅度和品質(zhì)因數(shù)的值；如果有多個(gè)測量點(diǎn)，還可以提取形態(tài)信息。參數(shù)識別始終使用固有頻率值。如果感興趣的是對腔體內(nèi)部壓力的確定，那么品質(zhì)因數(shù)也會考慮在參數(shù)識別中。特別要考慮相鄰頻率下的振型關(guān)系，因?yàn)椴牧蠎?yīng)力的影響可能導(dǎo)致標(biāo)稱序列的變化。所有感興趣的參數(shù)都可以根據(jù)頻率值、質(zhì)量和形態(tài)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(fù)雜計(jì)算（特別是如果該計(jì)算是在外部完成的）。

識別階段：

參數(shù)識別過程可以分為三個(gè)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(shù)。因此，在進(jìn)行參數(shù)識別之前，需要進(jìn)行靈敏度分析，以確定固有頻率相對于感興趣的參數(shù)的靈敏度。對于簡單的結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)研究，可以使用解析公式；對于更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有限元 (FE) 程序提供適當(dāng)?shù)撵`敏度分析。如果研究的結(jié)構(gòu)不具備所需的靈敏度，那么可以使用專門設(shè)計(jì)的測試結(jié)構(gòu)來確定所需的參數(shù)。（見圖7）

為了了解傳感器，首先是進(jìn)行表征階段，然后采用密集測量點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頻率測量。同時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)念l率模式進(jìn)行識別和驗(yàn)證，并在必要時(shí)調(diào)整有限元模型。在第三個(gè)階段，也是最后一個(gè)階段，優(yōu)化了針對晶圓生產(chǎn)的過程，旨在減少測量點(diǎn)數(shù)量和測量時(shí)間（通常小于一秒）。

下面是一個(gè)示例，說明參數(shù)識別的過程?？梢酝ㄟ^計(jì)算具有材料應(yīng)力的簡支二次膜的固有頻率公式，很好地說明這一點(diǎn)（基本假設(shè)是其他夾緊條件不會改變參數(shù)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(yīng)力(σ)之間的關(guān)系：

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

與參數(shù)識別相關(guān)的是幾何項(xiàng)與應(yīng)力項(xiàng)之間的比率。如果幾何項(xiàng)與應(yīng)力項(xiàng)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(fēng)或熱電堆，這個(gè)比率是相反的。由于應(yīng)力項(xiàng)相對于幾何項(xiàng)非常大，因此可以準(zhǔn)確識別材料應(yīng)力。

測試結(jié)構(gòu)的開發(fā)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(shù)，必須滿足先決條件，即固有頻率對于所關(guān)心的傳感器參數(shù)具有函數(shù)依賴性，并且多個(gè)參數(shù)之間必須彼此線性無關(guān)。如果給定的傳感器結(jié)構(gòu)不能滿足這些先決條件，可以通過設(shè)計(jì)專門用于振動測量或兩種不同結(jié)構(gòu)組合評估的測試結(jié)構(gòu)來進(jìn)行參數(shù)識別。

一個(gè)例子是無應(yīng)力方形膜結(jié)構(gòu)的厚度和尺寸之間的線性相關(guān)參數(shù)。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(shí)際值。如果模型輸入變量的工藝相關(guān)公差（例如氫氧化鉀蝕刻過程中的膜尺寸）意味著標(biāo)稱參數(shù)（例如膜厚度）的識別實(shí)際上也涉及其他參數(shù)的識別，那么無法精確確定感興趣的參數(shù)。解決膜厚度識別問題的方法是使用兩個(gè)不同尺寸矩形測試結(jié)構(gòu)的組合評估。通過測量兩個(gè)不同尺寸矩形膜的前三個(gè)固有頻率，可以確定膜的厚度和尺寸。

另一個(gè)例子是通過基于梁的結(jié)構(gòu)，結(jié)合評估不同結(jié)構(gòu)的測量數(shù)據(jù)，來識別楊氏模量和材料應(yīng)力。由于在兩側(cè)夾緊的梁上無法同時(shí)高精度地確定楊氏模量和材料應(yīng)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(yīng)力。

綜上所述，先進(jìn)的晶圓級測試系統(tǒng)可用于MEMS器件生產(chǎn)中的工業(yè)質(zhì)量保證，以驗(yàn)證機(jī)械功能組件的正確運(yùn)行。激光多普勒測振儀是一種用于實(shí)時(shí)寬帶測量動態(tài)響應(yīng)的工具，其分辨率可達(dá)皮米級。本文提供了在晶圓級快速、自動化生產(chǎn)測試中如何利用LDV的示例，以提高產(chǎn)量并最終降低產(chǎn)品成本。

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