國外MEMS計量測試技術研究現狀及借鑒

李雷，張慧，沙長濤，張紅

（中國電子技術標準化研究院，北京 100176）

0 引言

微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）發展于二十世紀九十年代，是在微電子制造技術發展的基礎上隨著精密微型機械制造技術的發展而成長起來的。基于MEMS技術的器件具有體積小、精度高、智能化、成本低和可批量生產等特點，在航空航天、生物醫學、汽車、電子等眾多領域的應用日漸廣泛和深入。MEMS技術作為一項重要的軍民兩用技術，是二十一世紀最有發展前途的技術之一［1-3］。

經過二十年的發展，相較于集成電路（Integrated Circuit，IC）產業，MEMS產業依舊不太成熟。不同于IC產業，MEMS產品跨越機械、電磁、光學、化學、生物等多個領域，MEMS的計量測試研究工作不能僅僅在原有IC計量研究上做簡單的改進，需要綜合電子、機械、材料、信息、物理、化學、光學以及生物醫學等多個學科與技術，根據MEMS自身的特點開展MEMS計量測試技術研究。

近年來，世界各國加強了對MEMS計量測試技術的研究，適用于MEMS的計量測試方法和儀器不斷涌現。學習和借鑒國外的MEMS計量測試技術，對我國MEMS計量測試技術的發展具有重要的指引作用。

1 國外MEMS計量測試研究機構及技術現狀

1.1 美國國家標準與技術研究院

美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）專門設置了微機電系統（MEMS）和納機電系統（Nano-Electro-mechanical System，NEMS）項目，旨在推進MEMS/NEMS測量技術的創新，以支持未來MEMS/NEMS的發展。其主要從以下幾個方面開展工作：開發用于MEMS/NEMS的高級測量工具和方法；使用這些工具和方法研究MEMS/NEMS器件的物理特性，尤其是傳感器的性能限制；開發可追溯的MEMS/NEMS傳感器，用于NIST及更高級別的精密測量；領導制定MEMS/NEMS計量標準。

2009年，NIST發布的NISTIR（National Institute of Standards and Technology Interagency Report）7604《半導體微電子和納電子計劃》在“器件結構設計和表征”中，將MEMS/NEMS計量作為一個章節進行闡述。在該節中主要闡述了NIST開發測試結構、測試方法和標準樣片來表征MEMS/NEMS的制造工藝過程，有四個重大標準項目：①開發MEMS五合一標準樣片RM8096和RM8097［4］，如圖1所示，包括楊氏模量（Youngs Modulus）、殘余應力（Residual Strain）、應變梯度（Strain Gradient）、臺階高度（Step Height）、面內長度（In-Plane Length）；②開發SEMI（Semiconductor Equipment and Materials International）標 準MS5-0813、晶圓鍵合強度的微人字形測試結構的測試方法和利用標準測試方法開發微人字形標準物質；③微流量系統的尺寸計量；④引導標準化工作的尖端機器人技術的研究和開發。

圖1 MEMS五合一標準樣片Fig.1 MEMS5-in-1 standard reference materials

由于MEMS領域涉及范圍廣，NIST研究的領域主要有：MEMS/NEMS的運動測量、微型和納米光子傳感器、用于傳感和定時的射頻MEMS/NEMS、生物MEMS和微流體、光學和電子生物傳感、晶圓鍵合計量。

1.2 歐洲國家計量機構協會

2007年，在歐盟第七框架計劃經費的支持下，歐洲國家計量機構協會（The European Association Of National Metrology Institutes，EURAMET）開 啟了歐洲計量聯合研究計劃（European Metrology Research Programme，EMRP）［5-6］。在2011年新技術項目中，由英國國家物理實驗室（National Physical Laboratory，NPL）主持的項目《Metrology with/for NEMS》（簡稱：MetNEMS）針對MEMS/NEMS計量開展了相關的研究工作。

MetNEMS項目的首要目標是在幾個歐洲計量院中開發關鍵技術，以滿足NEMS開發的需求。該項目開發了針對計量和工業應用的新型、高頻、高性能NEMS諧振器和執行器，解決了“超越經典計量”、納米技術、超低損耗新材料和單個實體計量等問題，反過來也促進了生物、安全、電信和傳感領域等可追溯測量要求的提出。為納米尺度的質量、力、位移和溫度傳感，單光子、單分子測量提供了改進的超靈敏、可追溯計量測試技術，促進了片上、超穩定的小型化電壓基準的生產。

該項目還廣泛研究了一系列新材料，如石墨烯（一種具有廣泛前景的獨特新2D材料）、氮化鋁（一種特別適用于薄膜器件開發以及計量應用的新型壓電材料））和二硼化鎂（高溫常規超導體）等，來開展NEMS的優化使用，開發高性能NEMS諧振器。同時，該項目開發了新的微波激發和檢測方案，以及納入納米級計量的光學干涉方法，用于NEMS諧振器激發和讀出，用這些NEMS諧振器來開展可追蹤的電磁測量和高精度測量等計量工作。

MetNEMS項目實現了五個具體目標如下：①優化用于高性能NEMS的新材料；②NEMS諧振器激發和讀出的新方法；③可追溯電磁計量和精密測量的NEMS；④NEMS傳感器：使測量打破經典熱力學的極限；⑤制作和優化SQUID（低溫超導量子干涉裝置）-NEMS組合，使NEMS諧振器的操作接近熱平衡量子極限。

此外，MetNEMS聯盟整理了項目開展期間的聯盟合作伙伴的投入以及行業/學術界反饋，制定了2015版MEMS/NEMS計量路線圖，如圖2所示。

圖2 2015版MEMS/NEMS計量路線圖Fig.2 2015 metrology roadmap with/for MEMS&NEMS

1.3 英國國家物理實驗室

2006年12月，NPL發布了《MEMS傳感器及其制造的計量要求概述》，該項目是DTI國家測量系統工程測量計劃2005～2008年“先進傳感器計量”資助項目的一部分，主要關注MEMS行業和當前計量的局限性。

該項目研究了當前的MEMS制造和計量測試技術，評估了MEMS行業的計量要求，并重點介紹計量學如何影響某些關鍵類型的MEMS傳感器（壓力傳感器、加速度計、陀螺儀、射頻傳感器和微流體）。評估的計量測試技術包括輪廓測定法、微坐標測量機、電子顯微鏡、光學顯微鏡、白光干涉測量法和激光多普勒測速儀等。重點關注了MEMS的尺寸測量（包括靜態和動態測量），通過測量結構尺寸和尺寸變化來進行相應的應力和應變測量。

同時，該項目還與英國主要公司，包括AML，BAE Systems，Epigem，ETB，GE Sensing，MEMSSTAR，QinetiQ，CMF，STS，Tecan等，對MEMS的計量需求進行討論，總結歸納了英國MEMS行業的計量要求：包括晶圓厚度/平整度、高深高比測量、側壁粗糙度、振動測量、殘余壓力、測量遠距離的小特征、微尺度材料表征、高空間分辨力溫度測量、硅斷裂分析、測量抗粘連薄膜的磨損/硬度、無創壓力測量等。

該項目和其他NPL正在進行的MEMS測量和表征工作一起，將有助于確保英國MEMS傳感器行業克服當前制造階段的一些計量問題，保持英國在全球MEMS傳感器市場的份額。

1.4 國際半導體技術發展路線圖

50多年來，半導體行業一直按照摩爾定律的步伐前進，這一趨勢使得投資需求不斷增長，進而促進了相關工業聯盟、研發機構、協會和其他形式合作的誕生。為了指導這些項目研發，1998年，由美國半導體工業協會提議，邀請了歐洲、日本、韓國和臺灣等國家和地區共同參與，對美國國家半導體技術發展路線圖進行了更新，最終形成了1999年的第一版國際半導體技術發展路線圖（The International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）。

2010年，ITRS成立了MEMS技術工作組（MEMSTechnology Working Group，MEMSTWG），并于2011年發布了第一版ITRS路線圖——《MEMS》，包括加速度計、陀螺儀、慣性測量單元、麥克風、射頻MEMS諧振器、電流開關和變容二極管。2014年4月，ITRS委員會宣布重組ITRS路線圖，將其轉變為ITRS2.0，以更好地滿足行業需求。2015年發布的ITRS2.0版中，MEMSTWG重點支持《Heterogeneous-Components》（異構組件）。

隨著MEMS功能和性能的提升，測試成本持續上升，但系統集成商期望異構組件的價格保持不變或更低，這與預期相反。因為MEMS添加更多功能和提高性能需要額外的、更高精度的測試，還需要標準測試協議來定義器件的性能參數。目前因缺乏標準化導致系統集成商無法權衡制造商之間的成本和性能。在ITRS2.0的“異構組件”中，針對MEMS的測試和標準的需求，MEMS和傳感器行業組建立了標準部門來滿足這一需求，專注開發設備參數性能術語和設備性能測試協議，還通過擴展當前的內置集成電路（Inter-Integrated Circuit，I2C）通信協議來開發設備通信的新標準。

1.5 國際電工技術委員會

國際電工技術委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）非常重視MEMS標準化工作，將MEMS器件的標準歸口在半導體器件委員會（Technical Committee 47，TC47）下。2008年從IEC/TC47中獨立出來一個新的MEMS分技術委員會—Sub-Technical Committee 47F，簡稱SC47F，負責制定MEMS器件標準［7］。

該分技術委員會負責制定MEMS的設計、制造、使用過程對環境無害的國際標準，包括術語和定義、字母符號、基本額定值和特性、測量方法、可靠性試驗方法和材料測試方法等。下設有三個工作組：術語和圖形符號工作組、結構材料性能測試方法工作組、器件和封裝工作組，還設有一個維護組。目前，該技術委員會已發布38項MEMS標準，內容涵蓋了MEMS的術語和定義、通用規范、材料性能評價及測試方法等。已發布的標準見表1。

表1 IEC已經發布的MEMS標準清單Tab.1 List of MEMSstandards published by IEC

1.6 半導體工藝和設備技術委員會

半導體工藝和設備技術委員會（Semiconductor Equipment and Mterials International，SEMI）創立于1970年，是服務于微電子和納電子行業制造供應鏈的全球高科技領域專業行業協會。自20世紀90年代后期以來，SEMI一直致力于開發用于制造MEMS器件材料的標準測試方法，包括應變、膜厚度、彈性模量和粘合強度的測量。SEMI設立了MEMS/NEMS全球技術委員會來從事MEMS標準的制定。目前在SEMI的標準中，有10項關于MEMS器件的標準，包括MEMS技術術語、封裝和微流量器件等。由于SEMI在半導體設備材料方面具有強大的影響力，其標準多作為業內主流的生產工藝規范，被廣泛應用在MEMS工藝線上指導產品的生產，標準目錄見表2。

表2 SEMI制定的MEMS標準清單Tab.2 List of MEMSstandards established by SEMI

1.7 美國國家航空航天局

美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）火箭發射中心針對MEMS可靠性問題發布了JPLPUB 99-1《宇航用MEMS可靠性保證指南》，該指南詳細介紹了與MEMS相關的材料屬性、故障機理、生產工藝技術、器件組織結構以及封裝技術，并站在用戶的角度提出了用于空間環境的MEMS器件質量和可靠性的評價方法，解決了空間環境應用的MEMS器件標準質量評價問題。《宇航用MEMS可靠性保證指南》推薦的合格評定方法如圖3所示。

圖3 《宇航用MEMS可靠性保證指南》推薦的合格評定方法Fig.3 Recommended conformity assessment methods in"MEMSReliability Assurance Guidelines for Space Application"

1.8 美國桑迪亞國家實驗室

美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories，SNL）在美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）支持下，詳細研究了MEMS的可靠性問題，并發布了《MEMS可靠性：基本單元、測試結構、試驗和失效模式》。該報告以失效分析為基礎，建立MEMS的合格評定模式，如圖4所示。同時，該報告闡述了在MEMS器件上開發測試結構進行可靠性試驗的重要性，并設計、表征了可靠性測試結構。此外，該報告還研究了MEMS器件的失效模式，特別是在不同環境（濕度、溫度、沖擊、振動和儲存）中的失效模式，建立了未來MEMS器件的可靠性設計規則。

圖4 基于失效分析的合格評定模式Fig.4 Conformity assessment model based on failure analysis

2 我國MEMS計量測試的參考借鑒

2.1 計量測試規劃方面

我國必須遵守IEC國際標準、SEMI標準等，目前，我國MEMS計量測試在發展規劃方面可以從以下幾個方面參考借鑒國外MEMS計量測試技術：

1）國際計量組織和機構花費大量精力專注于MEMS計量測試技術研究，相應的資料可以為我們參考借鑒；

2）借鑒國外MEMS計量測試技術，結合我國MEMS計量測試建設的具體情況，加強MEMS計量測試技術的發展規劃布局；

3）參考EURAMET的“2015版MEMS/NEMS計量路線圖”，研究制定我國的“MEMS/NEMS計量路線圖”，建立適應我國MEMS計量測試技術發展的“MEMS計量體系表”；

4）結合我國現在快速發展的MEMS產業需求，對未來二十年內MEMS產品需要的微材料特性測量方法、微結構測量方法、標準物質等方面做出全面、詳細的規劃；

5）結合國內MEMS產業現狀和發展要求，制定一批具有指導意義的產品規范、測試方法和計量規范，有力支撐我國MEMS產業的發展。

2.2 計量測試技術方面

MEMS計量測試技術的重點工作是跟蹤國際MEMS計量測試技術的前沿動態，同時結合我國成熟的MEMS產品，及時對MEMS器件測試方法、規范進行修訂，建立完善的MEMS器件計量測試技術體系。

在MEMS器件參數測試方面，借鑒IEC，SEMI等標準，研究MEMS器件微材料特性、微結構（微器件）特性的測量方法［8-9］，結合我國主導制定的IEC62047-25，IEC62047-41等，研究適用于MEMS器件的具體測量方法，分析微材料特性、微結構參數變化對MEMS器件性能和質量可靠性的影響，為MEMS器件產品質量評定標準、失效分析標準以及制造過程質量保證方法提供基礎［10-11］。

在MEMS器件可靠性和壽命評價方面，借鑒NASA，SNL指南要求，研究基于失效分析的質量保證方法，開展MEMS器件失效機理研究，建立失效模型，研究動態環境（振動、沖擊、高低溫）下帶電工作的MEMS器件實時性能測試方法，開展MEMS器件加速壽命試驗方法研究等方面的壽命評價。

在MEMS器件晶圓級測試方面，借鑒NIST的五合一標準樣片，盡快制定MEMS器件晶圓級的測試標準及綱要，盡快推進標準化進程。引導行業內部開發統一接口，統一測試方法，搭建通用MEMS器件晶圓級測試平臺，完善模塊化的標準測試平臺手段，研制符合不同激勵信號測試的標準物質，提升我國MEMS器件晶圓級測試的整體水平。

2.3 計量測試協同方面

MEMS技術有許多共有特點，在進行軍用MEMS計量測試技術研發的同時，也要積極促進相關民用領域MEMS計量測試技術的進步，共同推進我國的MEMS計量測試技術的發展。在整個MEMS行業內充分發揮計量測試技術的基礎作用，加快技術到應用的進程、縮短產品周期、提升產品質量、降低設計、生產等各個環節的成本，進而打破一些行業壁壘、提升產業生態環境、促進上下游協同創新，推動整個產業的健康發展。

借鑒NIST，NPL等計量機構的先進成果，積極推進我國MEMS計量測試技術研究，加強軍工部門與高校、科院院所、民間計量機構的合作，推進MEMS計量基礎技術的研究開發工作，同時加強產學研三方合力，共同推進MEMS計量測試技術的發展。

3 結論

MEMS技術在國民生產和國防軍工中的使用日益廣泛，然而，MEMS的計量測試技術仍然停留在后端測量，不能深入到MEMS器件的設計與生產環節，制約了其進一步發展。隨著MEMS技術的使用，本文在跟蹤和研究國外MEMS計量測試技術的基礎上，探索新時期我國MEMS計量測試需求，提出我國MEMS計量測試技術發展建議，對提升我國MEMS計量測試技術具有廣泛的借鑒作用。