微机电体系(MEMS)归于21 世纪前沿技能，是对MEMS加快度计、MEMS 陀螺仪及惯性导航体系的总称。MEMS 器材特征尺度从毫米、微米乃至到纳米量级，触及机械、电子、化学、物理、光学、生物、资料等多个学科。在产品的研发方面，能够显着进步装备轻量化、小型化、准确化和集成化程度，因而运用极为广泛。MEMS 产品制作与经典的IC 最大差异在于其含有机械部分，封装环节占整个器材本钱的大部分，假如在终究封装之后测出器材失效不光糟蹋本钱，还糟蹋了研讨和开发(RD)、工艺进程和代工时刻，因而，MEMS产品的晶圆级测验在前期产品功用测验、可靠性剖析及失效剖析中，能够下降产品本钱和加快上市时刻，关于微机电体系产业化十分要害。
晶圆级测验技能运用于MEMS产品开发全周期的3个阶段：(1)产品研发(RD)阶段：用以验证器材作业和出产的可行性，取得前期器材特征。(2)产品试量产阶段：验证器材以较高成品率量产的才干。(3)量产阶段：最大化吞吐量和下降本钱。本文剖析了国内和世界MEMS晶圆级测验体系硬件和体系技能现状，参照下表中的RM 8096和RM 8097，给出了国内现有问题的处理计划。
MEMS晶圆级测验体系硬件
1. 测验体系
正如导言所说，一般MEMS产品的成品率比IC产品要低许多，本钱剖析发现60%～80%的制作本钱来自于封装阶段，图1中当成品率为50%时，选用晶圆级测验的芯片能节约30%总本钱，可见选用晶圆级测验技能，能够极大下降MEMS量产本钱，进步器材可靠性。
图1 有无晶圆级测验条件下总本钱比照
世界上干流的MEMS开发厂商，如美国的德州仪器(TI)、模仿器材(ADI)、飞思卡尔半导体(Freescale)、Silicon Microstructures(SMI)公司，欧洲的Robert Bosch、意法半导体(ST)，日本的丰田电装(DENSO)、欧姆龙(Omron)公司等均装备与MEMS晶圆级产品配套测验体系。
国内而言，某些高校均建立了服务于本身MEMS出产线的晶圆级测验体系，如清华大学、北京大学、复旦大学、东南大学、哈工大等;一些科研院所亦然，如中国电科49所、13所、26所、46所等。测验体系依据产品特色结构和功用各异，其间，航天新锐公司在MEMS晶圆级测验体系的研发方面优势显着，推出了LS1100系列MEMS晶圆片全参数主动测验体系。测验产品包含流量计、加快度计、陀螺仪等。测验体系由探针台和一系列丈量仪器，用于丈量晶圆片的动态参数和静态参数。体系测验速率到达8s/芯片;圆片最大为6 in(1 in=2.54 cm);参量包含细小电容(最低10aF)、电阻(1Ω～1GΩ)、固有频率(最高20kHz)、品质因数(最高200000)、带宽(最高10kHz)共5种，准确度最高达±1%。
2. 专用探针卡
探卡是衔接芯片管脚和规范仪器必要手法，是晶圆级芯片主动测验的中心部分。
世界上，早在1995年，Beiley M等人提出了一种阵列结构的薄膜式探卡，该探卡选用聚酰亚胺作为薄膜，并将探针做到薄膜傍边;2002年，由Park S等人提出运用了Ⅲ型硅片研发的悬臂梁结构探卡，能够接受必定的接触力，并能使探针针尖发生满意的位移，因而，现在世界上通用的探卡方式为该种方式。
国内而言，出产商运用MEMS悬臂梁式芯片测验探卡展开晶圆级测验作业。探卡的首要功用包含机械方面以及电学方面特性。探卡的机械特性首要经过检测悬臂梁的弹性系数来丈量。近年来，纳米压痕技能现已成为MEMS结构机械特性测验的一个重要手法。运用Nano Indenter XP纳米压痕体系，在探针针尖上施加一个逐步增大的接触力，可得力—位移曲线，加载与卸载进程的力-位移曲线简直重合，阐明悬臂梁在整个受力进程中没有发生塑性变形。运用半导体探针测验台能够检测探卡的电学特性。开路状况时，在相邻两个悬臂梁针尖上加上20 mV的直流电压，测得漏电流仅为0.04 pA，即开路情况下相邻悬臂梁探针之间的绝缘电阻高达500GΩ。而在探卡针尖彼此短接时，能够测得通路电阻约为1.6 Ω。也就是说，关于一个悬臂梁，其探卡反面的针尖到探卡正面的引线点的互联电阻仅为0.8 Ω，这已到达现在芯片测验的基本要求。别的，运用一种半导体参数测验仪(HP4284A)测验了相邻两个探针引线焊盘之间的寄生电容，效果仅为0.02～0.03pF。综上，国内此类结构的探卡在机械功用和电学功用方面均满意MEMS晶圆级测验体系批量测验的要求。
MEMS晶圆级测验技能
1. 世界现状
国外MEMS展开十分重视根底技能尤其是测验技能的建造，建立了相应的实验室，如美国的MCNC、SANDIA国家实验室、德国的BOSCH实验室等。此外，成立于2003年的MEMUNITY是微体系测验技能领域的世界性安排，首要研讨微机械产品的计量与测验。经过研讨晶圆级测验技能所用的设备，下降MEMS产品出产本钱，推进微电子机械体系的商业化。该安排首要方针是了解下一代微机电体系机械和电功用的丈量技能最新进展，评论晶圆级测验战略和规范化问题。晶圆级测验技能领域取得了多项研讨效果。最近，MEMUNITY完成了协同PAR-TEST项目的作业，项目的效果是开发出了一种集成式晶圆级MEMS器材测验体系。该测验体系是一种半主动探测体系(SUSS PA200)，具有准确、主动的定位和圆片绘图功用，经过一个静电探针卡驱动膜片，运用一个激光多普勒计丈量面外运动。经过丈量本征频率能够提取特征参数，所得到的数据效果用于优化器材规划和制作工艺，以及确认好坏的管芯测验。
2. 国内现状
我国MEMS晶圆级测验技能研讨始于20世纪90年代初，经过20年的展开，开始构成了几个研讨力气比较会集的区域，如京津、华东、东北、西南、西北区域等。因为MEMS晶圆级测验的目标为立体微结构，其测验技能与传统IC晶圆测验比较有很大不同，难点首要体现在3个方面：待测芯片为纯机械结构，无任何电路元件;芯片的信号十分弱小，如电容量仅为aF级，提取困难，抗干扰才干差;测验项目除了静态测验之外，还需求很多动态目标测验，如谐振频率、阻尼系数、带宽等。前文中提及国内航天新锐的测验技能处于国内领先地位，特别是选用低寄生参数探针、专用细小电容检测电路、检测电路与探卡集成、屏蔽与隔振、寄生参数补偿五种技能减小寄生参数对待测电容的影响，完成细小电容检测。
MEMS测验体系验证
现在，国内MEMS晶圆级测验体系首要展开的是晶圆片电参数的丈量，而世界上针对此部分的研讨现已趋于老练，世界上针对芯片和产品的力学参数展开了很多研讨，下面逐个论述。
1. 世界验证计划
世界上选用美国国家规范技能研讨院的Janet Cassard提出的供给了一种五合一的规范物质(reference material, RM)处理MEMS晶圆级测验体系的验证。这种规范物质是一种独立具有测验结构的芯片，这种测验结构是经过五种规范的测验办法获取资料和空间特性的。客户能够经过将规范物质在本组织测验体系中的测验数据与此规范物质在NIST(国家规范技能研讨院)的同一测验体系中所得数据进行比对来进行溯源。此外，五合一MEMS还能够运用于进程丈量及验证、客户体系本地丈量、实验室比对、胶葛及裁定、仪器的校准等方面。
MEMS五合一芯片是用以丈量空间和资料特性的NIST规范物质，分为RM8096和RM8097。RM8096是用1.5μm的化合物半导体(CMOS)工艺线和显微机械加工刻蚀制成的。据报导此规范物质的每一层均为化合物氧化层。RM8097是由多层外表显微机械加工MEMS多晶硅的反面刻蚀技能制成，其间榜首、第二层的多晶硅资料特性是揭露报导的。
“五种规范测验办法”用于MEMS五合一芯片的特性测验，分别为：杨氏模量、台阶高度、剩余应变、应变梯度以及平面长度。其间，杨氏模量和台阶高度的测验办法现已在“世界半导体仪器和资料(SEMI)”被报导，而剩余应变、应变梯度、平面长度三者的丈量办法由“美国世界丈量资料联合社(ASTM)”揭露报导，上述每种丈量办法均有一系列的准确度和批改数据。
“8个技能特性”是规范物质证书中具有代表性的典型参数，即前文叙说中说到的五种加上以下三种：剩余应力、应力梯度、横梁厚度。剩余应力和应力梯度是经过杨氏模量测验办法核算得到的;横梁厚度特性是运用RM8096经过依据电物理技能、加上RM8097经过光机械技能，运用台阶高度丈量办法取得的(在NIST特刊SP260—177中提及)。因而，五种测验办法能够用于取得8个技能特性参数。
正如罗列的各个测验办法所触及的，杨氏模量的测验办法运用的是光学振荡计、频闪观测仪的激光干与仪或同类仪器。其它四种丈量办法运用的是光学激光干与仪和针式外表光度计或同类仪器。MEMS核算器可对MEMS特性参量进行数据剖析。在每一个数据剖析表单的最下方有检定区。假如一切的相关单元均显现“OK”，则数据验证经过;不然，特定区域会提示“批改数据并从头核算”。
每一个“五合一芯片”均顺便规范物质证书一份，包含相应数据剖析表单、五种丈量办法和NISTSP260-177。顺便的相应数据剖析表单给出了对应丈量办法的特别测验结构，一起包含用于在NIST获取规范物质证书中丈量效果的原始数据。SP260是一本全面的MEMS五合一用户运用手册;它列出了依据NIST相同丈量结构的同一SEMI或ASTM规范丈量办法;一起，引荐一种可与NIST规范物质证书比较较的丈量办法，以验证用户文件规范丈量办法的正确性。
2. 国内验证手法
我国现在现已置办或组成多台MEMS晶圆级测验体系，验证手法尚处于空白阶段。因为国内尚无针对此类专用测验设备的规范物质和规范样片，因而，测验体系的准确度和一致性验证问题没有处理，仍停留在“单台仪器拆分计量”的层面，未展开体系的全体校准作业，各体系参数无法溯源到探针端面，难以确保MEMS产品参数的准确和一致性，为产品质量埋下危险。
存在的距离
不管从硬件组成仍是从测验技能和验证手法比较，现在咱们与世界还有必定的距离，首要体现在3个方面：
1)缺少规范化测验硬件体系。虽然前期测验有许多优点，但对大部分制作商来说很难找到规范化、独立运转的测验体系，且尚无同一的测验规范可依循。MEMS测验有必要经过增加恰当的模块进行非电鼓励输入丈量和非电信号输出检测，晶圆探针能够被扩展成一个敞开的、通用的测验渠道，依据测验需求能够方便地调整。整个敞开渠道能够用于测验不同的产品如：压力传感器、微麦克风和微镜等。
2)测验技能有待进步。在鼓励信号方面，除了电鼓励和电测验之外，器材或许还需求进行声学、发光、振荡、流体、压力、温度、化学或动力鼓励输入;在测验渠道方面，器材或许需求敞开的渠道且在受控的环境中测验才干维护器材不受环境的损害或正确地在封装的环境内鼓励器材。MEMS器材的晶圆级测验能够在测验所需的真空中或在特别的气体环境中操作，需求准确可控的测验环境。
3)体系验证手法空白。现在国内的测验体系鉴于晶圆级测验的微观性和用于探针结尾的规范样片的缺少，无法从准确度方面临其进行量值传递，然后难以确保其溯源性，无法发挥晶圆级测验的优越性，难以保证除掉芯片的合理性和准确性。
结束语
自20世纪60年代微机械技能诞生以来，MEMS晶圆测验技能跟着MEMS产品的展开而逐步老练，跟着制作器材实用化、高可靠性、本钱低价的要求，测验体系呈现了如下展开趋势：未来MEMS晶圆级测验体系向着规范化、模块化的敞开式渠道展开;在参数级计量测验方面，急需运用MEMS或IC技能研发高稳定性规范样片，是卓有成效的校准计划;在产品级测验方面，参照NIST的MEMS五合一测验芯片，急需经过对MEMS芯片增加外围电路构成模块化的规范测验渠道的手法，处理非电信号鼓励下的测验难题，研发契合相应鼓励信号测验的规范物质，与世界NIST规范接轨，进一步赶超世界水平，进步我国MEMS晶圆级测验的全体水平。
