GBT 42895-2023 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù) 硅基MEMS微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗方法

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)硅基MEMS微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗方法2023-08-06發(fā)布國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會I 2規(guī)范性引用文件 l3術(shù)語和定義 14試驗要求 24.1原位片上彎曲強(qiáng)度試驗機(jī)的設(shè)計要求 24.2原位片上彎曲強(qiáng)度試驗機(jī)的制備要求 34.3試驗環(huán)境要求 45試驗方法 45.1概述 45.2微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗過程 45.3微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗結(jié)果計算 5附錄A(規(guī)范性)測試裝置和測試結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸 6Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)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(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由全國微機(jī)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、北京燕東微電子科技有限公司、無錫韋感半導(dǎo)體有限公司、深圳市美思先端電子有限公司、南京飛恩微電子有限公司、廣州奧松電子股份有限公司、上海臨港新片區(qū)跨境數(shù)據(jù)科技有限公司。1微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)硅基MEMS微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗方法本文件描述了硅基MEMS加工所涉及的微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)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微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)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(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T26111微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)術(shù)語GB/T34558金屬基復(fù)合材料術(shù)語3術(shù)語和定義GB/T26111和GB/T34558界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。等強(qiáng)度梁beamofconstantstrength各橫截面上的最大正應(yīng)力都相等的梁。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。彎曲強(qiáng)度bendingstrength試樣在彎曲斷裂前所承受的最大正應(yīng)力。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)微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度的試驗機(jī)。為了測量材料性能或微結(jié)構(gòu)的性能專門制作的微結(jié)構(gòu)。2[來源：GB/T26111—2010,3.7.19,有修改]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結(jié)構(gòu)。4試驗要求4.1原位片上彎曲強(qiáng)度試驗機(jī)的設(shè)計要求原位片上彎曲強(qiáng)度試驗機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中測試結(jié)構(gòu)三視圖如圖2所示，測試結(jié)構(gòu)設(shè)計示意如標(biāo)引序號說明：1——鍵合錨點；2——等強(qiáng)度梁；3——加載段；4——片上針尖；6——可動框架；測試裝置(序號4～11)。8——驅(qū)動加載點；9——放大杠桿；10——形變量標(biāo)尺；11——位移量標(biāo)尺。圖1微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗原位片上試驗機(jī)示意圖3標(biāo)引序號說明：H——等強(qiáng)度梁厚度；h——等強(qiáng)度梁鍵合錨點高度；A——等強(qiáng)度梁鍵合錨點邊長；L——等強(qiáng)度梁力臂長度，該參數(shù)需要序列設(shè)計；l——加載段長度；w——加載段寬度。圖2測試結(jié)構(gòu)三視圖X標(biāo)引序號說明：h(x)——等強(qiáng)度梁的寬度；x——等強(qiáng)度梁的長度。圖3等強(qiáng)度梁設(shè)計示意圖原位片上彎曲強(qiáng)度試驗機(jī)的設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：a)測試結(jié)構(gòu)采用等強(qiáng)度梁結(jié)構(gòu)，以消除應(yīng)力集中和工藝缺陷帶來的誤差；b)測試裝置的驅(qū)動應(yīng)產(chǎn)生足夠的推力，使測試結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲形變，可采用片外探針加載、片上熱驅(qū)加載或片上靜電加載等驅(qū)動方式；c)測試裝置的彈性梁在試驗過程中不發(fā)生斷裂；d)等強(qiáng)度梁部分梁寬設(shè)計為h(x)=k√x,其中k為常數(shù)；e)測試裝置的標(biāo)尺設(shè)計滿足分辨率要求，在光學(xué)顯微鏡下能準(zhǔn)確分辨標(biāo)尺示數(shù)。4.2原位片上彎曲強(qiáng)度試驗機(jī)的制備要求原位片上彎曲強(qiáng)度試驗機(jī)的制備應(yīng)滿足以下要求：4a)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)測試結(jié)構(gòu)材料兼容于試驗機(jī)制造的硅加工工藝。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(jìn)行。5試驗方法5.1概述微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度的試驗是利用驅(qū)動裝置對測試裝置施加作用，進(jìn)而使測試裝置的片上針尖對測試結(jié)構(gòu)施加作用，通過觀察測試結(jié)構(gòu)的形變和破壞，利用測試裝置的形變量標(biāo)尺讀數(shù)d確定測試結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度。5.2微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗過程如圖4所示，微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗時，探針臺光學(xué)顯微鏡的視野范圍應(yīng)覆蓋探針和原位片上彎曲強(qiáng)度試驗機(jī)的全貌。微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗過程如下。a)微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗前，應(yīng)將載有片上試驗機(jī)的晶圓固定在芯片檢測用探針臺上，如圖4a)所示。b)在驅(qū)動加載點處施加沿測試裝置中軸線的水平正壓力，運動方向如圖4b)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(biāo)尺，當(dāng)測試結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂時，記錄此刻形變量標(biāo)尺的讀數(shù)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，測試裝置的設(shè)計尺寸按附錄A中表A.1的規(guī)定，測試結(jié)構(gòu)的建議設(shè)計尺寸按表A.2的規(guī)定。a)驅(qū)動施加作用前標(biāo)引序號說明：1——加載前；2——驅(qū)動加載點；3——加載后；d——形變量標(biāo)尺的讀數(shù)。b)驅(qū)動施加作用后圖4微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗過程示意圖5GB/T42895—20235.3微結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度試驗結(jié)果計算測試前后放大杠桿處變化如圖5所示。彈性梁的尺寸如圖6所示。標(biāo)引序號說明：a?——放大杠桿支架的間距；a?——放大杠桿的長度；d——形變量標(biāo)尺的讀數(shù)。圖5放大杠桿示意圖標(biāo)引序號說明：a?——彈性梁的長度；b——彈性梁的寬度。圖6彈性梁示意圖等強(qiáng)度梁側(cè)壁表面上的彎曲強(qiáng)度可按公式(1)計算。 (1)式中：σ(x)——等強(qiáng)度梁的彎曲強(qiáng)度，單位為兆帕(MPa);E——硅的楊氏模量，單位為帕(Pa);k—帶量綱常數(shù)(√μm),取值為5;a?——放大杠桿支架的間距，單位為微米(μm);a?——放大杠桿的長度，單位為微米(μm);d——形變量標(biāo)尺讀數(shù)，單位為微米(μm)。6(規(guī)范性)測試裝置和測試結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸測試裝置的尺寸標(biāo)注如圖A.1和圖A.2所示，圖A.3為形變量和位移量標(biāo)尺示數(shù)設(shè)計，表A.1是7Ⅱ?圖圖A.2測試裝置局