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(dāng)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。
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(zhǔn)確度最高達±1%。
2. 專用探針卡
探卡是連接芯片管腳和標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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。
