MEMS 微机电系统测量

2026-10-09 17:13:50 优尼康

应用领域 · 半导体制造与封测

MEMS 微机电系统测量方案

MEMS Devices

MEMS 器件的共同点是有可动的或悬空的三维结构，尺寸在微米量级，形状复杂。压力传感器的膜片厚度、微镜的镜面平整度、声学器件的腔体深度、微流控芯片的沟道尺寸，这些量都决定了器件的性能。三维结构比平面薄膜难测，本页按器件类型拆开，说明每类要测什么、用什么设备测。

覆盖对象压力传感器、微镜、声学器件与微流控结构结构尺寸亚微米至数百微米台阶范围纳米级至毫米级测试服务免费样品测试并出报告

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提供器件结构形式与标称尺寸，工程团队协助确认测量方式与禁测区域

一、MEMS 器件为什么要测结构

MEMS 的性能建立在三维几何上。膜片薄一点，压力灵敏度就变了；镜面平一点，光学调制效率就高了；腔体深一点，声学谐振频率就下降。这些几何量在平面工艺里看不到，必须用三维测量手段确认。同一套设备往往能覆盖多类器件，关键是取点位置和测量方式要按器件结构来定。

膜片与结构厚度压力传感器与声学器件的关键参数，决定灵敏度与谐振频率。触针台阶仪深度范围纳米级至 1200 μm

结构尺寸与间隙梳齿、沟道与腔体的横向尺寸决定器件功能。共聚焦与探针类方法读取

表面平整度与粗糙度微镜与光学 MEMS 的表面状态直接影响光学性能。白光干涉垂直分辨率优于 0.1 nm

力学性能与残余应力薄膜模量与应力影响结构形变与长期可靠性。纳米压痕载荷分辨率可达纳牛量级

测量项目与适用方法

测量项目	典型范围	适用方法	关注点
膜片厚度	亚微米至数十微米	触针式轮廓法与光谱反射法	中心与边缘是否一致
腔体与沟道深度	数微米至数百微米	白光干涉与共聚焦	深度均匀性
结构线宽与间隙	亚微米至数十微米	共聚焦与原子力显微镜	取值高度是否统一
表面平整度	纳米级至微米级	白光干涉	是否满足光学要求
表面粗糙度	亚纳米至纳米	原子力显微镜	是否引入散射
薄膜模量与应力	由工艺决定	纳米压痕与轮廓法	是否引起结构翘曲

上表为常见测量项目，实际判据以器件设计文件为准。可动或悬空结构优先用非接触方法；需要接触测量时，探针力要调到较低档并避开可动区域。

二、测量难在哪

MEMS 测量的难点来自结构的立体性与多样性。下面这几种情况在器件开发与产线监控中出现得比较频繁。

结构是立体的MEMS 的价值在三维结构上，平面测量给不出足够信息。必须用能重建高度场的方法，逐点读数说明不了形状。

结构往往可动可动结构的接触测量有损伤风险。测量方案要先确认哪些区域可以接触、哪些必须非接触。

器件类型多、结构差异大压力传感器是膜片，微镜是平整表面，微流控是深沟道，同一台设备的合适设置并不相同。要按器件类型调整物镜、量程与取点。

透明层与多层结构器件表面可能覆盖透明钝化层，光学信号会叠加膜层干涉。测量时要把膜厚数据与结构高度分开处理。

深宽比限制深腔与窄沟道会遮挡光学信号，深宽比升高后读数可靠性下降。超出范围时要改用探针或截面方法。

晶圆与单颗器件的差异晶圆级测量与切割后的单颗器件测量，边界条件不同，悬空结构的形变也可能不同。比对数据时要说明样品状态。

三、按器件类型要测什么

不同器件类型的测量重点不一样。下表按器件拆开，方便对照设计文件确认测量项目。

压力与声学器件光学 MEMS微流控与生物芯片通用结构表征

器件类型	要测的项目	典型样品	适配机型	判据关注点
压力传感器	膜片厚度与形变	传感器芯片	P-170、Profilm3D	膜片厚度均匀性与初始形变
声学器件	腔体深度与振膜形貌	麦克风与扬声器芯片	Zeta-20、Profilm3D	腔体深度一致性与振膜状态
光学 MEMS	镜面平整度与粗糙度	微镜与光开关	Profilm3D、Flex-ANA	平整度与散射水平
微流控芯片	沟道深度、宽度与形貌	微流控基片	Zeta-20、D600	沟道截面尺寸与壁面质量
通用结构	线宽、间隙与台阶	各类 MEMS 结构	Zeta-388、P-170	尺寸是否在设计窗口内
薄膜力学	模量、硬度与应力	测试结构	G200X、iNano	是否满足器件设计要求

四、对应设备

按测量项目分成四类，每类下面是对应的产品。形貌用光学轮廓，厚度用台阶仪，微区用探针。

三维形貌与平整度

用于结构形貌、平整度与大面积测量的非接触方法。

Profilm3D 光学轮廓仪 Zeta-20 三维形貌仪 Zeta-388 三维形貌仪 F54-XY-200 晶圆级

台阶与厚度

用于膜片厚度、腔体深度与台阶高度的几何读数。

P-170 全自动台阶仪 D600 高精度台阶仪 D500 台式台阶仪触针式台阶仪系列

微区形貌与粗糙度

用于纳米级形貌、粗糙度与侧壁状态复核。

Nanosurf Flex-ANA AFSEM 真空环境用原子力显微镜系列

力学与表面

用于薄膜模量、硬度与表面润湿性评价。

G200X 纳米压痕 iNano 高分辨纳米压痕接触角测量仪系列

优尼康科技是 KLA 旗下 Filmetrics 光反射膜厚仪的中国区总代理，同时提供 KLA 光学轮廓仪与触针式台阶仪、HORIBA 椭偏仪与粒度仪、KRÜSS 接触角测量仪、Nanosurf 原子力显微镜等产品线。另代理 J.A. Woollam 椭偏仪，在售型号为 RC2、M-2000、theta-SE 与 alpha 2.0，光谱覆盖 193 至 2500 nm。

MEMS 器件建议先确定哪些区域可测，再用非接触方法做大面积形貌，再用探针补微区细节。了解 MEMS 器件测量选型建议

五、技术原理对比

原理决定了各自能回答的问题。大面积形貌用白光干涉，深度与剖面用共聚焦，微区与力学用探针。

技术	代表型号	测量原理	在 MEMS 器件中的用途	特点
白光干涉	Profilm3D	沿 Z 轴扫描干涉信号峰值位置重建高度场	平整度、粗糙度与大面积三维形貌	非接触，垂直分辨率优于 0.1 nm
共聚焦显微	Zeta-20、Zeta-388	逐层聚焦重建三维形貌	沟道、腔体深度与剖面形状	非接触，台阶覆盖 15 nm 至 25 mm
触针式轮廓法	P-170、D600	探针划过表面记录高度变化	膜片厚度、腔体深度与台阶	接触式，深度范围纳米级至 1200 μm
原子力显微镜	Flex-ANA、AFSEM	探针扫描给出三维形貌与力学映射	纳米级形貌与侧壁粗糙度	纳米级分辨，适合微区复核
纳米压痕	G200X、iNano	压入过程记录载荷与位移	薄膜模量、硬度与残余应力评价	载荷分辨率可达纳牛量级

六、异常现象的排查顺序

现场发现问题时，先判断属于尺寸、形貌还是力学，再决定用哪台设备。

现象	先看什么	用什么测
压力灵敏度偏离	膜片厚度与初始形变	P-170 测膜片厚度，Profilm3D 测形变
光学调制效率低	镜面平整度与粗糙度	Profilm3D 测平整度，Flex-ANA 测粗糙度
器件频率偏离设计	腔体深度与结构尺寸	Zeta-20 测腔深，Zeta-388 复核结构尺寸
微流控流量不符	沟道截面尺寸	D600 测沟道深度，Zeta-20 读宽度
结构出现翘曲	残余应力与膜层状态	Profilm3D 测翘曲，iNano 测薄膜力学性能
器件失效或粘连	悬空结构形貌与间隙	Zeta-20 看结构状态，Profilm3D 看塌陷区域