GB/T 28277-2012 硅基MEMS制造技术 微键合区剪切和拉压强度检测方法

　　ICS 31. 200 L 55

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 28277—2012

　　硅基 MEMS制造技术

　　微键合区剪切和拉压强度检测方法

　　Silicon-basedMEMS fabrication technology—

　　Measurementmethod ofcutting andpull-pressstrength ofmicro bonding area

　　2012-05-11发布 2012-12-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 28277—2012

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 要求 2

　　4. 1 检测结构的设计要求 2

　　4. 2 检测结构制备要求 4

　　4. 3 检测环境要求 4

　　5 检测方法 5

　　5. 1 总则 5

　　5. 2 拉压式微结构键合强度检测 5

　　5. 3 剪切式微结构键合强度检测 6

　　附录 A (资料性附录) 拉压式检测结构设计尺寸和断裂强度对应表 8

　　附录 B (资料性附录) 拉压式检测结构测试实例 16

　　Ⅰ

　　GB/T 28277—2012

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由全国微机电技术标准化技术委员会(SAC/TC336)提出并归 口 。

　　本标准起草单位 :北京大学 、中机生产力促进中心 、中国电子科技集团第十三研究所 、中国科学院上海微系统与信息技术研究所 、中国电子科技集团第四十九研究所 。

　　本标准主要起草人 :张大成 、王玮 、刘伟 、杨芳 、姜森林 、崔波 、熊斌 、田雷 。

　　Ⅲ

　　GB/T 28277—2012

　　硅基 MEMS制造技术

　　微键合区剪切和拉压强度检测方法

　　1 范围

　　本标准规定了硅基 MEMS加工过程中所涉及的微小键合区域键合强度检测的要求和试验方法 。本标准适用于采用微电子工艺及相关微细加工技术制造的微小键合区的剪切和拉压强度测试 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 26111—2010 微机电系统(MEMS)技术 术语和定义

　　GB/T 19022—2003 测量管理体系 测量过程和测量设备的要求

　　3 术语和定义

　　GB/T 26111—2010和 GB/T 19022—2003界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。 3. 1

　　体微加工工艺 bulk micromachining

　　通过选择性去除部分基底材料实现微结构的微机械加工方法 。

　　注 : 体微机械工艺是通过化学方法刻蚀去除基底不需要部分的加工方法 。通过使用 SiO2 或 Si3 N4 掩模可以保护表面不被刻蚀 。硼掺杂层也可以停止表面层以下部分的刻蚀 。

　　[GB/T 26111—2010,定义 3. 5. 16] 3. 2

　　干法刻蚀 dry etching

　　利用可产生物理和/或化学反应的气体或等离子体进行刻蚀的技术 。

　　注 : 电子能量所产生的可反应气体与衬底反应并移 除 材 料 ,形 成 所 需 的 形 状 或 尺 寸 。 干 法 刻 蚀 可 分 为 利 用 化 学 反应的各向同性腐蚀(等离子刻蚀)和利用物理反应的直接刻蚀(离子刻蚀) 。

　　[GB/T 26111—2010,定义 3. 5. 18] 3. 3

　　湿法刻蚀 wetetching

　　利用与待刻材料可产生化学反应的溶液对薄膜或器件结构进行腐蚀的技术 。

　　注 : 在进行湿法刻蚀时 ,将不需要腐蚀的一部分掩模 ,暴 露 其 余 的 部 分 , 然 后 将 材 料 浸 入 反 应 溶 液 中 。可 分 为 各 向同性刻蚀和各向异性刻蚀 。

　　[GB/T 26111—2010,定义 3. 5. 17] 3. 4

　　各向同性刻蚀 isotropicetching

　　刻蚀速度不随晶向或能量束方向改变的腐蚀过程 。

　　[GB/T 26111—2010,定义 3. 5. 19]

　　1

　　GB/T 28277—2012

　　3. 5

　　各向异性刻蚀 anisotropicetching

　　随晶向或能量束方向不同 ,刻蚀速度不同的刻蚀过程 。

　　[GB/T 26111—2010,定义 3. 5. 20] 3. 6

　　锚点 anchor

　　悬空结构与基底连接的点 。

　　[GB/T 26111—2010,定义 3. 7. 20] 3. 7

　　工艺容差 machining allowance

　　版图设计过程中给工艺加工留出的固定余量 。

　　3. 8

　　加工误差 machining error

　　加工出的硅结构的纵 、横向尺寸实测值与设计值之间的差值 。

　　3. 9

　　反应离子刻蚀 reactive ion etching;RIE

　　通过等离子体产生的离子和原子团对被刻蚀材料同时进行化学腐蚀和物理轰击实现干法刻蚀 。

　　3. 10

　　感应耦合等离子体刻蚀 inductively coupled plasma;ICP

　　在 RIE反应室的上方加置线圈状的电极 ,达到增强等离子密度和能量的效果 。

　　4 要求

　　4. 1 检测结构的设计要求

　　检测结构的结构图如图 1 和图 2所示 。

　　a) 拉压式检测结构示意图

　　图 1 拉压式检测结构

　　2

　　GB/T 28277—2012

　　b) 拉压式检测结构三视图

　　说明 :

　　H — 检测结构力臂厚度 ;

　　h — 键合区支持梁高度 ;

　　a — 键合区边长 ;

　　L — 检测结构力臂长度 ,该参数需要序列设计 ; W — 检测结构力臂宽度 ;

　　d — 探针作用点宽度 。

　　图 1 (续)

　　a) 剪切检测结构示意图

　　图 2 剪切式检测结构

　　3

　　GB/T 28277—2012

　　b) 剪切式检测结构三视图

　　说明 :

　　H — 检测结构力臂厚度 ;

　　h — 键合区支持梁高度 ;

　　a — 键合区边长 ;

　　L — 检测结构力臂长度 ;

　　W — 检测结构力臂宽度 ;

　　δ — 偏转置标尺最小刻度 ;

　　d — 探针作用点宽度 。

　　图 2 (续)

　　4. 1. 1 为保证断裂不过早发生在检测结构的力臂中 ,检测结构力臂的设计强度应大于与键合面等截面的体硅材料的断裂强度 。

　　4. 1. 2 拉压式微检测结构要求以力臂长度为参数做序列设计 。序列间距(力臂长度间距) 应满足相应键合面积检测的分辨率要求 。设计的同时也应考虑检测结构所占面积要求 。

　　4. 1. 3 扭转式微检测结构键合区支持梁高度不应过大 。扭转式微检测结构的卡尺设计应满足相应检测的分辨率要求 ,并要求在光学显微镜下能准确分辨卡尺示数 。

　　4. 1. 4 检测结构的设计应该充分考虑加工误差而预留足够的加工容差 。检测结构的设计还应考虑干法和湿法刻蚀中各向同性和各向异性腐蚀对结构表面的粗糙度影响 。

　　4. 2 检测结构制备要求

　　4. 2. 1 检测结构的制备应满足体硅工艺要求 。

　　4. 2. 2 检测结构的力臂材料为硅 。其物理化学性能参数应参考实际工艺所用硅片参数 。

　　4. 2. 3 建议用反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀工艺制备检测结构锚点 , 以保证键合区的形貌 。

　　4. 3 检测环境要求

　　4. 3. 1 检测中应确保没有明显的空气流动 。检测平台要求稳定不抖动 。

　　4

　　GB/T 28277—2012

　　4. 3. 2 检测中应充分考虑检测结构断裂所产生的碎片和粉尘对周围环境的影响 。

　　5 检测方法

　　5. 1 总则

　　微结构键合强度的检测是利用微探针台的探针在显微镜监测下对检测结构施加作用 ,通过监测检测结构的形变和破坏 ,利用检测结构的结构参数确定键合强度 。

　　5. 2 拉压式微结构键合强度检测

　　拉压式微结构键合强度检测方法是在力臂作用点对检测结构施加竖直作用力 。 当检测结构的力臂末端产生设定的位移 h时 ,根据检测结构断裂与否标定键合面键合强度 。

　　5. 2. 1 拉压式微结构键合强度检测过程

　　如图 3所示 ,拉压式微结构键合强度检测时 ,将检测结构的芯片固定在微电子工艺用分析探针台上 ,用探针在力臂作用点(A点)施加竖直正压力 ,通过显微镜观测当力臂悬臂梁底部接触玻璃面时 ,测试结构在键合根部(B或 C)处是否断裂 。该检测需要对一序列的检测结构进行试验 。 当悬臂梁长度为Li 的测试结构没有发生断裂 ,而悬臂梁长度为 Li+1 (Li>Li+1)的测试结构发生拉伸(或挤压)断裂时 ,判定此时的键合强度大于拉伸强度 σLi,T (或挤压强度 σLi,C ) 。

　　图 3 剪切式微结构键合强度检测过程示意图

　　5. 2. 2 拉压式微结构键合强度检测操作要求

　　检测过程中 ,探针的作用方向应保持与玻璃表面垂直 ,作用速度要求足够缓慢 。探针台光学显微镜的视野范围应包括探测和检测结构全貌 。力臂接触玻璃衬底后 ,或键合面发生断裂后 ,应及时停止探针压力 ,并缓慢抬高探针直至与检测结构分离 。

　　5

　　GB/T 28277—2012

　　5. 2. 3 拉压式微结构键合强度检测结果处理

　　— 对于不同的键合面积 ,在力臂序列设计中 ,应计算各个力臂在达到设计位移(即键合区台阶高度 h)时 ,键合面的最大拉伸应力和挤压应力 。强度检测后 ,对应发生结构断裂时的力臂长度 ,查阅设计时的计算结果 ,得到键合强度 。

　　— 对于没有条件在设计中计算应力的用户 ,可以参照附录 A 中的数据设计检测结构 ,并在检测强度后查阅表 A. 1~表 A. 16得到键合区拉压强度 。

　　— 对于各个键合面积 ,力臂长度序列没有出现在上述表格中时 ,可以根据各表数据插值得到 。若断裂首先发生在测试结构的体硅中 ,此时可认定键合强度大于体硅强度 。

　　5. 3 剪切式微结构键合强度检测

　　剪切式微结构键合强度检测方法是通过对检测结构的力臂施加与键合面平行的作用力 ,从而产生对键合面的剪切弯矩 。通过光学显微镜直观读取键合面断裂时力臂 自 由端的位移 ,定量确定键合面的剪切强度 。

　　5. 3. 1 剪切式微结构键合强度检测过程

　　如图 4所示 ,剪切式微结构键合强度检测时 ,将检测结构的芯片固定在微电子工艺用分析探针台上 ,用探针在力臂作用点(A点)施加水平正压力 ,通过显微镜观测当检测结构断裂时 ,记录力臂末端卡尺指示的偏移位移 D。

　　a) 探针施加作用前

　　b) 键合面断裂时 ,力臂末端偏转量为 D

　　图 4 拉压式微结构键合强度检测过程示意图

　　6

　　GB/T 28277—2012

　　5. 3. 2 剪切式微结构键合强度检测操作要求

　　检测过程中 ,探针的作用方向应保持与玻璃表面水平 ,并与检测结构保持垂直 ,作用速度要求足够缓慢 。探针台光学显微镜的视野范围应包括探测和检测结构全貌 。键合面或力臂发生断裂后 ,应及时停止探针压力 ,并缓慢释放探针直至与检测结构分离 。

　　5. 3. 3 剪切式检测结构尺寸建议

　　为了获得足够的分辨率和合适的探针压力 ,表 1 给出了在不同键合面积下 ,检测结构的建议尺寸 。键合区支持梁高度 h为 4 μm。

　　表 1 剪切式键合强度检测结构尺寸

　　a×a

　　2

　　μm

　　W ×H

　　2

　　μm

　　L

　　μm

　　13× 13

　　33× 80

　　243

　　17× 17

　　37× 80

　　241

　　20× 20

　　40× 80

　　240

　　25× 25

　　45× 80

　　238

　　30× 30

　　50× 80

　　240

　　40× 40

　　100× 80

　　565

　　50× 50

　　150× 80

　　607

　　60× 60

　　200× 80

　　596

　　70× 70

　　250× 80

　　605

　　80× 80

　　250× 80

　　614

　　90× 90

　　300× 80

　　1 456

　　100× 100

　　400× 80

　　1 423

　　110× 110

　　400× 80

　　1 444

　　120× 120

　　400× 80

　　1 449

　　5. 3. 4 剪切式微结构键合强度检测结果处理

　　利用检测结构在键合面处断裂时偏转量卡尺的读数 D,键合强度 τmax可以按公式(1)计算 :

　　τmax D (MPa) …………………………( 1 )

　　式中 :

　　τmax— 键合强度 ,单位为兆帕(MPa) ;

　　H — 检测结构力臂厚度 ,单位为微米(μm) ;

　　a — 键合区边长 ,单位为微米(μm) ;

　　L — 检测结构力臂长度 ,单位为微米(μm) ;

　　D — 偏转标尺偏转量 ,单位为微米(μm) ;

　　W — 检测结构力臂宽度 ,单位为微米(μm) 。

　　检测中若断裂首先发生在测试结构的体硅中 ,此时可认定键合强度大于体硅强度 。

　　7

　　GB/T 28277—2012

　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　拉压式检测结构设计尺寸和断裂强度对应表

　　表 A. 1 检测结构设计尺寸 单位为微米

　　L

　　a

　　H

　　W

　　h

　　d

　　300~ 2 000

　　10~ 150

　　20(a≤70)

　　70(a>70)

　　200

　　80(a≤70)

　　80(a>70)

　　100

　　说明 :

　　H — 检测结构力臂厚度 ;

　　h — 键合区支持梁高度 ;

　　a — 键合区边长 ;

　　L — 检测结构力臂长度 ,该参数需要序列设计 ; W — 检测结构力臂宽度 ;

　　d — 探针作用点宽度 。

　　表 A. 2 键合面积为 10μm× 10μm 的挤压强度和拉伸强度

　　力臂长度 L/μm

　　拉伸强度 σL,T /MPa

　　挤压强度 σL,C /MPa

　　800

　　1 072. 1

　　-1 135. 8

　　850

　　1 008. 3

　　-1 067. 9

　　900

　　951. 6

　　-1 007. 6

　　950

　　900. 7

　　-953. 5

　　1 000

　　855. 1

　　-905. 0

　　1 050

　　813. 7

　　-861. 0

　　1 100

　　776. 0

　　-821. 0

　　1 150

　　741. 6

　　-784. 4

　　1 200

　　710. 0

　　-750. 9

　　1 250

　　680. 9

　　-720. 0

　　1 300

　　654. 2

　　-691. 7

　　1 350

　　629. 3

　　-665. 3

　　1 400

　　606. 2

　　-640. 8

　　8

　　GB/T 28277—2012

　　表 A. 3 键合面积为 20μm×20μm 的挤压强度和拉伸强度

　　力臂长度 L/μm

　　拉伸强度 σL,T /MPa

　　挤压强度 σL,C /MPa

　　800

　　1 883. 4

　　-1 751. 9

　　850

　　1 699. 4

　　-1 576. 6

　　900

　　1 541. 1

　　-1 426. 5

　　950

　　1 403. 8

　　-1 296. 7

　　1 000

　　1 284. 2

　　-1 184. 1

　　1 050

　　1 179. 4

　　-1 085. 5

　　1 100

　　1 086. 5

　　-998. 6

　　1 150

　　1 004. 5

　　-921. 9

　　1 200

　　931. 5

　　-853. 8

　　1 250

　　866. 0

　　-792. 8

　　1 300

　　807. 4

　　-738. 3

　　1 350

　　754. 4

　　-689. 1

　　1 400

　　706. 4

　　-644. 7

　　表 A. 4 键合面积为 30μm× 30μm 的挤压强度和拉伸强度

　　力臂长度 L/μm

　　拉伸强度 σL,T /MPa

　　挤压强度 σL,C /MPa

　　800

　　1 558. 3

　　-1 598. 8

　　850

　　1 416. 3

　　-1 496. 4

　　900

　　1 296. 4

　　-1 328. 1

　　950

　　1 188. 5

　　-1 253. 9

　　1 000

　　1 096. 4

　　-1 121. 7

　　1 050

　　1 012. 2

　　-1 066. 7

　　1 100

　　939. 8

　　-960. 5

　　1 150

　　874. 0

　　-892. 8

　　1 200

　　814. 9

　　-832. 1

　　1 250

　　760. 7

　　-800. 3

　　1 300

　　712. 7

　　-749. 5

　　1 350

　　669. 1

　　-703. 4

　　1 400

　　629. 4

　　-661. 5

　　9

　　GB/T 28277—2012

　　表 A. 5 键合面积为 40μm× 40μm 的挤压强度和拉伸强度

　　力臂长度 L/μm

　　拉伸强度 σL,T /MPa

　　挤压强度 σL,C /MPa

　　500

　　2 036. 2

　　-2 142. 1

　　550