據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，基于法國里爾大學(xué)（University of Lille）的微懸誤差研究科學(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臂梁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定位的量思路和發(fā)現(xiàn)，對測試工程師和自動探測MEMS探針設(shè)計(jì)師有一定的針中啟發(fā)作用。
電氣測試探針已經(jīng)有相當(dāng)長的傾斜開發(fā)歷史。自20世紀(jì)70年代以來，相關(guān)校正業(yè)界就開發(fā)出了射頻（RF）探針用于對微電子革命“成果”（包括模擬和數(shù)字器件及系統(tǒng)）進(jìn)行晶圓級表征。化和事實(shí)上，基于隨著微電子技術(shù)的微懸誤差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，臂梁這包括了其自身的定位的量微型化。
隨著晶圓上的針中探針和目標(biāo)接觸焊盤越來越小，探針的傾斜放置變得越來越有挑戰(zhàn)性。更小探針的相關(guān)校正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定位技術(shù)。量化并控制傾斜誤差，對于利用微懸臂梁優(yōu)化自動化探針測試至關(guān)重要。然而，后者的研究還沒有考量潛在的微型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，針尖滑動本身可以被視為一種定位誤差，原則上可以利用滑動補(bǔ)償來消除這種誤差。這種探針的超行程/滑動/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，這些分析忽略了潛在的傾斜相關(guān)幾何位置誤差對此類探針針尖表面接觸的影響，而這在實(shí)踐中很常見。
對于微型射頻探針，通常需要三個(gè)電觸點(diǎn)：即兩個(gè)接地觸點(diǎn)及其包圍的信號觸點(diǎn)，這對于共面波導(dǎo)（CPW）和微帶配置都是如此。中心信號觸點(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源，并對其進(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)測滾轉(zhuǎn)誤差對此類探針超行程/滑動/接觸力關(guān)系的影響。由此，探針設(shè)計(jì)者可以通過建模工具來量化并預(yù)測滾轉(zhuǎn)誤差角的影響，并且對于高價(jià)值MEMS探針，有望在測試過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，那么厘米級尺寸的聚苯乙烯懸臂梁的剛度與微米級硅懸臂梁就處于同一數(shù)量級。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（來源：JMM）
兩個(gè)基于微懸臂梁的MEMS探針的建模結(jié)果（來源：JMM）
總結(jié)來說，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。通過考量給定懸臂的彎曲、扭轉(zhuǎn)、針尖滑動和接觸力，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值。
對于給定的滾轉(zhuǎn)誤差角，該模型可以預(yù)測實(shí)現(xiàn)探針尖端平面度所需的超行程。該模型還可以預(yù)測每個(gè)接觸焊盤上的接觸力，并且原則上可以用于預(yù)測滾轉(zhuǎn)誤差角對電接觸測試質(zhì)量的影響。該模型可以采用厘米級尺寸的懸臂進(jìn)行測試。這種方法相比微型懸臂梁更具挑戰(zhàn)性的表征要容易。
測量和建模的方法學(xué)能夠評估材料的機(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。
作者簡介：
Steve Arscott是法國里爾大學(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年在英國曼徹斯特大學(xué)獲得博士學(xué)位以來，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電氣表征。
論文鏈接：DOI 10.1088/1361-6439/acd25e
審核編輯 ：李倩
