晶圓級熱電堆探測器測試技術的研究

葉雨欣，焦斌斌，孔延梅，劉瑞文，陳志強

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

（1.中國科學院微電子研究所，北京 100029；2.東北電力大學 自動化工程學院，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電系統(tǒng)技術將紅外輻射轉(zhuǎn)變成電能的電子裝置，其工作原理基于塞貝克效應，是傳感探測領域的一種典型器件，可用來實現(xiàn)紅外焦平面陣列探測器、氣體傳感器、熱流量計等傳感探測器件[1]。進入二十世紀末期，ADI、TI、Bosch、Freescale等知名半導體公司紛紛涉足MEMS產(chǎn)業(yè)，著名的MEMS專業(yè)咨詢公司Yole Development在微系統(tǒng)紅外探測器產(chǎn)業(yè)分析報告中指出，未來幾年該產(chǎn)業(yè)將會出現(xiàn)爆發(fā)性成長，并帶動消費電子和智能家居產(chǎn)業(yè)向小型化集成化方向發(fā)展，如圖1所示[2]。

圖1 紅外探測器市場預測

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

我國在MEMS熱電堆紅外探測器技術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：中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、中國科學院微電子研究所，中北大學等。但在器件測試領域的研究工作才剛剛起步，目前的測試手段僅僅是通過搭建測試電路來進行逐個的測試和判斷，并不能對其熱電轉(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)的溫度差異進行直觀的測試，耗費了大量的人力和物力，成為了制約了熱電堆由科研向市場轉(zhuǎn)型的一大難題。本文圍繞熱電堆器件的工作原理、測試條件和批量化測需求構(gòu)建了一套針對熱電堆紅外探測器的批量化測試系統(tǒng)，主要實現(xiàn)晶圓級器件良品率測試和電學參數(shù)的標定。

1 MEMS熱電堆探測器測試技術研究

1.1 熱電堆探測器的工作原理

熱電堆器件的工作原理基于塞貝克效應（Seeback Effect）：具有不同介質(zhì)的導體相連形成閉合回路，若回路冷熱結(jié)區(qū)端點溫度不同就會產(chǎn)生定向電流，電流產(chǎn)生的電壓即溫差電動勢。熱電堆器件將多個具有該特性的熱電偶進行電串聯(lián)、熱并聯(lián)，以實現(xiàn)信號倍增[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。當器件接受外界紅外輻射激勵時，紅外吸收區(qū)域硅基體間形成溫差進而產(chǎn)生溫差電動勢。

圖2 熱電堆紅外探測器結(jié)構(gòu)

1.2 熱電堆探測器的主要性能指標

評價熱電堆紅外探測器主要性能的動態(tài)特性指標主要有響應率Rv和響應時間τ[6]。

1）響應率

表征探測器對輻射響應的靈敏度，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，稱為電壓響應率Rv（或電流響應率Ri），其表達式為：

輸出電壓V或電流I通過實際測試得到，入射功率P的表達式為：

其中ε為測紅外激勵源的發(fā)射率，由激勵源自身特性決定；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分別代表激勵源爐溫度和環(huán)境溫度；θ為激勵源與探測器之間的角度；l為激勵源到探測器的垂直距離；AS為激勵源腔口面積；AD為探測器紅外吸收區(qū)面積。

2）響應時間

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

器件的響應時間τ則可通過調(diào)節(jié)斬波頻率，保證器件輸出信號可以在一個斬波周期內(nèi)輸出完整波形，利用示波器等測試設備記錄器件上升沿波形所對應的時間和下降沿波形所對應的時間得到。

綜上所述，在測試環(huán)境和器件信息已知的情況下，通過測量熱電堆探測器在激勵狀態(tài)下的輸出電學參數(shù)（電壓或電流）和時間常數(shù)可以對器件的性能進行初步的評判。

1.3 熱電堆探測器的測試環(huán)境需求

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

圖3 冷熱端溫度對器件輸出電壓的影響

圖3 表示冷熱端溫度對熱電堆輸出電壓的影響。由圖可知，冷端溫度對半導體熱電發(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勢迅速下降，反之則上升。同樣，熱端溫度也對半導體熱電發(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勢也隨之上升，反之則下降[7]。

2 MEMS熱電堆探測器晶圓級測試方案設計

根據(jù)以上熱電堆探測器的工作原理、性能指標以及測試環(huán)境需求，設計了晶圓級紅外熱電堆探測器批量化測試方案，按照測試的流程將整個方案分為晶圓預對準、溫度設置、電學信號采集和數(shù)據(jù)分析處理四部分內(nèi)容，如圖4所示。

2.1 晶圓預對準

在測試開始前需要將待測晶圓的信息（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映射關系表示。

圖4 晶圓級熱電堆探測器批量化測試方案

為了實現(xiàn)晶圓中器件坐標于系統(tǒng)模型的匹配，需要對測試晶圓進行預對準操作。晶圓預對準是晶圓在進行測試前實現(xiàn)精確定位的重要環(huán)節(jié)，在批量化測試當中預對準精度直接影響測試系統(tǒng)能否掃描到每一個待測器件。傳統(tǒng)的預對準方法主要分為機械式預對準與光學式預對準兩種，兩種方法分別通過機械定位或模式識別的方式調(diào)整晶圓定位邊于測試系統(tǒng)間的位置關系[8]。根據(jù)傳統(tǒng)預對準方法，結(jié)合MEMS器件測試經(jīng)驗，本系統(tǒng)采用機械/光學結(jié)合的方式實現(xiàn)晶圓的預對準。

由于本系統(tǒng)主要針對六英寸晶圓的測試，該系列晶圓下方都設計有定位切邊。因此采用機械預對準方式，在載片臺的一側(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。載片臺上設計有環(huán)形氣槽，通過真空泵可以有效固定晶圓，從而實現(xiàn)晶圓的初步對準，如圖5所示。

圖5 晶圓載片臺的設計

考慮到晶圓在放置固定過程中，其位置可能會發(fā)生偏移，因此采用光學預對準的方式，通過測試人員調(diào)整晶圓中任意兩點理論位置與實際位置的偏差對測試模型進行修正，如圖6所示。

圖6 晶圓對準方案

整個校正過程由可見光相機利用模式識別調(diào)整器件實際坐標的方式實現(xiàn)。經(jīng)補償后的絕對坐標即晶圓的實際坐標，采用這種補償方法在選取兩點時，兩點的距離越遠，補償效果越好。

2.2 溫度控制

為了保證測試過程中器件冷熱端溫度恒定，需要對測試系統(tǒng)環(huán)境溫度和激勵源激勵溫度進行調(diào)制。

實驗發(fā)現(xiàn)器件的冷端溫度與晶圓載片臺的溫度基本一致，因此在晶圓載片臺下方安裝半導體制冷片，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。

在激勵溫度控制設計過程中發(fā)現(xiàn)：激勵源及配套斬波設備應隨運動機構(gòu)移動，但是傳統(tǒng)紅外熱源、斬波設備體積較大無法實現(xiàn)上述目的。因此在研究了激勵源安裝位置對器件能量接收的影響后，設計了兩種能量傳輸方案。

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

圖7 光學能量傳輸方案

表1 光學能量傳輸效果對比

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

2.3 電學信號采集

對于晶圓級器件的電學信號測試，由于器件尺寸較小導致輸出信號較弱，在測試過程中很容易被系統(tǒng)自身的噪聲覆蓋導致測量不準確，因此必須對采集到的電學信號進行調(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。在同類產(chǎn)品當中，該器件具有很高的共模抑制比，可以有效抑制信號輸入端的共模噪聲干擾，保證差模信號的放大效果，放大電路如圖8所示[9,10]。由于經(jīng)過放大的輸出信號含有頻率為50Hz的工頻噪聲，因此需要將放大的信號進行濾波才能完成完整的信號采集過程[11]。

圖8 放大電路的設計

2.4 數(shù)據(jù)分析處理

在數(shù)據(jù)分析處理環(huán)節(jié)，測試系統(tǒng)需要將采集到的器件參數(shù)（輸出電壓/時間常數(shù)）進行分析，計算出器件響應率、響應時間等性能指標啊，并根據(jù)器件于晶圓對應的位置關系導出晶圓—器件性能關系映射圖反饋給測試人員，為測試人員分析待測晶圓提供數(shù)據(jù)支持。

3 測試系統(tǒng)搭建及性能測試

根據(jù)以上晶圓級熱電堆探測器批量化測試方案，對測試系統(tǒng)進行搭建。在系統(tǒng)搭建的過程中按照測試流程的需求將測試系統(tǒng)分為運動模塊、溫度控制模塊及信號采集模塊，由核心控制器進行集中控制。在測試過程中可以根據(jù)測試需求的不同對各個功能模塊進行調(diào)整，這種模塊化設計思路大大提高了測試系統(tǒng)的擴展性，方便二次研發(fā)，測試系統(tǒng)實物圖如圖9所示。

圖9 測試系統(tǒng)實物圖

為了驗證該測試系統(tǒng)的測試性能，我們選取了某款熱電堆器件作為測試樣品，分別用傳統(tǒng)測試法與批量測試系統(tǒng)兩種方式對器件性能進行了測試，兩種測試方法選取相同的測試環(huán)境，通過分析處理后的熱電堆探測器性能指標驗證測試系統(tǒng)的測試性能是否符合設計需求，選取五個熱電堆器件作為測試樣本對其進行對比驗證，試結(jié)果如表2所示。

表2 測試數(shù)據(jù)對比

測試結(jié)果表明，根據(jù)該測試方案搭建的晶圓級熱電堆探測器批量化測試系統(tǒng)在器件的測試過程中，能夠客觀的反映熱電堆紅外探測器的基本性能并可實現(xiàn)批量化檢測，測試結(jié)果與傳統(tǒng)手動測試結(jié)果基本相同，因此利用該晶圓級測試方案對熱電堆器件進行批量測試結(jié)果準確、可信。

4 結(jié)論

本文圍繞熱電堆紅外探測器的工作特性，特別是環(huán)境溫度及激勵溫度對器件工作的影響，構(gòu)建了一套針對晶圓級紅外熱電堆探測器特殊測試需求的批量化測試系統(tǒng)。文章首先介紹了MEMS熱電堆探測器的工作原理及特性指標、分析環(huán)境溫度及激勵溫度對熱電堆器件冷熱端溫度的影響；然后根據(jù)以上器件特性及測試條件需求設計了晶圓級熱電堆探測器批量化測試方案，針對測試流程中出現(xiàn)的技術難點提出對應解決方案；最后采用該批量化測試方案搭建晶圓級熱電堆探測器批量化測試系統(tǒng)，通過對比試驗的方式驗證該測試系統(tǒng)的工作性能，測試表明系統(tǒng)工作正常、測試結(jié)果可信。

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