晶圓級(jí)熱電堆探測(cè)器測(cè)試技術(shù)的研究

葉雨欣，焦斌斌，孔延梅，劉瑞文，陳志強(qiáng)

YE Yu-xin1, JIAO Bin-bin1, KONG Yan-mei3, LIU Rui-wen1, CHEN Zhi-qiang2

（1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京 100029；2.東北電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 132012；3.昆山光微電子有限公司，昆山 214028）

0 引言

MEMS熱電堆器件是一種基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)將紅外輻射轉(zhuǎn)變成電能的電子裝置，其工作原理基于塞貝克效應(yīng)，是傳感探測(cè)領(lǐng)域的一種典型器件，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外焦平面陣列探測(cè)器、氣體傳感器、熱流量計(jì)等傳感探測(cè)器件[1]。進(jìn)入二十世紀(jì)末期，ADI、TI、Bosch、Freescale等知名半導(dǎo)體公司紛紛涉足MEMS產(chǎn)業(yè)，著名的MEMS專(zhuān)業(yè)咨詢公司Yole Development在微系統(tǒng)紅外探測(cè)器產(chǎn)業(yè)分析報(bào)告中指出，未來(lái)幾年該產(chǎn)業(yè)將會(huì)出現(xiàn)爆發(fā)性成長(zhǎng)，并帶動(dòng)消費(fèi)電子和智能家居產(chǎn)業(yè)向小型化集成化方向發(fā)展，如圖1所示[2]。

圖1 紅外探測(cè)器市場(chǎng)預(yù)測(cè)

目前，制約熱電堆紅外探測(cè)器進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移的主要瓶頸在于測(cè)試效率與成本，有別于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件，MEMS產(chǎn)品往往包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，在測(cè)試過(guò)程中需要在可控外界激勵(lì)（聲學(xué)、發(fā)光、振動(dòng)、流體、壓力、溫度、化學(xué)）的環(huán)境中器件才會(huì)有正常輸出，這無(wú)疑增加了測(cè)試的難度[3,4]，如能在器件加工載體晶圓上實(shí)現(xiàn)批量化測(cè)試可以降低50%以上的制造成本。為了降低測(cè)試成本、提高測(cè)試效率，國(guó)外知名MEMS制造商紛紛投入較大的資金用于測(cè)試設(shè)備研發(fā)和更新。

我國(guó)在MEMS熱電堆紅外探測(cè)器技術(shù)方面的研究已有所突破，并形成了較快發(fā)展、迎頭趕上的局面。主要的研究單位有：中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，中北大學(xué)等。但在器件測(cè)試領(lǐng)域的研究工作才剛剛起步，目前的測(cè)試手段僅僅是通過(guò)搭建測(cè)試電路來(lái)進(jìn)行逐個(gè)的測(cè)試和判斷，并不能對(duì)其熱電轉(zhuǎn)化、熱分布以及熱電堆的熱偶單元的熱結(jié)區(qū)和冷結(jié)區(qū)的溫度差異進(jìn)行直觀的測(cè)試，耗費(fèi)了大量的人力和物力，成為了制約了熱電堆由科研向市場(chǎng)轉(zhuǎn)型的一大難題。本文圍繞熱電堆器件的工作原理、測(cè)試條件和批量化測(cè)需求構(gòu)建了一套針對(duì)熱電堆紅外探測(cè)器的批量化測(cè)試系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)器件良品率測(cè)試和電學(xué)參數(shù)的標(biāo)定。

1 MEMS熱電堆探測(cè)器測(cè)試技術(shù)研究

1.1 熱電堆探測(cè)器的工作原理

熱電堆器件的工作原理基于塞貝克效應(yīng)（Seeback Effect）：具有不同介質(zhì)的導(dǎo)體相連形成閉合回路，若回路冷熱結(jié)區(qū)端點(diǎn)溫度不同就會(huì)產(chǎn)生定向電流，電流產(chǎn)生的電壓即溫差電動(dòng)勢(shì)。熱電堆器件將多個(gè)具有該特性的熱電偶進(jìn)行電串聯(lián)、熱并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)倍增[5]。熱電偶的熱結(jié)區(qū)集中于紅外吸收區(qū)內(nèi)，冷結(jié)區(qū)集中于硅基體中，如圖2所示。當(dāng)器件接受外界紅外輻射激勵(lì)時(shí)，紅外吸收區(qū)域硅基體間形成溫差進(jìn)而產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。

圖2 熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)

1.2 熱電堆探測(cè)器的主要性能指標(biāo)

評(píng)價(jià)熱電堆紅外探測(cè)器主要性能的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)主要有響應(yīng)率Rv和響應(yīng)時(shí)間τ[6]。

1）響應(yīng)率

表征探測(cè)器對(duì)輻射響應(yīng)的靈敏度，定義為輸出的電壓值V（或電流值I）與入射輻射功率P之比，稱(chēng)為電壓響應(yīng)率Rv（或電流響應(yīng)率Ri），其表達(dá)式為：

輸出電壓V或電流I通過(guò)實(shí)際測(cè)試得到，入射功率P的表達(dá)式為：

其中ε為測(cè)紅外激勵(lì)源的發(fā)射率，由激勵(lì)源自身特性決定；Cr為黑體爐輻射均方根轉(zhuǎn)換系數(shù)；σ為玻爾茲曼常數(shù)，取5.67×10-8Wm-2K-4；T1和T2分別代表激勵(lì)源爐溫度和環(huán)境溫度；θ為激勵(lì)源與探測(cè)器之間的角度；l為激勵(lì)源到探測(cè)器的垂直距離；AS為激勵(lì)源腔口面積；AD為探測(cè)器紅外吸收區(qū)面積。

2）響應(yīng)時(shí)間

由于探測(cè)器吸收紅外光源后產(chǎn)生信號(hào)輸出具有一定的滯后特性：器件受到外界激勵(lì)后輸出信號(hào)成線性變化趨勢(shì)。響應(yīng)時(shí)間物理意義可表示為輸出信號(hào)上升到穩(wěn)定值的（1-e-1）倍所需時(shí)間或激勵(lì)消失后信號(hào)下降到穩(wěn)定值的e-1倍所需時(shí)間。

器件的響應(yīng)時(shí)間τ則可通過(guò)調(diào)節(jié)斬波頻率，保證器件輸出信號(hào)可以在一個(gè)斬波周期內(nèi)輸出完整波形，利用示波器等測(cè)試設(shè)備記錄器件上升沿波形所對(duì)應(yīng)的時(shí)間和下降沿波形所對(duì)應(yīng)的時(shí)間得到。

綜上所述，在測(cè)試環(huán)境和器件信息已知的情況下，通過(guò)測(cè)量熱電堆探測(cè)器在激勵(lì)狀態(tài)下的輸出電學(xué)參數(shù)（電壓或電流）和時(shí)間常數(shù)可以對(duì)器件的性能進(jìn)行初步的評(píng)判。

1.3 熱電堆探測(cè)器的測(cè)試環(huán)境需求

作為非接觸溫度探測(cè)器，在測(cè)試過(guò)程中溫度的恒定是決定測(cè)試準(zhǔn)確性的重要因素。熱電堆紅外探測(cè)器的輸出信號(hào)在測(cè)試過(guò)程中受環(huán)境溫度和激勵(lì)溫度的共同影響，因此在器件測(cè)試時(shí)需要保持器件熱端溫度和冷端溫度的恒定。

圖3 冷熱端溫度對(duì)器件輸出電壓的影響

圖3 表示冷熱端溫度對(duì)熱電堆輸出電壓的影響。由圖可知，冷端溫度對(duì)半導(dǎo)體熱電發(fā)電性能影響很大：隨著冷端溫度的上升，器件輸出的溫差電動(dòng)勢(shì)迅速下降，反之則上升。同樣，熱端溫度也對(duì)半導(dǎo)體熱電發(fā)電性能有較大的影響：隨著熱端溫度的上升，器件輸出的溫差電動(dòng)勢(shì)也隨之上升，反之則下降[7]。

2 MEMS熱電堆探測(cè)器晶圓級(jí)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上熱電堆探測(cè)器的工作原理、性能指標(biāo)以及測(cè)試環(huán)境需求，設(shè)計(jì)了晶圓級(jí)紅外熱電堆探測(cè)器批量化測(cè)試方案，按照測(cè)試的流程將整個(gè)方案分為晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)、溫度設(shè)置、電學(xué)信號(hào)采集和數(shù)據(jù)分析處理四部分內(nèi)容，如圖4所示。

2.1 晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)

在測(cè)試開(kāi)始前需要將待測(cè)晶圓的信息（如晶圓尺寸、器件尺寸、器件間距、晶圓邊沿寬度）輸入到測(cè)試系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)以上信息建立晶圓器件模型，把晶圓中的器件用二維坐標(biāo)映射關(guān)系表示。

圖4 晶圓級(jí)熱電堆探測(cè)器批量化測(cè)試方案

為了實(shí)現(xiàn)晶圓中器件坐標(biāo)于系統(tǒng)模型的匹配，需要對(duì)測(cè)試晶圓進(jìn)行預(yù)對(duì)準(zhǔn)操作。晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)是晶圓在進(jìn)行測(cè)試前實(shí)現(xiàn)精確定位的重要環(huán)節(jié)，在批量化測(cè)試當(dāng)中預(yù)對(duì)準(zhǔn)精度直接影響測(cè)試系統(tǒng)能否掃描到每一個(gè)待測(cè)器件。傳統(tǒng)的預(yù)對(duì)準(zhǔn)方法主要分為機(jī)械式預(yù)對(duì)準(zhǔn)與光學(xué)式預(yù)對(duì)準(zhǔn)兩種，兩種方法分別通過(guò)機(jī)械定位或模式識(shí)別的方式調(diào)整晶圓定位邊于測(cè)試系統(tǒng)間的位置關(guān)系[8]。根據(jù)傳統(tǒng)預(yù)對(duì)準(zhǔn)方法，結(jié)合MEMS器件測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，本系統(tǒng)采用機(jī)械/光學(xué)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)晶圓的預(yù)對(duì)準(zhǔn)。

由于本系統(tǒng)主要針對(duì)六英寸晶圓的測(cè)試，該系列晶圓下方都設(shè)計(jì)有定位切邊。因此采用機(jī)械預(yù)對(duì)準(zhǔn)方式，在載片臺(tái)的一側(cè)安裝定位靠邊，使放置好晶圓后切邊可以與定位靠邊完整重合。載片臺(tái)上設(shè)計(jì)有環(huán)形氣槽，通過(guò)真空泵可以有效固定晶圓，從而實(shí)現(xiàn)晶圓的初步對(duì)準(zhǔn)，如圖5所示。

圖5 晶圓載片臺(tái)的設(shè)計(jì)

考慮到晶圓在放置固定過(guò)程中，其位置可能會(huì)發(fā)生偏移，因此采用光學(xué)預(yù)對(duì)準(zhǔn)的方式，通過(guò)測(cè)試人員調(diào)整晶圓中任意兩點(diǎn)理論位置與實(shí)際位置的偏差對(duì)測(cè)試模型進(jìn)行修正，如圖6所示。

圖6 晶圓對(duì)準(zhǔn)方案

整個(gè)校正過(guò)程由可見(jiàn)光相機(jī)利用模式識(shí)別調(diào)整器件實(shí)際坐標(biāo)的方式實(shí)現(xiàn)。經(jīng)補(bǔ)償后的絕對(duì)坐標(biāo)即晶圓的實(shí)際坐標(biāo)，采用這種補(bǔ)償方法在選取兩點(diǎn)時(shí)，兩點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，補(bǔ)償效果越好。

2.2 溫度控制

為了保證測(cè)試過(guò)程中器件冷熱端溫度恒定，需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境溫度和激勵(lì)源激勵(lì)溫度進(jìn)行調(diào)制。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)器件的冷端溫度與晶圓載片臺(tái)的溫度基本一致，因此在晶圓載片臺(tái)下方安裝半導(dǎo)體制冷片，配合溫控器、反饋熱電偶與循環(huán)水路構(gòu)成閉環(huán)溫控系。

在激勵(lì)溫度控制設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：激勵(lì)源及配套斬波設(shè)備應(yīng)隨運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)，但是傳統(tǒng)紅外熱源、斬波設(shè)備體積較大無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述目的。因此在研究了激勵(lì)源安裝位置對(duì)器件能量接收的影響后，設(shè)計(jì)了兩種能量傳輸方案。

方案一采用傳統(tǒng)紅外熱源（黑體爐）與斬波設(shè)備（斬波器），將其放置在系統(tǒng)外部，通過(guò)紅外光纖將激勵(lì)能量傳導(dǎo)到測(cè)試系統(tǒng)中。方案二采用MEMS紅外光源于快門(mén)組件安裝在測(cè)試系統(tǒng)中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的是在測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)安裝MEMS光源和快門(mén)組件代替原有黑體爐與斬波器，完成激勵(lì)的輻照與斬波，如圖7所示。

圖7 光學(xué)能量傳輸方案

表1 光學(xué)能量傳輸效果對(duì)比

測(cè)試結(jié)果表明，在相同激勵(lì)條件下，方案二器件吸收的功率明顯高于方案一，且兩種斬波設(shè)備斬波效果基本相同。因此選取方案二作為激勵(lì)溫度控制方案。

2.3 電學(xué)信號(hào)采集

對(duì)于晶圓級(jí)器件的電學(xué)信號(hào)測(cè)試，由于器件尺寸較小導(dǎo)致輸出信號(hào)較弱，在測(cè)試過(guò)程中很容易被系統(tǒng)自身的噪聲覆蓋導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，因此必須對(duì)采集到的電學(xué)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

AD8221是ADI公司生產(chǎn)的一種高性能、增益可調(diào)儀表放大器，具有良好的直流交流特性。在同類(lèi)產(chǎn)品當(dāng)中，該器件具有很高的共模抑制比，可以有效抑制信號(hào)輸入端的共模噪聲干擾，保證差模信號(hào)的放大效果，放大電路如圖8所示[9,10]。由于經(jīng)過(guò)放大的輸出信號(hào)含有頻率為50Hz的工頻噪聲，因此需要將放大的信號(hào)進(jìn)行濾波才能完成完整的信號(hào)采集過(guò)程[11]。

圖8 放大電路的設(shè)計(jì)

2.4 數(shù)據(jù)分析處理

在數(shù)據(jù)分析處理環(huán)節(jié)，測(cè)試系統(tǒng)需要將采集到的器件參數(shù)（輸出電壓/時(shí)間常數(shù)）進(jìn)行分析，計(jì)算出器件響應(yīng)率、響應(yīng)時(shí)間等性能指標(biāo)啊，并根據(jù)器件于晶圓對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系導(dǎo)出晶圓—器件性能關(guān)系映射圖反饋給測(cè)試人員，為測(cè)試人員分析待測(cè)晶圓提供數(shù)據(jù)支持。

3 測(cè)試系統(tǒng)搭建及性能測(cè)試

根據(jù)以上晶圓級(jí)熱電堆探測(cè)器批量化測(cè)試方案，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行搭建。在系統(tǒng)搭建的過(guò)程中按照測(cè)試流程的需求將測(cè)試系統(tǒng)分為運(yùn)動(dòng)模塊、溫度控制模塊及信號(hào)采集模塊，由核心控制器進(jìn)行集中控制。在測(cè)試過(guò)程中可以根據(jù)測(cè)試需求的不同對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行調(diào)整，這種模塊化設(shè)計(jì)思路大大提高了測(cè)試系統(tǒng)的擴(kuò)展性，方便二次研發(fā)，測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

為了驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試性能，我們選取了某款熱電堆器件作為測(cè)試樣品，分別用傳統(tǒng)測(cè)試法與批量測(cè)試系統(tǒng)兩種方式對(duì)器件性能進(jìn)行了測(cè)試，兩種測(cè)試方法選取相同的測(cè)試環(huán)境，通過(guò)分析處理后的熱電堆探測(cè)器性能指標(biāo)驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試性能是否符合設(shè)計(jì)需求，選取五個(gè)熱電堆器件作為測(cè)試樣本對(duì)其進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，試結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

測(cè)試結(jié)果表明，根據(jù)該測(cè)試方案搭建的晶圓級(jí)熱電堆探測(cè)器批量化測(cè)試系統(tǒng)在器件的測(cè)試過(guò)程中，能夠客觀的反映熱電堆紅外探測(cè)器的基本性能并可實(shí)現(xiàn)批量化檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)試結(jié)果基本相同，因此利用該晶圓級(jí)測(cè)試方案對(duì)熱電堆器件進(jìn)行批量測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、可信。

4 結(jié)論

本文圍繞熱電堆紅外探測(cè)器的工作特性，特別是環(huán)境溫度及激勵(lì)溫度對(duì)器件工作的影響，構(gòu)建了一套針對(duì)晶圓級(jí)紅外熱電堆探測(cè)器特殊測(cè)試需求的批量化測(cè)試系統(tǒng)。文章首先介紹了MEMS熱電堆探測(cè)器的工作原理及特性指標(biāo)、分析環(huán)境溫度及激勵(lì)溫度對(duì)熱電堆器件冷熱端溫度的影響；然后根據(jù)以上器件特性及測(cè)試條件需求設(shè)計(jì)了晶圓級(jí)熱電堆探測(cè)器批量化測(cè)試方案，針對(duì)測(cè)試流程中出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)提出對(duì)應(yīng)解決方案；最后采用該批量化測(cè)試方案搭建晶圓級(jí)熱電堆探測(cè)器批量化測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)的方式驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)的工作性能，測(cè)試表明系統(tǒng)工作正常、測(cè)試結(jié)果可信。

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