mems熱電堆探測(cè)器批量化測(cè)試系統(tǒng)的研制

mems熱電堆探測(cè)器批量化測(cè)試系統(tǒng)的研制

0mems熱電堆器件測(cè)試的現(xiàn)狀基于微電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的紅外輻射變換電子裝置是一種基于微電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的電子裝置。其工作原理基于塞伯茨效應(yīng)。這是傳感器領(lǐng)域的典型工程。它可用于紅外焦平面矩陣勘探、氣體傳感器、熱曲線高程等傳感器產(chǎn)品的設(shè)備。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。1sd-s型發(fā)熱探測(cè)器的測(cè)試技術(shù)研究1.1等溫ct回路熱電堆器件的工作原理基于塞貝克效應(yīng)(SeebackEffect):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1.2主要性能指標(biāo)包括加熱裝置的主要部件評(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R1入射輻射功率p的測(cè)試表征探測(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,稱為電壓響應(yīng)率R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;C2器件輸出信號(hào)的自適應(yīng)調(diào)整由于探測(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熱電堆器件熱端溫度與冷端溫度的關(guān)系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2紅外熱電堆探測(cè)器批量化測(cè)試方案根據(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機(jī)械預(yù)準(zhǔn)準(zhǔn)精度的優(yōu)化在測(cè)試開始前需要將待測(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。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?？紤]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。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能量傳輸方案為了保證測(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。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電信號(hào)的調(diào)制對(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2.4晶圓氧化質(zhì)量分析在數(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熱電堆探測(cè)器測(cè)試結(jié)果與分析根據(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。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。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。4mems熱電堆器件批量化測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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