據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，法國(guó)里爾大學(xué)（University of Lille）的研究科學(xué)家Steve Arscott近日在Journal of Micromechanics and Microengineering（JMM）期刊上發(fā)表了題為“Quantifying and correcting tilt-related positioning errors in microcantilever-based microelectromechanical systems probes”的論文，提出了基于微懸臂梁的MEMS探針中與傾斜相關(guān)定位誤差的量化和校正方法。作者希望這篇論文提出的思路和發(fā)現(xiàn)，對(duì)測(cè)試工程師和自動(dòng)探測(cè)MEMS探針設(shè)計(jì)師有一定的啟發(fā)作用。

電氣測(cè)試探針已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)歷史。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，業(yè)界就開(kāi)發(fā)出了射頻（RF）探針用于對(duì)微電子革命“成果”（包括模擬和數(shù)字器件及系統(tǒng)）進(jìn)行晶圓級(jí)表征。事實(shí)上，隨著微電子技術(shù)的微型化和工作頻率的發(fā)展演進(jìn)，電氣探針也在不斷改進(jìn)以保持表征性能，這包括了其自身的微型化。

隨著晶圓上的探針和目標(biāo)接觸焊盤越來(lái)越小，探針的放置變得越來(lái)越有挑戰(zhàn)性。更小探針的制造也變得更加迫切，傳統(tǒng)基于組裝的制造可能很快需要被微米/納米制造所取代。在這一重要背景下，很多學(xué)者已經(jīng)研究了各種位置誤差對(duì)高頻電氣探針性能的影響。這些研究大多涉及宏觀的商用探針的放置，還沒(méi)有考量探針潛在的機(jī)械柔韌性。

就微型探針而言，已經(jīng)研究了避免誤差的自動(dòng)定位技術(shù)。量化并控制傾斜誤差，對(duì)于利用微懸臂梁優(yōu)化自動(dòng)化探針測(cè)試至關(guān)重要。然而，后者的研究還沒(méi)有考量潛在的微型MEMS探針的機(jī)械柔韌性。微懸臂梁可用于制造各種微型電氣探針，包括射頻探針。

微懸臂梁利用MEMS技術(shù)制造，這使得探針能夠微型化，具有機(jī)械柔韌性，并且在制造階段與微電子材料和器件的結(jié)合兼容。然而，為了實(shí)現(xiàn)最佳探測(cè)和電接觸，需要考慮微懸臂梁固有的機(jī)械柔韌性。

事實(shí)上，針尖滑動(dòng)本身可以被視為一種定位誤差，原則上可以利用滑動(dòng)補(bǔ)償來(lái)消除這種誤差。這種探針的超行程/滑動(dòng)/接觸力的關(guān)系已經(jīng)得到了充分研究和分析。這些分析產(chǎn)生了一套基本且易于使用的建模工具。不過(guò)，這些分析忽略了潛在的傾斜相關(guān)幾何位置誤差對(duì)此類探針針尖表面接觸的影響，而這在實(shí)踐中很常見(jiàn)。

對(duì)于微型射頻探針，通常需要三個(gè)電觸點(diǎn)：即兩個(gè)接地觸點(diǎn)及其包圍的信號(hào)觸點(diǎn)，這對(duì)于共面波導(dǎo)（CPW）和微帶配置都是如此。中心信號(hào)觸點(diǎn)與相鄰接地觸點(diǎn)之間的距離由微波設(shè)計(jì)定義，這種分離意味著探針針尖具有有限的頂點(diǎn)長(zhǎng)度。

為了獲得最佳的電接觸，這三個(gè)觸點(diǎn)必須同時(shí)與下面的測(cè)試特征緊密接觸，通常是由光刻工藝定義的金屬接觸焊盤。還必須存在足夠的接觸力以實(shí)現(xiàn)低電阻電接觸。鑒于這種基于微懸臂梁的探針配置，Steve Arscott考量了放置誤差的來(lái)源，并對(duì)其進(jìn)行了量化。

基于微懸臂梁的MEMS探針中俯仰（Pitch）、偏航（Yaw）和滾轉(zhuǎn)（Roll）誤差的定義（來(lái)源：JMM）

在這項(xiàng)研究中，Steve Arscott嘗試量化了基于柔性懸臂量的MEMS探針的滾轉(zhuǎn)誤差，以預(yù)測(cè)滾轉(zhuǎn)誤差對(duì)此類探針超行程/滑動(dòng)/接觸力關(guān)系的影響。由此，探針設(shè)計(jì)者可以通過(guò)建模工具來(lái)量化并預(yù)測(cè)滾轉(zhuǎn)誤差角的影響，并且對(duì)于高價(jià)值MEMS探針，有望在測(cè)試過(guò)程中避免可能具有破壞性的實(shí)際試驗(yàn)和誤差方法。

基于具有柔韌性的微懸臂梁的MEMS探針中滾轉(zhuǎn)誤差角示意圖（來(lái)源：JMM）

致密聚苯乙烯的彈性模量在<110>方向上比結(jié)晶硅的彈性模量小約100倍，那么厘米級(jí)尺寸的聚苯乙烯懸臂梁的剛度與微米級(jí)硅懸臂梁就處于同一數(shù)量級(jí)。因此，Steve Arscott采用致密聚苯乙烯懸臂梁進(jìn)行了宏觀實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果可用于測(cè)試該力學(xué)模型，還有助于深入了解采用硅基微懸臂梁預(yù)期的力學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了模型與實(shí)驗(yàn)之間的良好一致性。

兩個(gè)基于具有柔韌性的梯形硅微懸臂梁的MEMS雙觸點(diǎn)探針（來(lái)源：JMM）

兩個(gè)基于微懸臂梁的MEMS探針的建模結(jié)果（來(lái)源：JMM）

總結(jié)來(lái)說(shuō)，分析建模可以描述具有兩個(gè)或多個(gè)電接觸焊盤的MEMS探針中的滾轉(zhuǎn)角位置誤差。通過(guò)考量給定懸臂的彎曲、扭轉(zhuǎn)、針尖滑動(dòng)和接觸力，推導(dǎo)出了與尖端平面度所需超行程相關(guān)的方程。有趣的是，這些方程只涉及懸臂材料的泊松比，而不涉及彈性模量或剪切模量的絕對(duì)值。

對(duì)于給定的滾轉(zhuǎn)誤差角，該模型可以預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)探針尖端平面度所需的超行程。該模型還可以預(yù)測(cè)每個(gè)接觸焊盤上的接觸力，并且原則上可以用于預(yù)測(cè)滾轉(zhuǎn)誤差角對(duì)電接觸測(cè)試質(zhì)量的影響。該模型可以采用厘米級(jí)尺寸的懸臂進(jìn)行測(cè)試。這種方法相比微型懸臂梁更具挑戰(zhàn)性的表征要容易。

測(cè)量和建模的方法學(xué)能夠評(píng)估材料的機(jī)械性能（彈性模量、剪切模量和泊松比）。該模型的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合。由于該模型是可擴(kuò)展的，因此至少在原理上，它大致可以近似了解基于硅微懸臂梁的MEMS探針中的滾轉(zhuǎn)角定位誤差。

這些研究發(fā)現(xiàn)可以提出基于具有柔韌性的微懸臂梁的探針中滾轉(zhuǎn)誤差的補(bǔ)償和校正方案。具有柔韌性的微懸臂梁可以對(duì)滾轉(zhuǎn)誤差角進(jìn)行扭轉(zhuǎn)補(bǔ)償，還可以校正滾轉(zhuǎn)誤差角。探針尖端的特定幾何形狀和實(shí)驗(yàn)設(shè)置將決定哪種方法最適合。

作者簡(jiǎn)介：

Steve Arscott是法國(guó)里爾大學(xué)電子、微電子和納米技術(shù)研究所（IEMN）的CNRS研究科學(xué)家。自1994年在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)獲得博士學(xué)位以來(lái)，他的主要研究方向包括微納制造及其眾多應(yīng)用，例如在IEMN開(kāi)發(fā)的微型硅基MEMS探針的持續(xù)創(chuàng)新和研究，可用于微電子電路的高頻表征及晶圓級(jí)電氣表征。

論文鏈接：DOI 10.1088/1361-6439/acd25e

審核編輯 ：李倩