GB-T 42897-2023 微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù) 硅基MEMS納米厚度膜抗拉強度試驗方法

微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)硅基MEMS納米厚度膜抗拉強度試驗方法Micro-electromechanicalsystems(MEMS)technology-Tensilestrengthtestmethodfornano-scalemembranesof2023-08-06發(fā)布2023-12-01實施國家標準化管理委員會I前言 12規(guī)范性引用文件 l3術(shù)語和定義 4試驗要求 5試驗方法 附錄A(資料性)推薦形變量標尺結(jié)構(gòu)及其指示數(shù)值讀取方法 5附錄B(資料性)納米厚度膜抗拉強度原位片上試驗機體硅工藝制備實例 6附錄C(資料性)納米厚度膜抗拉強度原位片上試驗機尺寸建議 7本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由全國微機電技術(shù)標準化技術(shù)委員會(SAC/TC336)提出并歸口。本文件起草單位：北京大學(xué)、中機生產(chǎn)力促進中心有限公司、中國電子技術(shù)標準化研究院、北京燕東微電子科技有限公司、廈門市智慧健康研究院有限公司、寧波瑞成包裝材料有限公司、四川富生電器有限責任公司、深圳市美思先端電子有限公司、無錫韋感半導(dǎo)體有限公司、廣州奧松電子股份有限公司、江門市潤宇傳感器科技有限公司。本文件主要起草人：張大成、楊芳、李根梓、顧楓、劉鵬、李鳳陽、王旭峰、高程武、陳藝、于志恒、Ⅲ微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)硅基MEMS納米厚度膜抗拉強度試驗方法1范圍本文件描述了硅基MEMS加工過程中所涉及的納米厚度膜軸向抗拉強度原位試驗的要求和試驗方法。本文件適用于采用微電子工藝制造的納米厚度膜抗拉強度測試。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(句括所有的修改單)適用干本文件。GB/T26111微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)術(shù)語3術(shù)語和定義GB/T26111界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。硅加工工藝siliconprocess硅微加工技術(shù)。注：雖然硅工藝一般分為表面微加工和體硅微加工，但其中的許多技術(shù)是相同的。原位片上抗拉強度試驗機insituon-chiptensilestrengthtester由測試結(jié)構(gòu)和測試裝置組成，并將二者集成在同一晶圓上采用同一硅加工工藝流程加工形成的用于評估工藝相關(guān)微納結(jié)構(gòu)抗拉強度的試驗機。為了測量材料性能或微結(jié)構(gòu)的性能專門制作的微納結(jié)構(gòu)。測試裝置testingdevice將力或位移傳遞到測試結(jié)構(gòu)同時可以讀出力或位移的微結(jié)構(gòu)。4試驗要求4.1原位片上抗拉強度試驗機的設(shè)計要求原位片上抗拉強度試驗機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。a)原位片上試驗機示意圖b)原位片上試驗機三視圖c)原位片上試驗機局部放大圖標引序號說明：1——折疊梁；L?——測試結(jié)構(gòu)同測試裝置交疊部分長度；2——測試結(jié)構(gòu)；L?——測試結(jié)構(gòu)端部的寬度；3——折疊梁；L?——測試結(jié)構(gòu)中間部分寬度；7——圓環(huán)結(jié)構(gòu)層；L?——測力梁長度；8——游標；La——形變量標尺主尺的寬度；9——主尺；Lg——形變量標尺主尺的間隔；10——驅(qū)動加載點；L10——形變量標尺游標的寬度；H?——測試裝置硅結(jié)構(gòu)層厚度；N?——折疊梁的根數(shù)；H?——測試結(jié)構(gòu)厚度；N?——形變量標尺主尺的根數(shù)。圖1納米厚度膜抗拉強度原位片上試驗機2原位片上抗拉強度試驗機的設(shè)計應(yīng)滿足以下要求。a)測試結(jié)構(gòu)同測試裝置交疊部分長度L?大于30μm。b)測試結(jié)構(gòu)端部的寬度L,大于測試結(jié)構(gòu)中間部分的寬度L?。c)折疊梁剛度系數(shù)比測試結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)至少低一個數(shù)量級。d)圓形錨點同圓環(huán)結(jié)構(gòu)層成共同一圓心，且圓環(huán)結(jié)構(gòu)層內(nèi)環(huán)與圓形錨點弧面間的間距取工藝允許最小值。e)測力梁的長寬比L?/Ls同測試結(jié)構(gòu)截面積L?H?相匹配，以保證應(yīng)力的測量分辨率小于等于f)形變量標尺設(shè)計滿足相應(yīng)試驗的分辨率要求，并在光學(xué)顯微鏡下能準確分辨標尺指示數(shù)值d。推薦的一種形變量標尺結(jié)構(gòu)及其指示數(shù)值d讀取方法在附錄A的圖A.1中給出。4.2原位片上抗拉強度試驗機的制備要求原位片上抗拉強度試驗機制備應(yīng)滿足以下要求：a)測試結(jié)構(gòu)與測試裝置在同一晶圓上，采用同一硅加工工藝流程加工形成；b)除測試結(jié)構(gòu)和襯底外，納米厚度膜抗拉強度原位片上試驗機結(jié)構(gòu)的構(gòu)成材料為單晶硅。注：一種基于硅玻璃陽極鍵合的體硅工藝流程制備的納米厚度膜抗拉強度原位片上試驗機實例在附錄的B圖B.1中給出。4.3試驗環(huán)境要求試驗應(yīng)在MEMS器件芯片實際制造環(huán)境中進行。5試驗方法5.1概述納米厚度膜抗拉強度的試驗是利用驅(qū)動加載對測試裝置施加作用；測試結(jié)構(gòu)的形變和破壞，利用測試裝置自帶形變量標尺(游標尺)指示數(shù)值d確定測試結(jié)構(gòu)的抗拉強度。5.2納米厚度膜抗拉強度試驗過程如圖2所示，進行納米厚度膜抗拉強度試驗時，探針臺上光學(xué)顯微鏡的視野范圍應(yīng)覆蓋探針和原位片上抗拉強度試驗機的全貌。納米厚度膜抗拉強度試驗過程如下。a)納米厚度膜抗拉強度試驗前，應(yīng)將載有片上試驗機的晶圓固定在微電子芯片檢測用探針臺上，如圖2a)所示。b)在驅(qū)動加載點處用探針沿測試裝置的中軸線施加水平推力，運動方向如圖2b)所示。驅(qū)動加載作用的速度應(yīng)保證能夠清楚觀察測試結(jié)構(gòu)的變形情況。通過顯微鏡觀測測試結(jié)構(gòu)和形變量標尺，當測試結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂時，記錄此刻形變量標尺的指示數(shù)值d。c)測試結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂后，應(yīng)停止驅(qū)動加載。為了獲得足夠的分辨率，測試結(jié)構(gòu)設(shè)計的建議尺寸見附錄C的表C.1。3GB/T42897—2023a)探針施加作用前標引序號說明：1——驅(qū)動加載點；2——測試結(jié)構(gòu)；3——形變量標尺指示數(shù)值d。b)測試結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂時，形變量標尺指示數(shù)值為d圖2納米厚度膜抗拉強度試驗過程示意圖5.3硅基MEMS納米厚度膜抗拉強度試驗結(jié)果計算利用測試結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂時形變量標尺的指示數(shù)值d,其抗拉強度Rm可按公式(1)計算。式中：Rm——抗拉強度，單位為兆帕(MPa);E——結(jié)構(gòu)層硅的楊氏模量，單位為帕(Pa);H?——測試裝置硅結(jié)構(gòu)層厚度，單位為微米(μm);H?——測試結(jié)構(gòu)厚度，單位為納米(nm);L?——測試結(jié)構(gòu)中間部分寬度，單位為微米(μm);k——測試結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂時，形變量標尺的指示數(shù)值同抗拉強度間的換算系數(shù)，單位為兆帕每微米(MPa/μm),在表C.1中給出了不同推薦尺寸下的k值以供用戶查閱使用。4(資料性)推薦形變量標尺結(jié)構(gòu)及其指示數(shù)值讀取方法圖A.1給出了推薦形變量標尺結(jié)構(gòu)及其指示數(shù)值讀取方法。初始位置a)b)標引序號說明：1——固定刻度；2——標尺指針。圖A.1推薦形變量標尺結(jié)構(gòu)及其指示數(shù)值讀取方法5玻璃GB/T42897—2023玻璃(資料性)納米厚度膜抗拉強度原位片上試驗機體硅工藝制備實例圖B.1給出了納米厚度膜抗拉強度原位片上試驗機體硅工藝制備實例。a)刻蝕形成硅臺階b)PVD或CVD圖形化后形成膜結(jié)構(gòu)c)硅玻璃陽極鍵合d)圖形化硅結(jié)構(gòu)層后DRI