CN202794059U - Mems结构缺陷的晶圆级自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种MEMS结构缺陷的晶圆级自动检测系统，其包括控制计算机及用于放置待测晶圆的晶圆平台，所述晶圆平台通过晶圆平台控制器与控制计算机相连；所述晶圆平台上放置有探针台，所述探针台通过探针台控制器与控制计算机相连；所述控制计算机还与用于获取固有频率及图像的测试模块电连接。本实用新型利用表面形貌图像对比和激光测振频率对比的原理，对MEMS结构的表面缺陷和内部缺陷进行静态和动态的检测，判断所制得的MEMS产品是否可以进入后续的封装流程。该检测系统及检测方案为晶圆级自动检测，且为非接触式无损检测，适用于大规模的生产线，节约人力，检测结果准确、检测效率高，能够节约MEMS产品在检测方面的成本。

Description

MEMS结构缺陷的晶圆级自动检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种自动检测系统，尤其是一种MEMS结构缺陷的晶圆级自动检测系统，属于MEMS传感器检测的技术领域。

背景技术

随着物联网技术的发展，需要大量的传感器对不同类型的数据进行采集，因此采用批量微纳制造技术进行MEMS传感器的生产有着重要的意义。其中，MEMS传感器的封装在整个MEMS器件中占有40%至80%的成本。对于MEMS传感器的使用或封装成本来说，一方面可以通过降低封装本身成本的方法来降低MEMS传感器进入市场的门槛；另一方面可以改进与提升MEMS传感器的检测效率与准确度，避免在制造过程中产生缺陷的器件进入后续的封装环节，从而浪费资源。

根据目前的研究成果，MEMS结构中通常存在的缺陷有：可动部件的粘附、器件上的微粒污染、结构的分层、疲劳产生的裂纹、应力梯度产生的翘曲以及腐蚀和结构断裂等。在传统的集成电路生产制造领域，已经有了较完善的芯片检测系统，但由于MEMS的三维结构及其可动的特点，无法用传统的集成电路检测设备对其进行全面的检测，特别是对MEMS三维结构内部的检测以及动态特性的测试。当前，一方面通常使用扫描电子显微镜来对MEMS的三维结构进行静态检测，判断结构中是否存在缺陷；另一方面可以使用多普勒振动测量系统对MEMS悬臂等可动结构进行动态测试。

例如，东南大学的唐洁影等人于2007年提出了一种使用多普勒仪测振系统对MEMS微梁结构粘附特性进行检测的方法，该方法使用多普勒仪的函数发生器加载扫频信号驱动样品振动，并将激光束聚焦在被测结构上，最后将测得的结构振动幅频特性与理论值进行比较，从而判断该结构中是否存在粘附缺陷。2009年，南京师范大学的戎华等人发明了一种在线测量MEMS薄膜应力梯度的方法，该方法通过使用非接触的光学干涉方法测量薄膜的曲率半径，再通过薄膜材料的杨氏模量、泊松比等参数反推其中的应力梯度。2010年，中北大学的薛晨阳等人使用红外干涉技术队MEMS器件的表面形貌进行测量，能够评估MEMS器件表面的粗糙度等参数。

分析上述研究背景可知，目前针对MEMS结构的测量方法中不乏静态与动态的方案，但他们所共同拥有的不足在于：检测功能单一、自动化程度低、检测范围小等，这些不足使得这些方法仅能够在实验室中使用，无法应用于大规模的MEMS生产线。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种MEMS结构缺陷的晶圆级自动检测系统，其能实现非接触式无损检测，自动化程度高，，检测效率及检测精度高，降低MEMS产品的检测成本。

按照本实用新型提供的技术方案，所述MEMS结构缺陷的晶圆级自动检测系统，包括控制计算机及用于放置待测晶圆的晶圆平台，所述晶圆平台通过晶圆平台控制器与控制计算机相连；所述晶圆平台上放置有探针台，所述探针台通过探针台控制器与控制计算机相连；所述控制计算机还与用于获取固有频率及图像的测试模块电连接。

所述测试模块包括表面形貌仪及激光测振仪。

本实用新型的优点：

1、本实用新型提出的MEMS器件的晶圆级自动检测系统为晶圆级自动检测系统，能够实现大范围MEMS器件的自动检测，检测无需接触MEMS结构，可以保证MEMS结构完好，节省人力，提升检测的准确度与效率。

2、本实用新型提出的MEMS器件的晶圆级自动检测方法能够同时或分别对MEMS结构的多种缺陷情况进行检测，其中静态检测基于表面形貌图像对比原理，动态检测基于激光测振频率对比原理；自动化程度高，，检测效率及检测精度高，降低MEMS产品的检测成本。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2为本实用新型的检测流程图。

图3为现有标准样品及承载衬底的结构示意图。

图4为发生竖直方向粘附缺陷的MEMS结构的示意图。

图5为发生翘曲缺陷的MEMS结构的示意图。

图6为发生水平方向粘附缺陷及材料冗余的MEMS结构的示意图。

图7为表面发生裂纹缺陷、凸起缺陷及凹陷缺陷的MEMS结构的示意图。

图8为内部发生裂纹缺陷、凸起缺陷及凹陷缺陷的MEMS结构的示意图。

图9为本实用新型得到标准样品二维彩色图像的示意图。

图10为本实用新型得到待测样品二维彩色图像的示意图。

图11为本实用新型待测样品二维彩色图像与标准样品二维彩色图像对比后的结果图像。

附图标记说明：1-控制计算机、2-表面形貌仪、3-激光测振仪、4-测试模块、5-晶圆平台、6-晶圆平台控制器、7-探针台、8-探针台控制器、9-待测晶圆、10-待测样品、11-测试探头、12-标准样品、13-承载衬底、14-竖向粘附缺陷、15-翘曲缺陷、16-水平粘附缺陷、17-材料冗余缺陷、18-表面裂纹缺陷、19-表面凸起缺陷、20-表面凹陷缺陷、21-内部裂纹缺陷、22-内部凸起缺陷、23-内部凹陷缺陷、24-标准样品二维彩色图像、25-待测样品二维彩色图像、26-对比结果图像、27-图像未对准产生的带状区域、28-缺陷区域、29-标准样品对准标记及30-待测样品承载衬底。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示：本实用新型的MEMS结构缺陷的晶圆级自动检测系统，包括控制计算机1及用于放置待测晶圆9的晶圆平台5，所述晶圆平台5通过晶圆平台控制器6与控制计算机1相连；所述晶圆平台5上放置有探针台7，所述探针台7通过探针台控制器8与控制计算机1相连；所述控制计算机1还与用于获取固有频率及图像的测试模块4电连接；其中，测试模块4包括表面形貌仪2及激光测振仪3，所述表面形貌仪2及激光测振仪3均与控制计算机1电连接。

晶圆平台5能够进行XYZ三轴及角度调节，晶圆平台5的运动方式通过晶圆平台控制器6与控制计算机1配合完成。本实用新型实施例中，控制计算机1、测试模块4、晶圆平台5、晶圆平台控制器6、探针台7及探针台控制器8均可以通过外购获得。所述控制计算机1用于向测试模块4发送信号使测试模块4开始测试，并且用于接收和储存测试模块4所测得的图像与频率数据，最后进行图像与数据处理，生成最终的测试报告。所述控制计算机1也用于向圆平台控制器6发送信号，使晶圆平台5在晶圆平台控制器6的控制下，按照在控制计算机1上所设置的各种参数进行运动；也用于接收晶圆平台控制器6反馈的晶圆平台5的运动信息。所述控制计算机1还用于向探针台控制器8发送信号，使探针台7在探针台控制器8的控制下，按照在控制计算机1上所设置的各种参数进行电信号的加载与撤除；也用于接收探针台控制器8反馈的探针台7工作信息。

所述控制计算机1通过测试模块4、探针台7获取位于晶圆平台5上标准样品12的标准样品二维彩色图像24及标准样品12的标准样品固有频率，并将所述标准样品二维彩色图像24及标准样品12的标准样品固有频率存储于控制计算机1内。控制计算机1获取标准样品12的标准样品二维彩色图像24及标准样品固有频率后，将标准样品12从晶圆平台5上取出，以方便后续的待测晶圆9放置。

将包括若干待测样品10的待测晶圆9放置于晶圆平台5上，并利用待测样品10的待测样品对准标记与测试模块4进行对准，进行上述对准后，能够使得测试模块4获得的待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24相对应；控制计算机1利用测试模块4获取待测样品10的待测样品二维彩色图像25，且控制计算机1将所述待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24进行对比；当待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24对比的结果与控制计算机1内预设的第一阈值不匹配时，控制计算机1根据对比结果记录待测样品10的缺陷类型，并通过晶圆平台控制器6控制晶圆平台5移动，以对待测晶圆9内的下一个待测样品10进行检测；

当待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24对比结果与控制计算机1内预设的第一阈值匹配时，控制计算机1通过探针台控制器8使得探针台7驱动对应的待测样品10振动，测试模块4检测待测样品10的待测样品固有频率，并将所述待测样品固有频率传输到控制计算机1内；控制计算机1将待测样品固有频率与标准样品固有频率对比，当所述待测样品固有频率与标准样品固有频率对比的结果与控制计算机1内预设的第二阈值不匹配时，控制计算机1根据对比结果记录待测样品10的缺陷类型，并通过晶圆平台控制器6控制晶圆平台5移动，以对待测晶圆9内的下一个待测样品10进行检测；

当待测样品固有频率与标准样品固有频率对比的结果与控制计算机1内预设的第二阈值匹配时，控制计算机1利用测试模块4再次获取待测样品10的待测样品二维彩色图像25，并将所述待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24对比，控制计算机1仅记录所述对比结果，并通过晶圆平台控制器6控制晶圆平台5移动，以对待测晶圆9内的下一个待测样品10进行检测，直至待测晶圆9内的所有待测样品10均检测后，控制计算机1将记录的待测晶圆9上对应待测样品10的检测结果输出。所述控制计算机1记录待测样品10的缺陷包括MEMS结构在振动前后的弯曲、粘附、材料冗余、缺料缺失或MEMS结构能否恢复初始状态。所述控制计算机1输出的检测结果为待测样品10的缺陷类型或待测样品10不存在缺陷。

本实用新型实施例中，还可以进行检测操作，具体为；

将包括若干待测样品10的待测晶圆9放置于晶圆平台5上，并利用待测样品10的待测样品对准标记与测试模块4进行对准；控制计算机1通过探针控制器8使得探针台7驱动对应的待测样品10振动，测试模块4检测待测样品10的待测样品固有频率，并将所述待测样品固有频率传输到控制计算机1内；控制计算机1将待测样品固有频率与标准样品固有频率对比，当所述待测样品固有频率与标准样品固有频率对比的结果与控制计算机1内预设的第二阈值不匹配时，控制计算机1根据对比结果记录待测样品10的缺陷类型，并通过晶圆平台控制器6控制晶圆平台5移动，以对待测晶圆9内的下一个待测样品10进行检测；

当所述待测样品固有频率与标准样品固有频率对比的结果与控制计算机1内预设的第二阈值匹配时，控制计算机1利用测试模块4获取待测样品10的待测样品二维彩色图像25，且控制计算机1将所述待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24进行对比；

当待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24对比的结果与控制计算机1内预设的第一阈值不匹配时，控制计算机1根据对比结果记录待测样品10的缺陷类型，并通过晶圆平台控制器6控制晶圆平台5移动，以对待测晶圆9内的下一个待测样品10进行检测；

当待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24对比结果与控制计算机1内预设的第一阈值匹配时，控制计算机1记录待测样品10的检测结果；当控制计算机1对待测晶圆9内的所有待测样品10均检测后，控制计算机1将记录的待测晶圆9上对应待测样品10的结果输出。

如图2所示：利用上述MEMS结构缺陷的晶圆级自动检测系统，可以得到下述MEMS结构缺陷的晶圆级自动检测方法，其中，所述晶圆级的自动检测方法包括如下步骤：

a、选取标准样品12，并将所述标准样品12置于晶圆平台5上，以标准样品12的标准样品对准标记29为参考，将测试模块4对准标准样品12；

所述标准样品12标准样品12为未封装的MEMS芯片或使用透明材料进行芯片级封装后透明材料向上的MEMS芯片。本实用新型实施例中，标准样品12为未封装的MEMS结构，标准样品12位于承载衬底13上，如图3所示；承载衬底13上设置标准样品对准标记29。测试模块4对准标准样品12时，为将测试模块4的测试探头11对准标准样品12。标准样品12可以采用现有常规的检测方法来检测，以使得标准样品12为不存在任何结构缺陷的MEMS，以方便对待测样品10检测时提供对比依据。

b、控制计算机1控制测试模块4获取标准样品12的标准样品二维彩色图像24，且控制计算机1存储所述标准样品二维彩色图像24；

如图9所示：控制计算机1向测试模块4发出测试信号，通过测试模块4内的表面形貌仪2来获取标准样品12的标准样品二维彩色图像24，存储在控制计算机1内以便作为比对的依据。

c、控制计算机1通过探针台控制器8控制探针台7对标准样品12加载扫频激励信号，使标准样品12的发生振动，控制计算机1利用测试模块4得到并存储标准样品12的标准样品固有频率；

控制计算机1存储标准样品12的标准样品固有频率后，将标准样品12的标准样品固有频率作为待测样品10检测的另一个参数。

d、移除晶圆平台5上的标准样品12，并选取待测晶圆9；利用待测晶圆9上的待测样品10的待测样品对准标记放置在晶圆平台5上，并与测试模块4进行对准，且在控制计算机1内设定待测晶圆9上待测样品10的相关参数；

待测晶圆9内包括若干个待测样品10，所述待测样品10为MEMS结构。本实用新型实施例中，所述待测样品10为未封装待测晶圆9上的MEMS芯片或使用透明材料进行芯片级封装后透明材料向上的待测晶圆9上的MEMS芯片。每个待测样品10上均设置待测样品对准标记，利用待测样品对准标记与标准样品12上的标准样品对准标记29进行对准，使待测样品10与标准样品12在测试模块4的测试探头11的视野中的位置相同。待测晶圆9包括待测晶圆承载衬底30。

在控制计算机1内设定待测晶圆9上待测样品10的相关参数包括待测样品10的数量、待测样品10间的间距、待测样品10在待测晶圆9上的布局、频率偏差容限、高度差值容限、边缘偏差容限等参数。如在控制计算机1内设定待测样品10的数量为30个、待测样品10的间距18毫米、待测样品10在待测晶圆9上的布局、频率偏差容限5%、高度值偏差容限5%、边缘偏差容限5微米等参数。通过设置上述参数，控制计算机1能够确定是否对所有的待测样品10均进行检测，并根据所述容限等阈值来确定检测的待测样品10是否存在缺陷，以及存在缺陷时，相应缺陷的类型。

e、控制计算机1控制测试模块4获取待测晶圆9上相应待测样品10的待测样品二维彩色图像25，控制计算机1将获取的待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24进行对比；

如图10所示：为获取的待测样品二维彩色图像25。由于在步骤d中确定了待测样品10与标准样品12中的位置，因此待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24间的区域位置具有对应性，通过相应对比，能确定待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24的不同区域。

f、当待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24间的对比结果与控制计算机1内预设的第一阈值不匹配时，控制计算机1记录所述待测样品10在待测晶圆9中的编号、位置及对比结果对应的缺陷；当所述待测样品10是待测晶圆9上最后一个待测样品10时，控制计算机1将记录的检测缺陷输出，否则控制计算机1通过晶圆平台控制器6控制晶圆平台5按照所需的参数移动，以进行下一个待测样品10的检测；

如图11所示：待测样品二维彩色图像25及标准样品二维彩色图像24间的对比后得到对比结果图像26；根据对比结果图像26的差别来判定待测晶圆10的缺陷类型，所述待测晶圆10的 缺陷类型包括表面缺陷或内部缺陷；图4中为存在数竖直方向粘附缺陷14，图5中存在翘曲缺陷15，图6中为存在水平粘附缺陷16及材料冗余缺陷17、图7中为存在表面裂纹缺陷18、表面凸起缺陷19及表面凹陷缺陷20、图8中为存在内部裂纹缺陷21、内部凸起缺陷22及-内部凹陷缺陷23；

具体地，所述控制计算机1将待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24进行对比时，若待测样品二维彩色图像25每个像素点均能获取对应的高度值，控制计算机1计算待测样品二维彩色图像25所有区域的高度值与标准样品二维彩色图像24对应区域的高度值的差值；若控制计算机1计算得到所有区域内的差值均与预设的第一阈值匹配时，则控制计算机1判定与待测样品二维彩色图像25对应的待测样品10不存在表面缺陷；若计算机1计算得到相应区域的差值与预设的第一阈值不匹配时，则控制计算机1判定待测样品10的对应区域存在表面缺陷。

所述控制计算机1将待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24进行对比时，若待测样品二维彩色图像25不能获取每个像素点对应的高度值，控制计算机1提取待测样品二维彩色图像25每个像素点的RGB（红绿蓝）值，控制计算机1计算提取待测样品二维彩色图像25所有区域内像素点的RGB值与标准样品二维彩色图像24对应区域的RGB值的差值；若控制计算机1计算得到所有区域内的差值均与预设的第一阈值匹配时，则控制计算机1判定与待测样品二维彩色图像25对应的待测样品10不存在表面缺陷；若计算机1计算得到相应区域的差值与预设的第一阈值不匹配时，则控制计算机1判定待测样品10的对应区域存在表面缺陷。

所述待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24存在对准误差时，控制计算机1对待测样品二维彩色图像25及标准样品二维彩色图像24进行对比后，对比后的差值图像边缘出现带状图像差异集中区域；当所述带状图像差异集中区域与控制计算机1中预设的第三阈值不匹配或带状图像差异集中区域的宽度与控制计算机1内预设宽度差异值不匹配时，控制计算机1判定待测样品10存在表面缺陷。

上述控制计算机1内预设的第一阈值及第三阈值根据不同的待测样品10预先设定，以满足不同检测的要求。所述阈值匹配是指对比结果中的差值在控制计算机1内容限范围内，反之即为不匹配。

g、当待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24间的对比结果与控制计算机1内预设的第一阈值匹配时，控制计算机1通过探针台控制器8使得探针台7加载扫频激励信号，待测样品10振动；控制计算机1通过测试模块4获取并存储所述待测样品10的待测样品固有频率，且控制计算机1将所述待测样品固有频率与标准样品固有频率进行对比；

h、当待测样品固有频率与标准样品固有频率对比的结果与控制计算机1内预设的第二阈值不匹配时，控制计算机1记录所述待测样品10在待测晶圆9中的编号、位置及对比结果对应的缺陷；当所述待测样品10是待测晶圆9上最后一个待测样品10时，控制计算机1将记录的检测缺陷输出，否则控制计算机1通过晶圆平台控制器6控制晶圆平台5按照所需的参数移动，以进行下一个待测样品10的检测；

当通过待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24对比，且与控制计算机1内预设的第一阈值匹配时，还不能够认为待测样品10一定不存在缺陷，还需要通过固有频率的参数比较判定。当得到的待测样品固有频率与标准样品固有频率对比后结果与第二阈值不匹配时，则可以认定为待测样品10存在振动后缺陷。当晶圆平台控制器6控制晶圆平台5移动后，均需要将待测晶圆9上对应的待测样品10与测试模块4的测试探头11对准，并进行自动对焦和干涉条纹调节，以满足检测精度的要求。

i、当待测样品固有频率与标准样品固有频率对比的结果与控制计算机1内预设的第二阈值匹配时，控制计算机1通过测试模块4再次获取待测样品10的第二二彩色图像25；控制计算机1将所述再次获取的待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24对比；

本实用新型实施例中，再次获取待测样品二维彩色图像25的目的，是为了判断待测样品10在振动后是否存在缺陷以及相应的缺陷能否在振动后恢复初始状态，从而能够对待测样品10进行全方位的精确检测。一般地，对待测样品10进行固有频率的对比操作复杂度要大于对待测样品10进行待测样品二维彩色图像25进行对比操作的复杂度。本实用新型实施例中，都是先通过待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24对比，然后再进行待测样品固有频率与标准样品固有频率的对比，通过对比结果来判定是否存在缺陷；这种操作流程的好处时，当通过待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24对比后与预设第一阈值不匹配时，即可认为待测样品10存在缺陷，而不必再进行固有频率的对比操作，能够降低对比的复杂度，提高检测效率。而只有当对待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24对比结果与第一阈值匹配时，才需要利用固有频率对比的方法进行振动检测，提高检测精度。本技术领域人员应当知道，本实用新型实施例中也可以先对待测样品10的待测样品固有频率与标准样品固有频率对比，然后进行待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24的对比，此处不再赘述。

j、上述步骤i中，无论控制计算机1对再次获取的待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24对比的结果是否与控制计算机1内预设的第一阈值匹配，控制计算机1记录所述待测样品10在待测晶圆9中的编号、位置及对比结果对应的缺陷；当所述待测样品10是待测晶圆9上最后一个待测样品10时，控制计算机1将记录的检测结果输出，否则控制计算机1通过晶圆平台控制器6控制晶圆平台5按照所需的参数移动，以进行下一个待测样品10的检测，直至控制计算机1对待测晶圆9内的所有待测样品10均进行检测。

本实用新型实施例中，控制计算机1在对一个待测样品10进行检测时，将整个检测过程的检测结果均记录，并对每次记录的结果进行判定；即当控制计算机1再次获取待测样品二维彩色图像25，并通过待测样品二维彩色图像25与标准样品二维彩色图像24进行对比时，所述对比结果记录在控制计算机1内，所述记录的对比结果与之前记录的对比结果会同时存在，以能够方便查阅和判定待测样品10能否在振动后恢复初始状态的。

本实用新型利用表面形貌图像对比和激光测振频率对比的原理，对MEMS结构的表面缺陷和内部缺陷进行静态和动态的检测，判断所制得的MEMS产品是否可以进入后续的封装流程。该检测系统及检测方案为晶圆级自动检测，且为非接触式无损检测，适用于大规模的生产线，节约人力，检测结果准确、检测效率高，能够节约MEMS产品在检测方面的成本。

此实施例可以用来说明本实用新型的结构和制造过程，但本实用新型的实施绝不仅限于此实施例。在不脱离本实用新型及所附的权利要求的范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本实用新型的保护范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1. 一种MEMS结构缺陷的晶圆级自动检测系统，其特征是：包括控制计算机（1）及用于放置待测晶圆（9）的晶圆平台（5），所述晶圆平台（5）通过晶圆平台控制器（6）与控制计算机（1）相连；所述晶圆平台（5）上放置有探针台（7），所述探针台（7）通过探针台控制器（8）与控制计算机（1）相连；所述控制计算机（1）还与用于获取固有频率及图像的测试模块（4）电连接。

2.根据权利要求1所述的MEMS结构缺陷的晶圆级自动检测系统，其特征是：所述测试模块包括表面形貌仪（2）及激光测振仪（3）。

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