Validation of a multi-channel LCR meter for wafer-level MEMS element testing

Abstract

Impedance measurements are crucial methods of characterization in numerous fields, including semiconductors, battery technology, and medical applications. Murata Electronics Oy utilizes impedance meters for the testing of capacitive micro-electromechanical system (MEMS) elements used in inertial sensors. Determination of capacitance and series resistance is a key part for detecting defective elements and ensuring the quality of products. Murata has developed their own digital auto-balancing impedance bridge to better fulfill their testing requirements and reduce costs. This work focuses on validating this meter for MEMS wafer testing with a probing system, which is capable of measuring four MEMS elements in parallel. The accuracy of the instrument was assessed with individual Gage R&R variance studies for a single-channel and a multi-channel configuration. In addition, results are compared to Keysight E4980A impedance bridges. Results indicate that the 6σ of gauge variation is within 10% of specified element tolerance limits when measuring static capacitance. Average relative error of capacitance compared to E4980A results was found to be 1.5%. The meter was not found quite as adequate for measuring the more challenging parameter, series resistance, with tolerance percentages largely exceeding 30%. Future investigation to impedance vector phase noise reduction and optimization of measurement parameters is suggested.

Impedanssin mittaus on tärkeä karakterisointimenetelmä useilla aloilla, mukaan lukienpuolijohteet, akkuteknologia sekä lääketieteen sovellukset. Murata Electronics Oy käyttää impedanssimittareita kapasiitiivisten mikroelektromekaanisten (MEMS) elementtientestaamiseen, joita käytetään kulmanopeus- ja kiihtyvyysantureissa. Kapasitanssin ja sarjavastuksen määrittäminen on keskeinen osa vikojen havaitsemista ja tuotteiden laadunvarmistamista. Murata on kehittänyt oman digitaalisen autobalansoivan impedanssimittarinsa täyttääkseen paremmin testausvaatimuksensa ja vähentääkseen kustannuksia. Tämä työ keskittyy mittarin validointiin MEMS kiekkotason testaukseen käyttämällä testausjärjestelmää, joka kykenee mittaamaan neljää MEMS-elementtiä rinnakkain. Mittarin tarkkuutta arvioitiin yksikanavaisen ja monikanavaisen konfiguraation Gage R&R varianssianalyyseillä. Lisäksi tuloksia verrattiin Keysight E4980A impedanssimittareihin. Tulokset osoittavat mittarin 6σ variaation olevan alle 10% määritellyistä elementin toleranssirajoista staattista kapasitanssia mitattaessa. Kapasitanssin keskimääräinen suhteellinen virhe verrattuna E4980A:n tuloksiin oli 1,5%. Mittari ei osoittautunut yhtä sopivaksi haastavamman parametrin, sarjavastuksen, mittaamiseen, sillä toleranssiprosentit pääosin ylittivät 30%. Tulevaisuudessa suositellaan tutkimaan imepdanssivektorin vaiheherkkyyden vähentämistä ja mittausparametrien optimointia.