硅基MEMS制造技术微键合区剪切和拉压强度检测方法

硅基MEMS制造技术微键合区剪切和拉压强度检测方法

国家标准 GB/T28277一2012 硅基MEMS制造技术 微键合区剪切和拉压强度检测方法 Silicon-basedMEMSfabrieationtechmology一 Measurementmethodofeuttingandpull-pressstrenmgthofmicrobondingarea 2012-05-11发布 2012-12-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/T28277一2012 目 次 前言 范围 规范性引用文件 术语和定义 要求 4.1检测结构的设计要求 4.2 检测结构制备要求 检测环境要求 4.3 检测方法 总则 5.1 5.2拉压式微结构键合强度检测 5.3剪切式微结构键合强度检测 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 附录B(资料性附录)拉压式检测结构测试实例
GB/T28277一2012 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009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/TcC336)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、电子科技集团第十三研究所、科学院上 海微系统与信息技术研究所、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 m
GB/T28277一2012 硅基MEMS制造技术 微键合区剪切和拉压强度检测方法 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 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/T26111一2010微机电系统(MEMS)技术术语和定义 GB/T19022一2003测量管理体系测量过程和测量设备的要求 术语和定义 GB/T26111一2010和GB/T19022一2003界定的以及下列术语和定义适用于本文件 3 体微加工工艺 bulkmicromachining 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SO，或SiN，掩模可以保护表 面不被刻蚀 棚掺杂层也可以停止表面层以下部分的刻蚀 [GB/T261112010,定义3.5.16 3.2 干法刻蚀dlryetehing 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/T26111一2010,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,然后将材料浸人反应溶液中 可分为各向 同性刻蚀和各向异性刻蚀 [GB/T26111一2010,定义3.5.17] etehing 各向同性刻蚀isotropiec 刻蚀速度不随晶向或能量束方向改变的腐蚀过程 [GB/T261l1一2010,定义3.5.19]
GB/T28277一2012 3.5 etehing 各向异性刻蚀anisotropic 随晶向或能量束方向不同,刻蚀浊度不同的刻蚀过程 [GB/T26111一2010,定义3.5.20] 3.6 锚点 anch0r 悬空结构与基底连接的点 GB/T2611l2010,定义3.7.20] 3.7 machiningallowance 工艺容差 版图设计过程中给工艺加工留出的固定余量 3.8 machining《 加工误差 er"r0r 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reaetiveionetching;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induetivelycoupledplasmma;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 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 检测结构 M 拉压式检测结构示意图 拉压式检测结构
GB/T28277一2012 拉压式检测结构三视图 b 说明 H 检测结构力臂厚度; -键合区支持梁高度; -键合区边长; 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; -探针作用点宽度 图1续 偏转标尺 扭转方向 检测结构 探针 剪切检测结构示意图 图2剪切式检测结构
GB/T28277一2012 剪切式检测结构三视图 b 说明: H 检测结构力臂厚度 -键合区支持梁高度; -键合区边长; -检测结构力臂长度; W 检测结构力臂宽度; 偏转置标尺最小刻度 -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 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. 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 2 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 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
GB/T28277一2012 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 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 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)处是香断裂 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 L的测试结构没有发生断裂,而悬臂梁长度为L(L>L)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可(或挤压强度 o., 探针 力臂作用点 A点 渊试结构 挤压断裂点 挤压断裂点 B点未断裂 B点未断裂 探针 探针 拉伸斯裂点 拉伸断裂点 C点未断裂 C点未断裂 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
GB/T28277一2012 3 5.2. 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.1一表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. 力臂作用点 A点 扭转方向 偏转量标尺 检测结构 探针 探针施加作用前 a 偏转量标尺 扭转方向 检测结构 探针 键合面断裂时,力臂末端偏转量为D b 图4拉压式微结构键合强度检测过程示意图
GB/T28277一2012 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4m. 表1剪切式键合强度检测结构尺寸 W×H m Mm 4mm 13×13 33×80 243 17×17 37×80 241 20×20 40×80 240 45×80 25×25 238 50×80 240 30×30 40×40 100×8o 565 50×50 150×80 607 60×60 200×8o 596 250×80 70×70 605 80×80 250×80 614 90×90 300×8Oo 1456 100×100 400×80 1423 110×11o 400×8o 1444 120×120 400×80 1449 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,键合强度了可以按公式(1)计算 HW =0.14× -DMPa) Tmax5 L 式中: -键合强度,单位为兆帕(MPa) rme H -检测结构力臂厚度,单位为微米(am) 键合区边长,单位为微米(am); 检测结构力臂长度,单位为微米(4m); 偏转标尺偏转量,单位为微米(am); W -检测结构力臂宽度,单位为微米(4m). 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
GB/T28277一2012 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 H W 20(a70 80a70 10150 200 100 300一2000 70(a>70 80(a>70 说明 H -检测结构力臂厚度; -键合区支持梁高度; -键合区边长; 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; 探针作用点宽度 表A.2键合面积为10umx10um的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/4m 拉伸强度aL.,T/MPa 挤压强度o..ce/MPa 800 1072.1 1135.8 85o 1008.3 1067.9 900 951.6 一1007.6 95o 900.7 -953,5 1000 855.1 -905,0 1050 813.7 -861.0 1100 776.0 -821.0 1150 741.6 784.4 200 710.0 -750,9 1250 680.9 720.0 1300 654.2 -691 1350 629.3 -665.3 400 606.2 640.8
GB/T28277一2012 表A.3键合面积为20m×20m的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/um 拉伸强度ai./MPa 挤压强度ai.c/MPa 800 1883.4 -1751.9 850 1699.4 1576.6 900 541.l 426.5 950 403.8 296." 284 1841 000 050 179. 085.5 0865 998.6 100 150 004.5 921.9 200 853.8 .5 931. 250 866.0 792.8 300 807.4 738.3 1350 754.4 689. 1400 706.4 -644.7 表A.4键合面积为30umx30m的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/m 拉伸强度oL,T/MP; 挤压强度oL.ce/MPa 800 558.3 1598.8 85o 1416.3 -1496.4 900 1296. -1328.1 95o 188.5 -1253.9 1000 1096. -1121.7 105o 1012.2 -1066.7 939.8 -960,5 100 150 874.0 -892,8 200 814.9 -832. 250 760.7 -800.3 300 712.7 -749.5 350 669.1 -703.4 1400 629.4 -661.5
GB/T28277一2012 表A.5键合面积为40m×40m的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/am1 拉伸强度o.T/MPa 挤压强度o.c/MPa 500 2036.2 -2142.1 550 1736.4 -1822.0 600 1499.2 -1569.7 650 1306.9 1365.9 700 199.7 1l49.8 750 1019.3 1062.1 800 910.0 -947.1 850 817.4 -849.8 900 738.4 766.9 670.2 950 695.5 1000 611.1 一633.7 表A.6键合面积为50Mm×50Lm的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/Am 拉伸强度a.T/MPa 挤压强度o,,c/MPa 500 1241.9 -1294.9 55o -1087.1 1046.0 600 893.4 -926.1 65o 770,9 797.9 700 672,6 一694.8 750 592.3 -610.3 -540,4 800 525.2 850 469.0 -481.9 900 421. 432.5 950 380.3 390.2 1000 345.2 -353.8 表A.7键合面积为60mx60m的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/4m 拉伸强度a,.T/MP 挤压强度.c/MP 300 1690.l 1813.2 320 1505.5 -1608.7 340 1351.1 -1438.6 -1294.1 360 1219.2 380 1104.3 -1168.7
GB/T28277一2012 表A.7(续) 力臂长度L/am1 拉伸强度o.T/MPa 挤压强度o.c/MPa 400 1005.9 -1061.9 420 920.1 -969,0 440 844.3 -887.2 460 777.9 一815.8 719.0 752.? 480 500 666.0 -696,0 表A.8键合面积为70m×70m的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/amm 拉伸强度a.T/MPa 挤压强度a.c/MP 1136,o -1206,6 300 320 1008.2 1065.9 340 901.6 -949.4 360 81l.3 -851.0 380 733.0 -766.3 400 665.9 一694.1 607.9 420 -631.8 440 556.6 -577.1 46o 511.9 529,4 48o 472.3 一487.4 500 436.7 449.8 表A.9键合面积为80m×80 m的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/unm 拉伸强度o.T/MPa 挤压强度o.c/MPa 800 2547.6 -2633.9 900 2128.7 -2189.6 1000 1804.8 一1850,6 1585，4 1100 1547.9 1200 1346.3 -1374.1 300 180,l 202.3 400 1043.2 -1061.2" 1500 929.0 -943.7 1600 -844.9 831.5 1700 750.7 -761.0
GB/T28277一2012 表A.9(续) 拉伸强度.T/MPa 挤压强度o.c/MPa 力臂长度L/am 1800 680.3 688.9 900 618.5 626." -572.6 2000 566.4 表A.10键合面积为90m×90m的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/Am 拉伸强度a.T/MPa 挤压强度a.c/MPa 800 2170.8 2257.1 900 1791.2 -1854.4 1000 1503." 1551.3 100 280.5 1317.2 200 103.7 132.6 300 961.1 -984.2 400 844.6 -863. 1500 一763 5 748.1 600 667.3 -680.1 700 598.9 -609.7 1800 540.5 -549,7 900 490.3 498.1 446.8 453.5 2000 表A.11键合面积为100Hmx100Hm的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/amm 拉伸强度a.T/" 挤压强度a.c/MP /MP 1883,4 一1751.9 800 850 1699. 1576.6 900 1541. -1426.5 950 1403.8 -1296.7 1000 1284.2 -1184.1 1050 1179.4 -1085.5 1100 1086.5 -998,6 150 1004.5 -921.9 1200 931.5 853.8 1250 866.0 -792.8 1300 807.4 -738.3 -689. 1350 754.4 1400 706.4 -644.7 12
GB/T28277一2012 表A.12键合面积为110mx110m的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/um 拉伸强度ai./MPa 挤压强度ai.c/MPa 800 141l.3 -1413.9 850 1268.7 1267.7 900 147.4 143.4 950 1042.2 036.3 000 950.9 943.6 050 871.3 862.8 791.9 801.0 100 150 7729.5 739,1 200 674 684.0 624. 250 634.9 300 590.8 580.8 1350 551.2 -54l.3 1400 515.5 -505.6 表A.13键合面积为120umx120um的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/m 拉伸强度oL,T/MP; 挤压强度oL.ce/MPa 700 1355. -1309.5 75o 199.5 -1154.3 800 1069. -1025.5 85o 959.3 -917.1 900 865.5 -824.9 95o 784.2 -745,8 1000 714.4 -677.7 1050 653,3 -618.5 100 599,8 -566.7 2 150 552.6 521 1200 510.7 480.9 250 473.4 445.2 1300 439.9 一413.1 13
GB/T28277一2012 表A.14键合面积为130mx130 0m的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/um 拉伸强度ai./MPa 挤压强度ai.c/MPa 600 1636.l -1466.8 625 522.9 1361.l1 650 419,7 265.5 1803 675 327. 244 700 103. 033 725 167. 970 750 098,6 775 035. 860.G 800 977.7 825 924.0 811. 850 875.2 767.2 875 830.2 726.6 900 788.5 689. 表A.15键合面积为140umx140um的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/m 拉伸强度oL,T/MP; 挤压强度oL.ce/MPa 600 1340.4 1356.2 625 1246.0 -1256.6 65o 160.9 -1167.2 675 1084.3 -1087.3 700 1014.9 -1015.1 725 952.1 -949,7 75o 894.9 -890,5 775 842.8 -836.9 800 795,1 -787.8 825 751.1 -742.8 85o 710.9 -701.7 875 673.7 -663.8 900 639.3 -629. 八心
GB/T28277一2012 表A.16键合面积为150mx150m的挤压强度和拉伸强度 力臂长度L/4mm 拉伸强度a,.T/MPa 挤压强度a,.c/MPa 500 1652." 1538.9 525 1515,2 -1449.6 55o 1393.7 1285.5 1286.8 -1220.4 575 600 1191.6 1125.8 625 1106.8 -1009.3 650 1030.2 -966.7 675 961.6 -871.3 700 899.4 -812.6 725 843.0 784.1 750 791.9 -734.8 775 745.3 -668.3 800 702.7 -628,6 825 663.5 -592.1 850 627.5 -577.0 875 594.4 -545.6 900 563,9 500.5 15
GB/T28277一2012 附 录 B 资料性附录 拉压式检测结构测试实例 需要检测面积为110只m×1104m硅-玻璃键合面的键合强度,用拉压式检测结构 结构关键尺寸 如表B.1所示 并对力臂长度做序列设计,长度从800m1400Am,间隔为50pm. 表B.1检测结构设计尺寸 单位为微米 w H 800~1400 10~150 70 200 8c 100 说明: H -检测结构力臂厚度; 键合区支持梁高度; -键合区边长; 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; 探针作用点宽度 检测时,从力臂最长(14004m)的检测结构开始,用探针在探针作用点竖直对检测结构施加压力， 并同时用探针台的显微镜观察 在检测结构末端接触到底部基片时,判断测试结构是否断裂 如果没 有断裂,缓慢抬起并移动探针,对下一个力臂稍短(1350m)的检测结构进行测试 重复上面的操作 在力臂长为1050pm时,检测结构仍然没有断裂;但在力臂长为10o0pm时 结构断裂 此时参照表A.12，查出键合强度为950.9MPa 如需要更加精确地分辨强度大小,可以将力臂的长度间隔设计得更小 通过将表A.12中的数值 做差值处理,可以得到设有在表中出现的力臂长度对应的键合强度大小 检测中,若断裂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 16

硅基MEMS制造技术微键合区剪切和拉压强度检测方法GB/T28277-2012

硅基微电子机械系统（MEMS）是一种集成化的微型机电器件，具有体积小、重量轻、低功耗等优点，在汽车、医疗、航空等领域得到广泛应用。其中微键合技术是硅基MEMS制造中不可或缺的一环，其主要作用是将两个物体通过表面接触结合为一个整体。

在微键合技术中，区剪切和拉压强度是常见的关键参数，直接影响着键合质量和可靠性。因此，如何准确检测微键合区的剪切和拉压强度是非常重要的。

GB/T28277-2012是我国针对微键合区剪切和拉压强度检测设计的标准，其中具体规定了一系列检测方法和相关技术参数。例如，在剪切强度测试中，标准规定了使用万能试验机在特定速度下进行拉伸实验，并记录最大应力值；而在拉压强度测试中，则需要使用专用设备对微键合区进行拉伸和压缩实验。

除了GB/T28277-2012标准外，目前还有许多其他常用的微键合区剪切和拉压强度测试方法。例如，光学显微镜可用于观察微键合区的形貌和损伤情况；扫描电子显微镜则可以进一步观察微键合区的微观结构和化学成分等。

总的来说，微键合技术中的区剪切和拉压强度检测是制造过程中不可或缺的环节，其准确性和可靠性对于MEMS器件的性能起着至关重要的作用。因此，遵守GB/T28277-2012标准并结合其他有效的检测方法，将有助于提高微键合区的质量和可靠性，同时也将为MEMS制造领域的发展作出贡献。

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